南京地鐵雞鳴寺站地下連續(xù)墻深層水平位移特性研究

武文永，曹雪山

（河海大學土木與交通學院，江蘇南京210000）

隨著城市建設的高速發(fā)展，地下空間的開發(fā)和利用已經(jīng)成為現(xiàn)代化城市建設的重要內(nèi)容和發(fā)展方向。南京正在大力發(fā)展地鐵建設，雞鳴寺站周圍建筑密集，地質(zhì)情況復雜，周圍環(huán)境保護的要求較高，因此該站圍護結(jié)構(gòu)選用地下連續(xù)墻，為了確保基坑施工的安全和質(zhì)量，地下連續(xù)墻的變形控制便成為了關注的重點。Ou[1]分析臺北地區(qū)粉質(zhì)砂土和粉質(zhì)粘土交互地層區(qū)域8個實例，發(fā)現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向變形與基坑開挖深度（H）比值在0.2%～0.5%。徐中華［2］對上海軟土地區(qū)93個基坑工程監(jiān)測結(jié)果進行研究和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻的最大側(cè)移基本介于0.1%H和1.0%H之間，平均值約為0.42%H；地下連續(xù)墻最大側(cè)移位置大致位于開挖面附近，并分析了墻底以上軟土厚度、支撐系統(tǒng)剛度、插入比、坑底抗隆起穩(wěn)定系數(shù)、首道支撐位置等因素對地下連續(xù)墻變形的影響。喬亞飛［3］對無錫地區(qū)深基坑工程地下連續(xù)墻變形進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移介于0.05%H和0.25%H之間，平均值約為0.12%H；最大側(cè)移介于0.7H和1.1 H之間，均值約為0.9 H；并分析了開挖深度、圍護結(jié)構(gòu)插入比、首道支撐位置對地下連續(xù)墻變形的影響。李淑［4］對北京地區(qū)基坑工程地下連續(xù)墻變形進行了統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻最大側(cè)移介于0.04%H和0.218%H之間，平均值約為0.103%H。上述文獻中，不同地區(qū)地下連續(xù)墻最大側(cè)移變化幅度很大，那么雞鳴寺站設計中地下連續(xù)墻深層水平位移監(jiān)測報警值為32mm的取值是否合理，為了控制變形可以采取哪些措施都值得討論。因此，本文結(jié)合南京地鐵三號線雞鳴寺深基坑工程，通過數(shù)值模擬與基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)相結(jié)合研究該基坑工程地下連續(xù)墻的變形特點，為同類地層地區(qū)地下連續(xù)墻設計和施工提供參考。

1 工程概況

雞鳴寺站車站外包總長178.26m，標準段外包總寬22.3m，開挖深度26m，車站采用明挖順作、局部蓋挖順作法施工，車站主體圍護結(jié)構(gòu)采用1 000mm地下連續(xù)墻，平均樁長34.2m，進入中風化巖層≥1.5m。車站自上而下共采用五道支撐，第一、第四道支撐為1 000×1 000鋼筋混凝土支撐，第二、三、五道支撐為φ609×16鋼管支撐，五道支撐分別位于距樁頂0，7，13，17，22m處。基坑開挖深度范圍內(nèi)，主要為雜填土、粉砂夾粉土、粉土夾粉砂層。

2 地下連續(xù)墻變形實測數(shù)據(jù)分析

圖1是雞鳴寺地鐵車站深基坑工程接近基坑長邊中部位置的一個監(jiān)測點的不同開挖深度下的深層水平位移曲線，從圖1中可以看出:

1）深層水平位移曲線呈現(xiàn)為“兩頭小，中間大”的拋物線形位移，這與劉建航[5]的研究結(jié)果相一致。第一道混凝土支撐剛度大，墻頂幾乎沒有位移，隨著基坑的開挖，墻體腹部向坑內(nèi)移動，而墻底進入風化巖層，地下連續(xù)墻底部幾乎沒有位移。因此，地下連續(xù)墻的深層水平位移曲線呈現(xiàn)拋物線形。

2）最大側(cè)移位置位于開挖面附近且隨開挖深度不斷下移，但是開挖超過23m之后最大側(cè)移位置不再下降。基坑開挖過程中圍護墻在兩側(cè)壓力差的作用下產(chǎn)生水平向位移，在開挖面附近壓力差最大[6]，因此最大側(cè)移位置一般位于開挖面附近。

開挖23m時，地下連續(xù)墻最大側(cè)移為深度21.5m處的46.75mm，開挖至坑底26m時，地下連續(xù)墻最大側(cè)移為深度21.5m處的53.59mm。可見開挖超過23m后最大側(cè)移位置沒有下降。雞鳴寺站上部土層以粉土、粉土夾粉砂為主，而20m以下為性質(zhì)較好的粘土。在開挖粉砂土層時上部連續(xù)墻體就已經(jīng)產(chǎn)生較大變形，開挖至坑底時反而產(chǎn)生的變形較小。而且基坑第四道支撐采用混凝土支撐，剛度較大，而且剛性連接可以增加圍護體系的整體剛度，減小連續(xù)墻體的變形。因此，易變形土層的深度以及支撐形式的選擇都會影響連續(xù)墻體最大變形位置，在開挖易變形土層時注意對連續(xù)墻體變形的控制以及深層支撐適當選擇混凝土支撐，這對減少基坑整體變形有重要意義。

3）本工程設計中32mm的監(jiān)測報警值偏小。《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范GB50497-2009》中地下連續(xù)墻深層水平位移監(jiān)測報警值建議取值40～50mm，或0.4%H至0.5%H；南京處于軟土地區(qū)，根據(jù)Ou、徐中華研究結(jié)果地下連續(xù)墻最大側(cè)移均值約為0.3%H至0.42%H；本工程最終變形53.59mm，比報警值大67%。

4）基坑暴露時間越長，變形增長越快。開挖18～23m之間土層用了46天，開挖至23m變形明顯增加；第五道支撐架設完成后15天之內(nèi)開挖至坑底，所以開挖至26m變形趨于平緩。由此可見暴露時間對基坑變形有著重要的影響，這也符合時空效應原理[7]。

圖1 地下連續(xù)墻深層水平位移監(jiān)測值Fig.1 Monitored results for horizontal displacementof the diaphragm wall

3 連續(xù)墻變形數(shù)值模擬

3.1 有限元模型的建立

本文用巖土工程有限元分析軟件PLAXIS2D對基坑的開挖進行計算分析。

由于基坑幾何模型的對稱性，分析時只考慮其一半（左邊）。根據(jù)基坑的實際尺寸取土層邊界為寬71m，深50m。計算時采用15節(jié)點三角形平面單元模擬巖土體；土體材料模型采用HS模型[8]；用板單元模擬地下連續(xù)墻；采用界面單元模擬連續(xù)墻兩側(cè)與土作用面，通過給界面選取合適的界面強度折減因子考慮結(jié)構(gòu)與相鄰土體之間的粘聚力和內(nèi)摩擦角；用錨錠桿模擬橫向支撐；并對地下連續(xù)墻附近網(wǎng)格進行加密；模型的底部邊界施加完全固定約束，左側(cè)邊界施加水平向約束，右側(cè)邊界施加對稱邊界條件；計算過程中不考慮地下水位[9]。具體數(shù)值計算模型見圖2。

由上至下基坑土層分布及其基本計算參數(shù)如表3所示。

表3 雞鳴寺基坑土層計算參數(shù)Tab.3 Soil parametersof Jimingsipit

3.2 計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比分析

圖3為開挖至坑底時，計算模型的總應力圖，圖中表明深度10m左右墻體所受壓應力達到100 kN·m-2。圖4為開挖至坑底時地下連續(xù)墻深層水平位移計算值和監(jiān)測值沿深度變化曲線。開挖至坑底時地下連續(xù)墻最大側(cè)移計算值為50.44mm，位于墻頂以下24m；而監(jiān)測結(jié)果表明地下連續(xù)墻最大水平位移為53.59mm，位于墻頂以下21.5m。計算得到的地下連續(xù)墻水平位移最大值位置較實測值偏小，地下連續(xù)墻水平位移分布模式以及數(shù)值大小與實測結(jié)果比較符合。上述數(shù)據(jù)對比分析表明，此實例參數(shù)的選擇具有較高的可靠性。

圖2 雞鳴寺基坑PLAXIS2D計算模型Fig.2 PLAXIS2Dmodel for Jimingsipit

圖3 最終總應力圖（單位：kN·m-2）Fig.3 Final total stress

3.3 地下連續(xù)墻變形特性影響因素分析

3.3.1 第四道支撐形式對地下連續(xù)墻變形的影響

本工程第一、第四道支撐采用鋼筋混凝土支撐，其余為鋼支撐。為了研究第四道混凝土支撐對地下連續(xù)墻變形的影響，控制其他影響因素一致，假定第四道支撐采用鋼支撐，對基坑的變形進行計算，圖5為第四道支撐采用鋼支撐的計算值與第四道支撐為混凝土支撐的計算值與監(jiān)測值對比圖。從圖5中可以看出第四道支撐為鋼支撐時地下連續(xù)墻水平位移最大值為57.68mm，距樁頂24m。對比第四道支撐采用混凝土支撐形式的計算值，地下連續(xù)墻最大位移增大了14%，最大值位置沒有改變。可見采用混凝土支撐可以減小地下連續(xù)墻的變形。因此當基坑變形控制要求較高或者周圍環(huán)境保護要求較高時可以在地下連續(xù)墻位移較大區(qū)域采用鋼筋混凝土支撐，可以有效抵抗基坑變形。

圖4 數(shù)值計算結(jié)果和實測結(jié)果對比Fig.4 Comparison ofnumerical computing resultsand monitored ones

圖5 不同支撐形式下的深層水平位移Fig.5 Horizontal displacementwith differentsupport

3.3.2 豎向支撐間距對地下連續(xù)墻變形的影響

根據(jù)已有研究成果，深基坑工程支撐布設一般遵循“上疏下密”要求，而本工程第四道支撐與第五道支撐間距為5m，第五道支撐與坑底距離為4m。本工程在第四道支撐安裝之后變形明顯增加，這一現(xiàn)象除了與基坑暴露時間有關是否還和深層支撐豎向間距不夠密有關。本文分析了第五道支撐位于不同深度時開挖至坑底地下連續(xù)墻的水平位移情況；增加一道鋼支撐即前四道支撐位置及型式不變，第五道支撐位于20m處，第六道支撐位于23m處開挖至坑底地下連續(xù)墻的水平位移情況，結(jié)果如圖6。

計算結(jié)果表明，第五道支撐位置的變化對地下連續(xù)墻水平位移最大值，以及水平位移最大值的位置影響不大。而架設6道支撐后地下連續(xù)墻水平位移最大值為距樁頂24.5m處的43.18mm，比架設五道支撐減少了14.4%，可見架設六道支撐可以有效控制地下連續(xù)墻的變形。縮小支撐間距，可以減少基坑無支撐暴露時間，符合時空效應原理。綜上，加密深層支撐可以有效控制地下連續(xù)墻的變形，僅改變最后一道支撐的位置對地下連續(xù)墻的最終變形影響不大。

圖6 改變最后一道支撐位置深層水平位移情況Fig.6 Horizontal displacementwith the lastsupport in differentpositions

4 結(jié)語

由于基坑工程的高風險性，以及需要考慮環(huán)境效應，所以基坑工程在施工過程中需要密切注意基坑的變形情況，而地下連續(xù)墻水平位移可以反應基坑的安全與否以及判斷周邊環(huán)境狀態(tài)，在基坑監(jiān)測中是一項重要指標。本文先根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析南京河漫灘地質(zhì)條件下某基坑地下連續(xù)墻的變形特性。然后采用數(shù)值分析方法分析研究了影響地下連續(xù)墻水平位移的因素。主要結(jié)論如下：

1）監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示：本工程地下連續(xù)墻側(cè)移呈“兩頭小，中間大”拋物線型；側(cè)移最大值位置下降到21.5m后不再隨開挖深度的增加而下降；當基坑暴露時間過長基坑變形會顯著增加。

2）本工程設計中地下連續(xù)墻監(jiān)測報警值取32mm偏小。

3）采用HS模型以及合理選擇土體、地下連續(xù)墻、支撐參數(shù)建立的模型，計算所得到的地下連續(xù)墻水平位移與實測數(shù)據(jù)相吻合。

4）該工程第四道混凝土支撐可以有效控制地下連續(xù)墻的水平位移。

5）在深層增加一道支撐可以有效控制地下連續(xù)墻的水平位移，小幅度改變最后一道支撐位置對地下連續(xù)墻的最終變形影響不大。

[1] OUCY，HSIPH PG，CHIOUD C.Characteristicsofground surface settlementduring excavation[J].Canadian Geotechnical Journal，1993，30(5):758-767.

[2] 徐中華，王建華，王衛(wèi)東.上海地區(qū)深基坑工程地下連續(xù)墻的變形性狀[J].土木工程學報，2008，41(8):81-86.

[3] 喬亞飛，丁文其，王軍，等.無錫地區(qū)地鐵車站深基坑變形特性[J].巖土工程學報，2012，34(S)，761-766.

[4] 李淑，張頂立，房倩，等.北京地區(qū)深基坑墻體變形特性研究[J].巖石力學與工程學報，2012，31(11):2344-2353.

[5] 劉建航，侯學淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

[6] 靳雪梅.地下連續(xù)墻的理論計算與工程實測對比分析[D].太原:太原理工大學，2009.

[7] 李巖松，鄒吉聰.上海自然博物館基坑地下連續(xù)墻變形研究[J].華東交通大學學報，2012，29(2):51-56.

[8] 劉霽，賀晨.基于PLAXIS基坑圍護樁水平位移特性的分析[J].中南林業(yè)科技大學學報，2011，31(8):142-146.

[9] 劉小麗，馬悅，郭冠群，等.PLAXIS2D模擬計算基坑開挖工程的適用性分析[J].中國海洋大學學報，2012，42(4):19-25.