短時強降水對地鐵車站明挖施工引起的地表沉降與結構變形的影響

李煒明,任 虹,柳雨葉,石旭東,張燕舞

(1.武漢輕工大學 土木工程與建筑學院,湖北 武漢 430023；2.普渡大學,美國印第安納州 西拉法葉 47906;3.中鐵十九局集團有限公司,北京 100176)

短時強降水主要指暴雨及以上等級的降雨。根據2006年中國氣象局提出的江河流域降雨量等級劃分表,按24 h降雨量把降水劃分為暴雨(30～59.9 mm)、大暴雨(60～150 mm)、特大暴雨(≥150 mm)[1]。

地鐵車站往往設置在人流量大、交通復雜、建筑密度大的街區,由于施工引起的地表沉降及其對相鄰構筑物的影響受到關注[2-3]。對于明挖法車站深基坑工程,一旦遭遇短時強降水,施工風險必然增大。沈細中[4]對深基坑工程的飽和-非飽和滲流與應力耦合進行分析得出,非飽和土體含水率增大使得土體強度降低從而影響基坑的穩定性。張忠苗等[5]研究得到降水會導致土壓力增加,水位變化引起的粉土流失導致基坑開挖過程中的風險增大。彭立新[6]探討了降水入滲對基坑邊坡的影響,同時結合實測數據分析了降水對基坑邊坡土體變形的影響,并提出了必要的防護措施。邱海兵[7]以西安市某深基坑工程為例,分析了暴雨及連綿雨2種情況下基坑的穩定性,發現瞬時暴雨對基坑整體穩定性影響較小,而隨著連綿雨持續時間的增長,基坑邊坡整體穩定性降低的速率逐漸減緩。崔鳳展[8]運用FLAC 3D模擬分析強降水條件下基坑的穩定性及安全施工方法。鄒家南等[9]運用有限元與實測數據相結合的方法分析佛山市嶺南天地大型深基坑施工過程中隧道結構的變形,認為復合支護結構效果較好。胡建林等[10]采用三維有限元數值分析方法,模擬蘇州某地鐵深基坑開挖支護,研究得出各支撐分別布設于各開挖層頂部的施工方案更經濟。

短時強降水期間地鐵車站施工引起的地表沉降、結構變形與降水量之間存在復雜的非線性關系。已有研究方法難以準確描述施工過程中的地表沉降與結構位移,有必要基于監測數據進行分析。

1 工程概況

武漢地處長江中下游平原,短時強降水較為常見。2015年7月23日遭大暴雨襲擊,降水強度達50年一遇水平,是武漢市自1998年以來遭遇的最強降水,武漢首次啟動二級應急響應。本次降水總量大、時間集中,中心城區8.5 h最大降水量為197 mm,其中 1 h 最大降水量87.5 mm。最近5年,武漢地區每年遭遇短時強降水的頻率在1～3次。

武漢地鐵苗栗路車站基坑工程長度約293 m,寬度為10.20～24.74 m,基坑平面呈長條形,開挖深度為16.99～18.94 m。于2015年3月基坑開挖施工,施工期經歷了7月23日50年一遇特大暴雨,且在同月15日已經經歷了一次44.96 mm的降水。

該車站為地下2層單柱雙跨島式車站,采用矩形框架結構,如圖1所示。在7月23日劇烈降水來臨之前,基坑南端第2層鋼支撐及第3層混凝土支撐、小端頭底板正在施工；基坑北端第3層混凝土支撐及第4層、第5層鋼支撐正在施工,同時有區段在進行底板與中板施工,從兩端向中間開挖。此時,J1,J2,J9,J10,J11區段底板均已澆筑完成,而J8區段正在澆筑底板,其他區段土方正在開挖中。7月23日前還未完成土方開挖區段地表測點有DB9,DB10,DB11,DB12,DB13,DB14。

圖2 底板已澆筑區段7月23日前后地表測點累計沉降

2 短時強降水期間的地表沉降

因為特大暴雨為極端天氣情況,部分測點施工現場未能獲得當時沉降數據,如DB9,DB10組測點,在7月23日只有少數測點有數據。因此,在圖2中選取了底板已澆筑區段7月23日前后(即第129,131次監測)地表測點的累計沉降數據。因部分測點無監測數據故圖中未畫出。

由圖2可知：采用已有排水方案,大部分測點的累計沉降無顯著改變。

底板未完成澆筑區段7月23日前后地表測點累計沉降見圖3。因DB14-3,DB15-1無監測數據，故圖中未畫出。由圖3可知：即使施工現場采取了排水與其他措施,暴雨期間大部分測點仍存在較大沉降。24日沉降超過7.0 mm的有DB9,DB10,DB11,DB12,DB13,DB14 6組測點。24日測點DB13-3沉降達16.96 mm。

圖3 底板未完成澆筑區段7月23日前后地表測點累計沉降

3 短時強降水期間地下連續墻橫向變形

下文以測點CX01,CX12,CX20,CX22,CX31為例,分析2015年7月23日短時強降水對地下連續墻橫向變形的影響。其中：CX01，CX20分別位于主體結構底板和中板,在這2個測點基坑施工持續時間較長,CX12,CX22,CX31分別位于長邊靠近中部的位置,這3個測點處7月23日前已開挖完成,主體結構正在施工。取挖深范圍內的墻體為研究對象,將7月21—30日以2 d為1個時間段劃分為5個區段。圖4中縱坐標為不同深度處墻體平均橫向變形。

圖4 地下連續墻平均橫向變形

由圖4可知：在大暴雨期間墻體平均橫向變形較大的測點有CX20,CX22。主體結構(CX01,CX20)均已在大暴雨來臨前完成部分施工,但CX20的平均橫向變形比CX01大得多。這是因為CX01所在的J1區段已完成底板澆筑,且 CX01位于基坑端頭處,垂向的圍護結構有較強的約束作用,而CX20位于基坑長邊,為基坑約束較薄弱區。此外,雖然CX12與CX22位于同一橫截面上的基坑兩側,空間位置對稱,支撐架設情況類似,但CX12橫向變形明顯小于CX22。根據現場情況分析,主要原因可能是CX12處設置有攪拌樁,加大了此部分結構的剛度,從而減小了地下連續墻的橫向變形。CX31位于基坑變截面處,距離角點的旋噴樁有一定距離,因此整體上橫向變形為中等幅值。

為進一步觀察各測點變化情況,圖5中選取了2016年7月11—30日墻體各測點各觀測日每日最大橫向變形數據進行對比。因7月23日現場未能監測,因此取7月24日的橫向變形數據進行分析。若7月24日橫向變形顯著大于其他日期地下連續墻每日最大橫向變形的2倍,則認為此測點受短時強降水影響顯著。

圖5 地下連續墻7月11—30日每日最大橫向變形

由圖5(a)可見：CX01在7月24日的最大橫向變形為0.70 mm,比之后的最大橫向變形略大,但顯著小于前期。這是因為劇烈降水時CX01處已完成底板澆筑,且該點位于狹長基坑的端部,緊鄰地下連續墻,抵抗變形的能力較強。由圖5(b)、圖5(d)可知：7月24日CX12與CX31組測點最大橫向變形在1.0～1.5 mm。因有攪拌樁的加固CX12最大橫向變形顯著減小,CX31由于位于基坑非狹長區段的中部,且所在區段已完成底板澆筑，故這2個測點的橫向變形整體不大。由圖5(c)可知：在7月11—30日CX22組測點最大橫向變形變化量最大,7月24日最大橫向變形約4.40 mm,明顯大于其他組該日的最大值。這是因為CX22位于狹長基坑長邊中部,又無攪拌樁加固。

4 結論

本文基于武漢地區50年一遇的短時強降水,對武漢地鐵施工期苗栗路車站所受影響進行了分析,得出結論如下：

1)若采用常規排水方案,短時強降水對部分區段的地表沉降與地下連續墻橫向變形存在一定影響。該影響與車站基坑的形狀、相關區段底板的澆筑時間、基坑周邊輔助加固措施等因素有關。

2)降水期間地表日最大沉降與地下連續墻日最大橫向變形的變化量分別為16.96,4.40 mm,都位于基坑長邊中部,空間效應較為明顯。已完成底板澆筑區段的變形值整體上小于未完成澆筑區段,底板澆筑時間對地表沉降與地下連續墻橫向變形影響較為顯著。無攪拌樁時地下連續墻最大橫向變形變化量達到4.40 mm,外側有攪拌樁時地下連續墻抵抗橫向變形的能力顯著增強。

3)對于預估的沉降較大或對沉降敏感的區段,其底板應盡量在雨季到來前施工,應加強對無輔助加固措施區段、狹長基坑長邊中部的監測,從而減小施工過程中短時強降水帶來的風險。