地铁车站明挖深基坑围护结构变形规律分析

赵 鑫,杨美霞*,杨 昊,宋立伟

(1.河北工程大学 土木工程学院,河北 邯郸 056038;2.北京城建轨道交通建设工程有限公司,北京 100000;3.中建建筑第六工程局有限公司,天津 300000)

随着我国城市化进程的不断加快,带来了人口剧增、交通拥堵等问题,极大地促进城市轨道交通的发展[1],轨道交通基坑工程也朝着规模更大、深度更深方向发展,基坑的开挖与支护问题已成为基坑工程的难点及重点[2]。Peck[3]总结分析了在不同土层条件下基坑开挖过程中围护结构侧向位移、地表沉降及土压力等的变化特点,提出了减小地表沉降和坑底隆起的措施。廖少明等[4]选取11个采用钻孔灌注桩围护、顺作法施工的方形基坑,得出方形基坑连续墙最大水平位移值δhm平均值为0.08%H。杨小莉[5]从多个深厚残积土深基坑工程实例中统计各基坑的实际监测数据。王海超等[6]研究得出地下连续墙在侧向预警部位临时加装钢支撑是可行有效的措施。丁智等[7]对软土地区基坑分析得出基坑最大水平位移和最大沉降量都与开挖深度密切相关。王杰光等[8]通过建立支撑轴力自动补偿的连续墙受力平衡方程,对比分析伺服系统与普通钢支撑这两种支撑体系。张秀川等[9]以全自动应力补偿钢支撑为研究对象,对地铁附近深基坑内钢支撑的使用作出探讨及分析。

目前针对绍兴地区地铁基坑围护结构变形规律的研究较少,其工程实践主要借鉴了杭州、上海等类似软土地层基坑工程的施工经验。因此,对绍兴地区基坑工程变形进行专门研究十分必要。本文通过对地连墙水平位移、支撑轴力、地表沉降现场监测数据的分析,揭示了绍兴地区基坑工程围护结构水平位移变化规律、支撑轴力变形规律以及坑外地表沉降变形规律,得出基坑开挖的时空效应、轴力变化规律以及周边变形规律。

1 工程概况

1.1 工程水文地质条件

绍兴地铁2号线车站基坑采用明挖顺作法施工,车站总长198.1 m,净宽19.7～24.5 m,标准段基坑深约16.5 m,东、西端头井基坑深分别约18.5、18.1 m,共设4个出入口(包含2个预留物业出入口),2组风亭,1部无障碍电梯,1个安全出入口。

车站沿洋江西路东西向布置,现有地坪标高约6.03～6.17 m,地貌类型为湖沼相沉积平原,地形起伏。根据地质勘察报告,主要土层分布如下:①1层杂色碎石填土、①2层素填土、②2-4层黏质粉土、③1-2层淤泥质粉质黏土、④1层粉质黏土、④2层粉质黏土。分布如表1:

表1 土层分布表Tab.1 Distribution of soil layers

1.2 基坑围护结构支护方案

车站围护结构采用地下连续墙+内支撑型式,主体标准段及盾构井段采用800 mm厚的地下连续墙。竖向设置5道支撑,第一道支撑采用800 mm×800 mm钢筋混凝土支撑,支撑间距约9 m;第二、四、五道为Ф609(t=16 mm)钢支撑,第三道为Ф800(t=20 mm)钢支撑,钢管支撑体系对撑,水平间距约3 m,具体参数值见表2、表3。

表3 支撑材料特性表Tab.3 Characteristics of support materials

1.3 监测方案及点位布置

本工程开挖深度小于20 m,故工程自身风险等级为二级车站,车站基坑监测等级为二级。为了实施对车站施工过程的动态控制,掌握围护结构和支撑体系的状态,对围护墙体水平位移、支撑轴力、地表沉降等进行现场监控,如图1所示。

注:DBC1-DBC22为周边地表沉降监测点;ZQT1-ZQT22为围护结构水平位移监测点;ZCL1-ZCL22为支撑轴力监测点。图1 基坑监测布点图Fig.1 Monitoring points of foundation pit

1.4 施工监测频率与报警值

监测频率见表4,监测预警见表5,本项目监测预警标准依据【2018】55号绍兴市轨道交通集团有限公司监测细则执行(表4)。

表4 基坑监测频率表Tab.4 Monitoring frequency of foundation pit

表5 基坑监测预警表Tab.5 Monitoring and early warning of foundation pit

2 监测数据分析

2.1 地连墙水平位移变化规律分析

围护结构的侧向水平位移是反映围护结构变形的重要指标,根据绍兴地铁某车站基坑的监测日报,利用Origin等数据分析软件整理得出相应的变化曲线图,得出基坑位移变形规律。

2.1.1 地连墙水平位移实测分析

基坑共布设22个测斜监测点,本文选取监测点ZQT6和ZQT16(表6)作为研究对象进行分析,并绘制出地连墙水平位移与开挖深度间的关系曲线,图2为监测点ZQT6、ZQT16在不同开挖深度下地连墙水平位移变化曲线。

图2 不同深度的地连墙水平位移Fig.2 Horizontal displacement of diaphragm wall at different depths

表6 ZQT6、ZQT16关键作业点Tab.6 Key operation points of ZQT6 and ZQT16

由图2可知,地连墙在不同工况下具有以下特点:在基坑开挖初期,地连墙墙体位移变化小,呈悬臂型变形模式;由于墙身受力小,且第一道混凝土支撑发挥了重要作用,深度方向变形不明显。随着开挖深度的增加,最大位移逐渐下移,位移曲线逐渐变成两端小,中部位移大的内凸型模式。以测点ZQT6为例,墙体最大水平位移位置由开始的-10.5 m下移至-16 m,最大水平位移值为57.415 mm,测点ZQT16与ZQT6相似,最大水平位移的位置也在-16 m左右,最大水平位移值为59.72 mm,都超过地连墙监测预警值,且地连墙墙体的最大变形位置都位于基坑底部。因此,基坑底部加固强度不够,建议加固深度增加至底板下5 m,以避免出现踢脚型破坏。其中工况4、5在架撑的过程中的变形增量占整个基坑总体变形的50%以上,主要原因是工况4、工况5处分布着较厚的淤泥质粉质黏土。因此针对绍兴地区基坑变形情况,应在施工过程重点关注工况4、5以及深厚软弱土层开挖阶段的变形,建议着重改进变形最大处的施工质量并提高相应位置支撑的刚度,抑制地连墙的过度变形。

2.1.2 地连墙最大水平位移与开挖深度的关系

通过对基坑地连墙的最大水平位移量与开挖深度的统计,得到图3。墙体最大水平位移值的范围为0.05%H～0.37%H,平均值为0.21%H。且最大水平位移随着开挖深度的增加呈线性增长的趋势,这与其他学者对苏州[10]、上海[11]等地的研究结果一致,但略小于苏州上海等软土地区(顺作)地连墙最大水平位移的位置范围,说明最大水平位移与基坑场地的具体地质条件与施工工艺等因素密切相关。

图3 地连墙最大水平位移与深度的关系Fig.3 Relationship between maximum horizontal displacement and depth of diaphragm wall

2.2 支撑轴力变化规律分析

车站基坑2～3道钢支撑为普通钢支撑,轴力按设计轴力的1.5倍施加,轴力施加后的24 h,再次复加轴力至1.5倍;土方开挖前对相邻钢支撑附加轴力至1.5倍,减少开挖卸载对钢支撑轴力的影响。4～5道伺服系统按设计轴力的1.25倍施加,并及时关注轴力报警情况。

2.2.1 首道混凝土支撑轴力监测分析

绍兴地区车站建设大多效仿杭州基坑支护模式,首道采用混凝土支撑+多道钢支撑的支护方式。主要原因是在开挖初期呈现悬臂式变形,基坑顶部向坑外发生侧向位移,此时如果首道撑架设钢支撑,可能会发生应力松弛的现象,不能抵抗变形,导致钢支撑脱落,造成人员伤亡等安全事故;而首道支撑采用混凝土支撑能同围护结构浇筑形成整体共同作用,更好地抑制基坑变形。

由图4可发现曲线整体呈下滑趋势,且基坑首道支撑总体为正值(受压),对应的墙顶处于向基坑内移动的状态。而ZCL7-1在开挖加深的同时轴力出现负值,原因可能是随着基坑开挖深度的增加,坑外土压力不断增大,在开挖面处的土压力差增大,推动墙体向坑内变形,加上墙顶与墙底的水平约束,使墙体弯曲变形,导致墙顶向坑外倾倒,这也是墙体最大水平位移位置一般在开挖面处的主要原因,但总体而言车站基坑主要受压力影响。

2.2.2 钢支撑轴力监测分析

本文选取了基坑标准段处具有代表性的两个轴力监测点ZCL8、ZCL9以及端头处轴力监测点ZCL1,每个监测点共四层钢支撑监测轴力数据,其中第二、三道为普通钢支撑,第四、五道为伺服系统。ZCL-8、ZCL-9的轴力时程变化曲线图见图5,图中包含支撑架设的位置以及土层分布情况。

图5 标准段处各点支撑轴力变化与地连墙水平位移变化关系图Fig.5 Relationship between the change of support axial force at each point of standard section and the change of horizontal displacement of diaphragm wall

图6(a)中端头处各层轴力总体趋势呈现波动上升趋势,第二道与第四道钢支撑初始应力较低,与图6(b)对应的工况3、工况5的开挖使得墙体变化速率增大,导致墙体变形较大。虽然基坑端头处变形较小,为了保证车站基坑的稳定性,后期端头处也要注重支撑轴力的监测并及时进行轴力的补加。

选取测斜点ZQT6为研究对象,由图7可以看出工况1到工况3变形呈现小幅度增长,到了工况4、5形成小范围突变。现假设工况4、5不架设伺服系统,而是与工况1、2、3架设相同钢支撑的情况下,将工况1到工况3进行数据拟合形成一个二次函数,见图7,可以得出在未架设伺服系统情况下工况4、5变形情况,最终变形达到80.69 mm。由图8可以看出在施加伺服系统之前的变形量占总变形的82%,而施加伺服系统后变形控制在18%左右,有效地抑制墙体水平位移。

图7 增加伺服系统各工况数据对比分析Fig.7 Comparison and analysis of data under various working conditions of added servo system

图8 施加自动伺服系统前后变形量比重Fig.8 Specific gravity of deformation before and after applying automatic servo system

2.3 地表沉降变化规律分析

2.3.1 地表沉降实测分析

为了更好地分析基坑开挖时地表沉降的变化,图9选取端头处DBC1-3、DBC2-3、BDC11-3、BDC12-3、DBC22-3以及标准段处DBC6-3、BDC8-3、DBC16-3、DBC18-3测点断面进行分析,横坐标为基坑开挖的起始日期至最后一个流水段架撑完成的日期,纵坐标为坑外地表累计沉降量。由图9可得:地表沉降具有很强的时空效应,随着基坑开挖深度的增加整体呈增加趋势,最大沉降量约为60～80 mm,标准段处沉降曲线的下降趋势与端头处相比更剧烈。其原因是端头处受空间效应机制的影响,在坑角附近处,受土拱效应影响导致土压力的减小,进而导致围护结构及邻近土体沉降变形较小,标准段中部受长边效应影响导致沉降变形较大,此变化规律与地连墙水平位移变化规律呈正相关。

图9 地表沉降随时间变化曲线Fig.9 Time varying curve of surface subsidence

由图10可得,DBC8与DBC16分别是基坑南北两侧对称的地表沉降断面,在同一时间测得的监测点DBC8-1—DBC8-5、DBC16-1—DBC16-5地表沉降时程变化曲线图。由图11可知:在基坑开挖初期地表沉降并不大,最大值约为8 mm,距离地连墙4 m,此时沉降状态呈三角形模式。随着基坑的开挖,逐渐由三角形模式最终转化为凹槽型模式,地表沉降监测点DBC8、DBC16最大沉降约50、80 mm且都距墙体14 m处,基坑开挖对两侧影响范围为(0.12～1.22)H。

图10 DBC8-DBC16基坑沉降断面图(单位:mm)Fig.10 Section of DBC8-DBC16 foundation pit settlement

图11 DBC8-DBC16地表沉降变化对比Fig.11 Comparison of surface settlement change of DBC8-DBC16

随着开挖的进行,土体沉降不断增加,地表沉降-距离曲线呈凹槽型变化,最大值点距离基坑边缘为14 mm。其中DBC16监测断面地表沉降最大值约80 mm,DBC8监测断面的地表沉降最大值为50 mm左右,随着基坑开挖,土体扰动程度的不同,监测断面沉降最大值在开挖过程有所变动,但最终最大值均距离基坑大约14 m。基坑南侧的沉降大于基坑北侧是由于南侧处于车载路上,挖土机等大型机械设备的长期堆载,导致南侧的沉降大于北侧,因此排水沟应避开该地段设置。

2.3.2 地表沉降与开挖深度的关系

由图12可知,本基坑工程地表最大沉降介于0.01%H～0.5%H范围之间,地表沉降最大值与基坑开挖深度呈线性增长,与其他地区所总结的沉降-开挖深度的规律相符。本文所研究的地铁车站基坑工程的开挖深度对坑外最大沉降值的影响(除徐中华等[12]统计上海软土地区外)明显大于乔亚飞等[13]统计无锡、张尚根[14]统计南京、葛明[15]统计天津等地。

图12 坑外最大地表沉降与开挖深度关系图Fig.12 Relationship between maximum surface settlement outside the pit and excavation depth

2.3.3 地表沉降范围规律分析

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图13中横坐标d/H是沉降监测点到地连墙的距离与开挖深度的比值,现对横、纵坐标进行无量纲处理。Peck[3]等人将土体分为三区,由图可知本基坑的沉降统计值大多都在Peck所划分的I范围内,只有个别点在Ⅱ区域内,绍兴地区对应的地质条件为区域I的地质条件,说明地连墙围护结构对基坑变形抑制效果明显,使得基坑坑外沉降较小。对于Hashash所提出的沉降曲线能够较为准确地预测上海地区基坑地表沉降曲线,但该曲线预测绍兴地区的地表沉降时,在(0～1.5)H范围处预测较低,在(1.5～3.5)H范围处预测较高。墙后地表最大沉降值为0.5%H,基坑沉降范围延伸至墙后约1.2H处,绍兴地区某地铁车站开挖引起的地表沉降范围主要影响区为(0～1.2)H。

图13 墙后地表沉降范围曲线图Fig.13 Curve of surface settlement range behind the wall

2.3.4 地连墙水平位移与地表沉降的关系

图14是通过无量纲化最大地表沉降与围护结构最大水平位移的关系图,δvm在0.2δhm和2.3δhm范围之间,平均值为1.25δhm。由图可知:最大地表沉降与最大水平位移的比值普遍大于1,表明坑外最大地表沉降普遍大于围护结构最大水平位移;说明基坑开挖对周边环境的影响较大,在今后绍兴地区基坑开挖中要更加注重周边环境的保护,减小基坑开挖的环境效应。

图14 地连墙最大水平位移与墙后最大地表沉降之间的关系Fig.14 Relationship between the maximum horizontal displacement of diaphragm wall and the maximum ground settlement behind the wall

3 结论

本文主要介绍了绍兴某地铁车站基坑开挖过程引起基坑开挖的监测实施情况。根据监测分析总结了绍兴地区基坑工程围护结构的水平位移、支撑轴力以及坑外地表沉降的变形规律,得出基坑开挖的时空效应、轴力变化规律以及周边效应影响等,主要结论如下:

1)根据车站基坑实测数据分析得出墙体水平位移以及地表沉降各个阶段的变形模式以及变形范围。

2)在今后建议绍兴地区软土地层基坑变形控制中,在施工成本允许的情况下,使用伺服系统。

3)落实好“一撑一挖、挖前补压”的方案,是控制基坑变形的关键。建议基坑底部加固深度增加至底板下5 m,增加被动抗力,防止出现“踢脚型”破坏。