某鄰地鐵不對(duì)稱開挖基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方法分析

龔叢強(qiáng)

（中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100098）

0 引 言

隨著地下空間開發(fā)利用規(guī)模越來(lái)越大，繁華市區(qū)出現(xiàn)大量的復(fù)雜基坑工程，由于基坑周圍環(huán)境復(fù)雜，存在土層分布差異較大的不良地質(zhì)條件，因此形成了許多不對(duì)稱基坑，這些基坑比普通基坑設(shè)計(jì)復(fù)雜，應(yīng)采取更多方法互相驗(yàn)證和補(bǔ)充，以保證基坑本身的安全，控制基坑開挖引起支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍建（構(gòu)）筑物變形滿足現(xiàn)行監(jiān)測(cè)規(guī)范要求，確保鄰近建（構(gòu)）筑物安全和正常使用［1-2］。本文以某鄰地鐵不對(duì)稱基坑實(shí)際工程為例，充分考慮基坑周圍環(huán)境和地質(zhì)條件復(fù)雜的特點(diǎn)，采用不同方法對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，得到使用規(guī)范法與整體分析方法相結(jié)合進(jìn)行不對(duì)稱基坑設(shè)計(jì)的有益經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目的支護(hù)形式及施工方法得當(dāng)，既為現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)提供依據(jù)和指導(dǎo)，又可為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程規(guī)模及周邊環(huán)境條件

某鄰地鐵項(xiàng)目基坑開挖面積約40 300 m2，支護(hù)周長(zhǎng)約870 m，基坑開挖深度8.1～17.1 m。

基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，東鄰城市主干道及地鐵車站與區(qū)間，東側(cè)鄰近兩個(gè)地鐵出入口，東北側(cè)出入口距離基坑邊為11.7 m，東南側(cè)出入口距離基坑邊為20.4 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)距離地鐵隧道最近處約9.8 m，東側(cè)還分布大量市政管線，是本基坑工程重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象；南側(cè)為在建市政道路，該側(cè)將鋪設(shè)雨水管、污水管、電力線、通信電纜等市政管線；西側(cè)場(chǎng)地起伏較大，基坑開挖前已進(jìn)行場(chǎng)地整平，以使現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)高平緩變化；北側(cè)為空地。

1.2 地質(zhì)條件及地下室布置

場(chǎng)地地形起伏較大，整體呈北高南低之勢(shì)，地面高程為38.50～54.50 m，南北高差約16 m。地貌單元為階地，局部發(fā)育有坳溝亞地貌。場(chǎng)地西側(cè)有8.0～14.5 m 厚土質(zhì)較差的填土；東側(cè)鄰近地鐵土質(zhì)較好，基巖埋深較淺，東西側(cè)土質(zhì)條件差別較大。

將基坑由北向南分成 A、B、C 三區(qū)，如圖 1 所示。地下室板面呈臺(tái)階型變化，A 區(qū)地下室板面標(biāo)高比B、C區(qū)高5.80 m。

圖1 基坑平面布置Fig.1 Layout plan of foundation pit

2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目土層分布及基坑支護(hù)參數(shù)如表1所示。

基坑的不對(duì)稱性有如下特點(diǎn):

（1）基坑西側(cè)填土較厚，土質(zhì)較差，東側(cè)巖層埋深較淺，土質(zhì)較好，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)上土壓力的不對(duì)稱；

（2）根據(jù)地下室布置情況，基坑一側(cè)挖深較深，另一側(cè)挖深較淺，造成開挖方式的不對(duì)稱。

表1 場(chǎng)地地層分布及基坑支護(hù)參數(shù)Tab 1 Site stratum distribution and foundation pit supporting parameters

基坑各種不對(duì)稱性導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)上內(nèi)力及變形的不對(duì)稱，造成單側(cè)分析設(shè)計(jì)方法無(wú)法預(yù)估結(jié)構(gòu)整體向一側(cè)移動(dòng)。

姜燕、楊光華等［7-8］將支撐內(nèi)力及位移在不對(duì)稱支護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)重新分配，從而修正支撐剛度，通過(guò)不斷迭代得到可以應(yīng)用的支撐力結(jié)果。

高辛財(cái)、李鐵生［9］認(rèn)為根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)受力及剛度變化，通過(guò)簡(jiǎn)化荷載-結(jié)構(gòu)模型按增量法或全量法可得到支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，還需通過(guò)有限元分析法分析基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。

徐志兵［10］將支護(hù)樁與支撐簡(jiǎn)化為框架結(jié)構(gòu)，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件形成整體剛度矩陣［K］，根據(jù)總體節(jié)點(diǎn)力｛F｝與總體節(jié)點(diǎn)位移｛d｝的關(guān)系，列出矩陣方程｛F｝=［K］｛d｝，求解出內(nèi)力值。

以上方法均是通過(guò)整體條件對(duì)剛度進(jìn)行分配調(diào)整，進(jìn)而求解出整體結(jié)構(gòu)內(nèi)力。本項(xiàng)目方法一采用規(guī)范法計(jì)算單側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，方法二將兩側(cè)不對(duì)稱受力支護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐簡(jiǎn)化為整體框架結(jié)構(gòu)，分析兩側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)相互影響導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力，使結(jié)構(gòu)分析更接近實(shí)際受力情況。綜合兩種計(jì)算分析結(jié)果，最終確定基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本項(xiàng)目根據(jù)環(huán)境、土質(zhì)等條件，確定基坑采用灌注樁加混凝土支撐支護(hù)形式，選取B 區(qū)支撐體系的東側(cè)及對(duì)應(yīng)西側(cè)為分析對(duì)象，說(shuō)明本基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)思路，其支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見圖2，基坑?xùn)|側(cè)和西側(cè)均挖深15.5 m。東側(cè)支護(hù)樁樁徑1 000 mm，樁間距1 300 mm，樁長(zhǎng)約21 m；西側(cè)支護(hù)樁樁徑1 300 mm，樁間距1 500 mm，樁長(zhǎng)約27 m；基坑內(nèi)設(shè)置兩層混凝土支撐，第一層支撐位于地面下3.5 m，第二層位于地面下8.5 m。

圖2 B區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面（單位:mm）Fig.2 Section of support structure in Block B

采用有限元數(shù)值分析方法取單位寬度的框架體系為研究對(duì)象，對(duì)框架進(jìn)行分析計(jì)算。土層分布及參數(shù)如表1所示，根據(jù)《基坑工程手冊(cè)》［4］及吳水根［5］、鄭軍［6］等相關(guān)工程有限元分析經(jīng)驗(yàn)，土體采用M-C 本構(gòu)模型，其參數(shù)由彈性部分和塑性部分組成，主要有彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角；圍護(hù)樁及內(nèi)支撐按剛度等效原則近似為板單元，采用線彈性材料模型。

根據(jù)姜燕、楊光華等［7-8］，徐志兵［10］分析結(jié)果:土壓力較大一側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形較規(guī)范法計(jì)算結(jié)果大，支撐力??；土壓力較小一側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形較規(guī)范法計(jì)算結(jié)果小，支撐力大。加大樁徑，提高樁身剛度能一定程度減少支護(hù)結(jié)構(gòu)變形，但地鐵管理部門對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形要求嚴(yán)格，故設(shè)定支護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大值為15 mm。按照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》計(jì)算出單側(cè)結(jié)果后，將西側(cè)土質(zhì)較差區(qū)段樁徑增大，采用支護(hù)樁樁徑1 300 mm，中心間距1 500 mm，樁長(zhǎng)27.1 m。東側(cè)采用支護(hù)樁樁徑1 300 mm，中心間距1 500 mm，樁長(zhǎng)21.0 m，計(jì)算結(jié)果見表2。采用有限元單側(cè)及整體分析方法，計(jì)算模型如圖3 所示，單側(cè)分析法將東側(cè)和西側(cè)單獨(dú)建模計(jì)算，分別得到東側(cè)和西側(cè)受力結(jié)果；整體分析法將東側(cè)和西側(cè)進(jìn)行整體建模計(jì)算，土層漸變，東西側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)通過(guò)支撐體系相連，通過(guò)整體計(jì)算同時(shí)得到東西側(cè)受力結(jié)果，計(jì)算結(jié)果見表3 和表4。按有限元單側(cè)法和整體法計(jì)算結(jié)果可知，東側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)雖然變形減小，但支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力增大，將規(guī)范法內(nèi)力增大同等比例進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖3 有限元計(jì)算模型Fig.3 Finite element calculation model

表2 規(guī)范法計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation results of standard method

表3 有限元單側(cè)分析法計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results of finite element analysis method of one side

表4 有限元整體分析法計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results of finite element analysis method of entirety

3 基坑監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)結(jié)果

由于場(chǎng)地環(huán)境復(fù)雜和各種計(jì)算模型的局限，僅依靠理論分析和經(jīng)驗(yàn)估計(jì)很難準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍土體在施工過(guò)程中的變化規(guī)律［1］。為了保證工程安全，驗(yàn)證本項(xiàng)目設(shè)計(jì)，并指導(dǎo)信息化施工，依據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》［2］和《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》［3］布置監(jiān)測(cè)內(nèi)容，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂水平位移、樁體深層水平位移、樁體內(nèi)力、支撐軸力、周邊道路及管線沉降、建筑物沉降等，通過(guò)多層次的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目綜合分析基坑各區(qū)段支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性和對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)作用，監(jiān)測(cè)周期從基坑土方開挖到地下室側(cè)壁回填完成的全過(guò)程，具體監(jiān)測(cè)內(nèi)容、方法及精度見表5。

表5 基坑監(jiān)測(cè)內(nèi)容Table 5 Monitoring content of foundation pit

B 區(qū)監(jiān)測(cè)于4 月25 日布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)并開始初測(cè)，至次年2月1日完成監(jiān)測(cè)?；油练接晌飨驏|分層開挖，開挖結(jié)束后墊層及底板施工，基坑監(jiān)測(cè)周期根據(jù)基坑變形與基坑施工進(jìn)程作相應(yīng)調(diào)整。監(jiān)測(cè)過(guò)程與施工過(guò)程同步，歷經(jīng)第一層土方開挖及第一層支撐施工、第二層土方開挖及第二層支撐施工、第三層土方開挖及墊層和底板施工、第二層支撐拆除、第二層支撐拆除、基坑側(cè)壁回填等階段。

3.1 樁頂水平位移變化

圖4 為東側(cè)、西側(cè)測(cè)點(diǎn)D12、D45 樁頂水平位移累積量隨時(shí)間的變化曲線，從曲線可以明顯的看出，開挖初期位移較小，隨著上部土方開挖位移逐漸增大。在基坑土方開挖到底（8 月份）和第一層支撐拆除階段（12 月份）位移均變化較大，其余施工階段變化比較平穩(wěn)。D12監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于基坑?xùn)|側(cè)，樁頂水平位移最大值為7.2 mm。D45 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于基坑西側(cè)，樁頂水平位移最大值為24.2 mm，該側(cè)變形小于計(jì)算結(jié)果，是因?yàn)樵搨?cè)作為施工道路不宜出現(xiàn)較大變形，使地面開裂、雨水下滲，故坑外采用間隔雙排樁進(jìn)行加強(qiáng)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明加強(qiáng)措施得當(dāng)，保證了施工的順利進(jìn)行。東西側(cè)水平位移累計(jì)最大值均在設(shè)計(jì)要求允許值的80%以內(nèi)。

圖4 樁頂水平位移隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Horizontal displacement curve of pile top with time

3.2 樁體深層水平位移變化

將測(cè)斜管布設(shè)于樁體內(nèi)，可以反映樁體及周邊土體深層水平位移變化。圖5 為東西兩側(cè)CX9、CX29 深層位移監(jiān)測(cè)結(jié)果最大值沿樁深度變化規(guī)律曲線。由圖5 可知，東側(cè)CX9 點(diǎn)最大深層位移為11.5 mm，最大點(diǎn)在第二層支撐位置附近；西側(cè)CX29 最大深層位移為39.8 mm，最大點(diǎn)在地面下10 m 左右，位于第二層支撐以下，考慮到外排樁的加固作用，樁身變形應(yīng)小于設(shè)計(jì)計(jì)算變形，樁體深層水平位移值監(jiān)測(cè)結(jié)果均小于報(bào)警值，說(shuō)明支護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，可以有效控制基坑周邊土體的變形。

圖5 深層水平位移隨深度變化曲線Fig.5 Change curve of deep horizontal displacement with depth

3.3 樁體內(nèi)力

由于施工過(guò)程中樁身內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)損壞較多，樁身內(nèi)力監(jiān)測(cè)結(jié)果較少，僅能從個(gè)別數(shù)據(jù)中反映樁身內(nèi)力變化的趨勢(shì)。由圖6 可知，由于支撐的設(shè)置，基坑面以上樁體受負(fù)彎矩較大，正彎矩在基坑下部及基坑面以下較大，正彎矩要遠(yuǎn)小于負(fù)彎矩，樁體受力以負(fù)彎矩為主。此兩點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果均小于報(bào)警值。

3.4 支撐軸力變化

圖6 樁體彎矩沿深度變化包絡(luò)圖（迎土一側(cè)受拉為正）Fig.6 Envelope of pile bending moment along depth

基坑外側(cè)的側(cè)向水土壓力由支護(hù)樁及支撐體系承擔(dān)，采用鋼筋應(yīng)力計(jì)對(duì)混凝土支撐進(jìn)行軸力監(jiān)測(cè)。軸力計(jì)算把支撐監(jiān)測(cè)截面內(nèi)的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力平均后與支撐截面乘積，僅反映所監(jiān)測(cè)截面的平均應(yīng)力［4］。圖7 表示支撐結(jié)構(gòu)體系受力隨時(shí)間變化情況。初期，隨著土方開挖，支撐軸力逐漸增大；后期隨著工況、施工作業(yè)及氣溫的變化情況，支撐軸力出現(xiàn)波動(dòng)，但支撐軸力整體趨勢(shì)隨基坑開挖逐漸增大。8 月份基坑開挖到底，在此期間支撐軸力達(dá)到最大值，第二層支撐力略大于第一層；由于7 月、8 月份氣溫較高，使各層支撐監(jiān)測(cè)值均大于計(jì)算值，但各監(jiān)測(cè)值均未超過(guò)報(bào)警值；9 月份基礎(chǔ)底板施工完成后，支撐軸力略有下降；10 月份第二層支撐拆除后，第一層支撐軸力增大，后期趨于平緩。

圖7 支撐軸力隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Curves of supporting axial force versus time

3.5 周邊道路沉降變化

為更好保護(hù)地鐵結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)，在基坑?xùn)|側(cè)垂直基坑邊線方向，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置了兩個(gè)道路沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，再加上樁頂豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)就形成了一個(gè)完整的地面沉降監(jiān)測(cè)斷面，其中樁頂位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)D12 和道路沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)R12、R13 在一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上。圖8 為地面沉降與基坑距離變化的曲線，由曲線可知，地面沉降最大值為7.1 mm，說(shuō)明基坑開挖對(duì)東側(cè)地面的影響較小，有效保護(hù)了地鐵結(jié)構(gòu)安全。

圖8 基坑?xùn)|側(cè)道路沉降變化曲線Fig.8 Settlement curve of Road on the east side of foundation pit

3.6 周邊建筑物沉降變化

基坑?xùn)|側(cè)為地鐵車站和區(qū)間，在地鐵出入口設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，圖9 表示北側(cè)地鐵出入口H1 點(diǎn)沉降值隨時(shí)間變化的曲線。由圖8 可以看出，在3～4 月份首層土方開挖及第一層支撐施工階段變化較快，這是由于第一層支撐在圈梁以下，支撐施工期間，開挖面以上為懸臂結(jié)構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大，其余階段變形比較平緩，12 月份第一層支撐拆除之后，出入口沉降值不再變化。整個(gè)地下結(jié)構(gòu)施工階段，地鐵出入口沉降值最大為4.6 mm，最大沉降量均未超過(guò)報(bào)警值。

圖9 地鐵構(gòu)筑物沉降累計(jì)值隨時(shí)間變化曲線Fig.9 Variation curves of cumulative value of subway structure with time

4 結(jié) 論

通過(guò)分析某地鐵不對(duì)稱基坑實(shí)際工程，采用不同的設(shè)計(jì)方法和檢測(cè)不同支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形規(guī)律，得出以下結(jié)論:

（1）在基坑兩側(cè)不對(duì)稱受荷條件下，采用規(guī)范法與整體分析方法相結(jié)合進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理有效的。

（2）由單側(cè)分析與整體分析結(jié)果對(duì)比表明，在不對(duì)稱受荷條件下，整體分析法土壓力較小一側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形小于單側(cè)法計(jì)算結(jié)果，土壓力較大一側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形大于單側(cè)法計(jì)算結(jié)果；由整體分析法及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，不對(duì)稱受荷條件下，兩側(cè)支撐軸力相近。

（3）各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，本項(xiàng)目采取的支護(hù)形式對(duì)東側(cè)地鐵車站及區(qū)間的保護(hù)是得當(dāng)?shù)摹?/p>