沿江地鐵車(chē)站圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)分析

寧茂權(quán) 賀湘靈 王 濤 關(guān)振長(zhǎng)

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430064；2.海峽(福建)交通工程設(shè)計(jì)有限公司 福建福州 350004；3.中鐵四局集團(tuán)有限公司城市軌道交通工程分公司 安徽合肥 230002；4.福州大學(xué)土木工程學(xué)院 福建福州 350116)

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)程不斷加快，各大城市正大力發(fā)展城市軌道交通體系。城市環(huán)境下開(kāi)挖地鐵車(chē)站基坑，其周邊環(huán)境復(fù)雜，施工擾動(dòng)大，尤其在不利地質(zhì)條件下若設(shè)計(jì)或施工不當(dāng)，極易造成工程事故。因此，施工過(guò)程中對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形、周邊建筑物變形、地下管線(xiàn)沉降等展開(kāi)及時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，對(duì)保障基坑施工安全具有十分重要的意義[1-2]。

許多學(xué)者采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的手段，對(duì)地鐵車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征開(kāi)展了細(xì)致研究。張明聚[3]對(duì)北京地鐵某車(chē)站明挖基坑展開(kāi)跟蹤監(jiān)測(cè)，分析了其圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與開(kāi)挖空間幾何尺寸、圍護(hù)結(jié)構(gòu)無(wú)支撐暴露時(shí)間等施工參數(shù)之間的相關(guān)性。楊有海[4]通過(guò)對(duì)杭州地鐵秋濤路車(chē)站基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，探討了圍護(hù)樁最大水平位移的位置與開(kāi)挖深度、圍護(hù)樁長(zhǎng)之間的定量關(guān)系。徐中華[5]分析了上海外灘596地塊超深基坑及其鄰近地鐵隧道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，探討了不同基坑支護(hù)設(shè)計(jì)、施工措施對(duì)鄰近地鐵隧道的影響。李哲[6]以廣東佛山地鐵大良站基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析了軟土地層條件下基坑圍護(hù)連續(xù)墻水平位移隨開(kāi)挖、回填等工況的變化規(guī)律。鐘俊輝[7]利用歸一化方法統(tǒng)計(jì)了福州地區(qū)多個(gè)地鐵車(chē)站基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得到基坑深度、軟土厚度等不同因素與墻體之間變形的定性或定量關(guān)系。李少波[8]對(duì)廈門(mén)地區(qū)多個(gè)地鐵車(chē)站基坑的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，認(rèn)為濱海花崗巖殘積土復(fù)合地層中，地鐵車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形模式多為拋物線(xiàn)型。

隨著城市軌道交通建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，諸多城市正在規(guī)劃或修建沿江地鐵線(xiàn)路。沿江設(shè)置的地鐵車(chē)站，其基坑兩側(cè)地形或地層壓力不對(duì)稱(chēng)，偏壓效應(yīng)將對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力與變形產(chǎn)生不利影響，甚至造成失穩(wěn)等安全事故。本文結(jié)合福州地鐵5號(hào)線(xiàn)農(nóng)林大學(xué)站基坑施工過(guò)程中的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)探討地形偏壓條件下地鐵車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

2 工程概況

福州市軌道交通5號(hào)線(xiàn)一期工程1標(biāo)段起于荊溪新城站，終于福州南站，共設(shè)20座車(chē)站，19個(gè)區(qū)間，全線(xiàn)均采用地下線(xiàn)敷設(shè)。其中農(nóng)林大學(xué)站位于倉(cāng)山區(qū)上下店路道路下方，呈南北走向，其中心線(xiàn)沿上下店路跨農(nóng)林大學(xué)校門(mén)口設(shè)置。車(chē)站基坑長(zhǎng)170 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬24.1 m，端頭井寬28 m，車(chē)站西側(cè)為福建農(nóng)林大學(xué)及福建工業(yè)學(xué)校，東側(cè)緊鄰閩江，其岸坡距基坑圍護(hù)墻僅有11～25 m(見(jiàn)圖1)。

圖1 農(nóng)林大學(xué)站基坑俯視圖

(1)工程地質(zhì)條件

農(nóng)林大學(xué)站場(chǎng)地屬剝蝕殘丘地貌單元與海陸交互相沖淤積平原地貌單元的交界地帶，整體地勢(shì)有所起伏，場(chǎng)地類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。主要地層為雜填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、含砂粉質(zhì)黏土、殘積砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化正長(zhǎng)斑巖。各巖土層的主要物理及力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 各巖土層的主要物理力學(xué)參數(shù)

地下水按埋藏條件包含上層滯水和承壓水，潛水主要賦存于上部填土層及粉質(zhì)黏土層中；深層承壓水主要分布于深部含砂黏性土層中。實(shí)測(cè)該地區(qū)的初見(jiàn)穩(wěn)定水位埋深為1.90～3.10 m。

(2)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)林大學(xué)站基坑標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖深度23.4 m，端頭井最大開(kāi)挖深度25.2 m，車(chē)站主體結(jié)構(gòu)采用半蓋挖順作法施工。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+五道水平支撐形式，其標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示(標(biāo)高為羅零高程)。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面(標(biāo)高單位：m；尺寸單位：mm)

(3)基坑開(kāi)挖流程

農(nóng)林大學(xué)站基坑采用分段(8段)、分層(6層)開(kāi)挖，其分層情況見(jiàn)圖2，分段見(jiàn)圖3。首先施作地下連續(xù)墻、中立柱與立柱樁，并進(jìn)行坑底水泥土攪拌樁加固；然后開(kāi)挖兩側(cè)端頭井區(qū)域；最后開(kāi)挖中間標(biāo)準(zhǔn)段區(qū)域。基坑開(kāi)挖的施工時(shí)間見(jiàn)表2。

圖3 農(nóng)林大學(xué)站基坑分段示意(單位：m)

表2 農(nóng)林大學(xué)站基坑開(kāi)挖時(shí)間

3 基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)布置

基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)以下項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)控量測(cè):(1)圍護(hù)墻頂水平位移與沉降；(2)圍護(hù)墻深層水平位移；(3)支撐軸力；(4)周邊地表沉降；(5)坑外地下水位；(6)地下管線(xiàn)沉降；(7)周邊建筑物沉降。與常規(guī)深基坑不同，農(nóng)林大學(xué)站東側(cè)緊臨閩江，車(chē)站兩側(cè)地層壓力差異較大，因此本文著重對(duì)圍護(hù)墻深層水平位移和支撐軸力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展開(kāi)細(xì)致分析，探討地形偏壓條件下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。

圍護(hù)墻深層水平位移與支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖4所示。沿基坑長(zhǎng)度方向，選取其中部DK15+932斷面為研究對(duì)象，該斷面上布設(shè)有測(cè)斜孔QCX06(沿江側(cè))和測(cè)斜孔QCX16(靠山側(cè))，另布設(shè)有5道支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)(從上到下依次為T(mén)ZL5_1～TZL5_5)。

圖4 圍護(hù)墻深層水平位移與支撐軸力測(cè)點(diǎn)布置

4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征與分析

(1)圍護(hù)墻深部水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

車(chē)站中部典型斷面(DK15+932)的開(kāi)挖工況如表3所示，該斷面兩側(cè)圍護(hù)墻深層水平位移曲線(xiàn)如圖5所示。為使兩側(cè)變形曲線(xiàn)的坐標(biāo)保持一致，規(guī)定朝向閩江側(cè)發(fā)生水平位移為正向。

表3 開(kāi)挖工況

靠山側(cè)圍護(hù)墻變形曲線(xiàn)沿深度呈中間大、兩端小的弓形分布。其最大水平位移(及發(fā)生位置)隨開(kāi)挖步不斷增大(及加深)，開(kāi)挖至坑底時(shí)達(dá)到最大位移值29.5 mm(發(fā)生在13 m深度處)。沿江側(cè)圍護(hù)墻變形曲線(xiàn)沿深度亦呈中間大、兩端小的弓形分布，但其最大水平位移僅為-17.2 mm(發(fā)生在14 m深度處)，明顯小于靠山側(cè)。尤其需要說(shuō)明的是，受兩側(cè)不對(duì)稱(chēng)地形的影響，沿江側(cè)圍護(hù)墻淺部不發(fā)生朝向坑內(nèi)的水平位移，甚至發(fā)生了朝向坑外(閩江側(cè))的輕微水平位移。這種由于地形不對(duì)稱(chēng)引起的偏壓效應(yīng)，使得兩側(cè)圍護(hù)墻產(chǎn)生了明顯的不對(duì)稱(chēng)變形，這對(duì)地鐵車(chē)站基坑施工及后續(xù)車(chē)站運(yùn)營(yíng)構(gòu)成潛在威脅。

圖5 圍護(hù)墻深層水平位移曲線(xiàn)

(2)圍護(hù)墻整體偏移變形

對(duì)上述典型斷面兩側(cè)圍護(hù)墻體深層水平位移數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理，將兩側(cè)深層水平位移相加，得到基坑圍護(hù)墻的整體偏移曲線(xiàn)，見(jiàn)圖6。

由圖6可知，基坑圍護(hù)墻整體向閩江側(cè)發(fā)生了偏移，尤其是圍護(hù)墻淺部更為顯著；開(kāi)挖至坑底時(shí)，其最大整體偏移量達(dá)到28 mm(發(fā)生在6 m深度處)。整體偏移變形結(jié)果表明，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)可能存在朝向閩江側(cè)發(fā)生傾覆的趨勢(shì)，因此修建沿江地鐵車(chē)站時(shí)，可適當(dāng)增大圍護(hù)墻的嵌固深度，以應(yīng)對(duì)兩側(cè)地形不對(duì)稱(chēng)引起的偏壓效應(yīng)。

(3)圍護(hù)墻整體收斂變形與支撐軸力

將該典型斷面兩側(cè)的深層水平位移相減，得到基坑圍護(hù)墻整體收斂曲線(xiàn)，見(jiàn)圖7。

圖6 圍護(hù)墻整體偏移變形

圖7 圍護(hù)墻整體收斂變形

由圖7可知，圍護(hù)墻的整體收斂變形呈中間大、兩端小的弓形分布；開(kāi)挖至坑底時(shí)，其最大整體收斂量達(dá)到45 mm(發(fā)生在13 m深度處)。由此可見(jiàn)將第三道支撐設(shè)計(jì)為剛度較大的混凝土支撐非常必要，能有效限制圍護(hù)墻中部的收斂變形，確保基坑工程施工安全。

(4)支撐軸力

典型斷面上5道支撐軸力的經(jīng)時(shí)變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖8。

施作第三道混凝土支撐后，其軸力迅速增大，開(kāi)挖至坑底時(shí)，其軸力達(dá)到7 400 kN，遠(yuǎn)大于其他四道支撐。這與圍護(hù)墻整體收斂變形的趨勢(shì)一致，也驗(yàn)證了基坑工程設(shè)計(jì)中第三道支撐選用大剛度混凝土支撐的合理性。

圖8 支撐軸力變化曲線(xiàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)福州市軌道交通5號(hào)線(xiàn)農(nóng)林大學(xué)站基坑圍護(hù)墻深層水平位移與支撐軸力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的深入分析，探討了沿江地鐵車(chē)站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特征，得到以下2個(gè)主要結(jié)論:

(1)由于基坑外兩側(cè)地形不對(duì)稱(chēng)引起的偏壓效應(yīng)，使得基坑兩側(cè)圍護(hù)墻產(chǎn)生了明顯的不對(duì)稱(chēng)變形。將兩側(cè)圍護(hù)墻深層水平位移相加，得到其整體偏移變形曲線(xiàn)；當(dāng)開(kāi)挖至坑底時(shí)，其整體最大偏移量可達(dá)28 mm(發(fā)生在圍護(hù)墻淺部約6 m深度處)。因此可適當(dāng)增大圍護(hù)墻的嵌固深度，以應(yīng)對(duì)兩側(cè)地形不對(duì)稱(chēng)引起的偏壓效應(yīng)。

(2)將兩側(cè)圍護(hù)墻深層水平位移相減，得到其整體收斂變形曲線(xiàn)；當(dāng)開(kāi)挖至坑底時(shí)，其最大整體收斂量達(dá)到45 mm(發(fā)生在圍護(hù)墻中部約13 m深度處)。因此在該深度處設(shè)置大剛度的第三道混凝土支撐十分必要。