考慮施工荷載作用的軟弱地層深基坑穩定性研究

夏國松

(中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司 湖北武漢 430074)

1 引言

隨著我國城鎮化水平不斷提高，為滿足人民日趨增長的出行需求，城市地鐵建設總量急增。然而，地鐵基坑施工極大限制了地面交通及施工作業[1]。在此背景下，半蓋挖法兼具明挖法與蓋挖法的優點又克服了兩者缺點，在工程中得到了廣泛應用[2－4]。

基坑上臨時蓋板的敷設有效解決了明挖法不利于交通導流的缺點，滿足了施工期的行車及機械運輸要求。然而，無論是施工車輛通行或是大型施工機械的運輸均會使得臨近基坑路面以及臨時蓋板承受一定的行車荷載，在這些施工荷載作用下，深基坑的穩定性將面臨重大挑戰。尤其是對于淤泥地層中的深基坑工程，其所處地質環境較為復雜，坑底淤泥層深厚，地層自穩能力差，強度低，極易受施工因素干擾而產生過量的擾動引發嚴重的坍塌事故[5－7]。顯然，在此地層條件下，臨時蓋板結構系統穩定性對基坑的安全起著重要作用。

針對臨時蓋板結構系統穩定性問題，眾多學者做了許多研究工作。胡漢德[8]依托上海軌道交通真南路站基坑工程，對考慮臨時蓋板下端無支撐立柱樁工況進行了細致分析與驗算。張茜珍等[9]詳細介紹了蓋板結構的穩定性計算過程，并對工程施工效果進行了系統分析。劉守花等[10]依托長沙地鐵砂子塘站基坑工程，分析了蓋板結構系統的受力及變形情況。方燾等[11]綜合考慮蓋板剛度、地連墻變形、支撐軸力及立柱承載力等多種因素，系統研究了臨時蓋板結構系統在限值荷載作用下的變形及受力特征?，F有研究多集中于施工過程中臨時蓋板結構系統本身的穩定性，而較少涉及臨時蓋板承受行車荷載這一行為對基坑穩定性影響的探究。

鑒于此，依托福州長樂機場城際鐵路祥謙站－首占站明挖區間深基坑工程，分別考慮限值施工荷載作用于兩種厚度臨時蓋板，利用數值分析方法，模擬施工期間基坑臨時混凝土蓋板承受施工行車荷載的工況，系統分析了限值施工荷載作用下臨時混凝土蓋板、基坑支護結構穩定性及坑周地層變形規律。研究成果可為工程實踐中相應的措施設計提供依據。

2 工程概況

祥謙站－首占站為福州至長樂機場城際鐵路工程重要區間段，沿線范圍內地層屬第四系全新統長樂組(Q4)、上更新統龍海組(Q3)及晚侏羅系南園組(J3n)?；舆x用SMW工法樁(蓋板段為鉆孔灌注樁)＋內支撐的圍護結構形式，見圖1)。以工程明挖區間深基坑工程左線臨時蓋板段(ZDK26＋855.200～ZDK26＋893.200)為研究對象，對限值施工荷載作用于臨時蓋板時基坑穩定性展開系統研究。

圖1 祥謙站－首占站明挖區間深基坑(單位:mm)

3 數值模型及參數選取

利用數值分析方法建立目標段深基坑等比例三維數值模型，基坑截面尺寸按照圖1所示尺寸建立(寬度為6.95 m，開挖深度為3.90 m)。為避免尺寸效應對數值計算結果造成影響，參考文獻[12－13]的建議，基坑長度設置為40 m，即5倍于蓋板長度；模型側向邊界設置于基坑圍護結構外4倍以上開挖深度外，考慮建模的簡易性但又不失模擬計算的準確性，參考文獻[14－15]的簡化思路，對數值模型進行適當簡化:所有材料均考慮為均質材料；不考慮地下水的影響；數值模型中將實際的鉆孔灌注樁及雙軸攪拌樁等效為地連墻。具體處理方法如下[16]:

式中:E1、E2、E3分別為鉆孔灌注樁、雙軸旋噴樁以及地連墻的彈性模量；I1、I2為相應結構慣性矩；d為樁基直徑；a為咬合寬度；b為地連墻寬度。

結構單元物性參數及土層參數依據設計總說明中的地層信息及區間結構材料信息設置，具體如表1、表2所示。

表1 結構單元物性參數

表2 各巖土層主要物理力學參數

分別考慮兩種臨時混凝土蓋板受荷工況進行數值模擬，具體如下:

(1)工況一:G3臨時蓋板(500 mm厚混凝土蓋板，作為普通車輛與渣土車輛通道)，施加30 kPa板面荷載。

(2)工況二:G4臨時蓋板(800 mm厚混凝土蓋板，作為吊車及TBM運輸通道)，施加50 kPa板面荷載。

4 模擬結果分析

4.1 臨時蓋板變形分析

圖2為施工荷載作用下臨時蓋板豎向位移曲線。由圖2可知，在板面均布限值荷載作用下，臨時蓋板的豎向變形從地連墻邊緣向中軸線方向逐漸遞增。結合變形曲線可知，在30 kPa工況下，G3臨時蓋板最大豎向變形為15.81 mm；在50 kPa工況下，G4臨時蓋板的最大豎向變形為11.32 mm。由此可見，具有更大厚度的G4臨時蓋板在限值施工荷載作用下具有更強的抗變形能力。

圖2 施工荷載作用下臨時蓋板豎向變形曲線

4.2 坑周土體變形分析

當限值荷載作用于臨時蓋板時，基坑坑底均會出現一定的隆起，由于圍護結構對土體變形存在一定約束作用，坑底隆起量呈現出由基坑長邊中心線向兩側逐漸減小的趨勢。30 kPa工況下坑底最大隆起值約為2.90 mm，50 kPa工況下坑底最大隆起值約為2.32 mm。在30 kPa工況下，坑周土體位移及地連墻(鉆孔灌注樁及雙軸攪拌樁)沉降均處于較小水平；在50 kPa工況下，坑周地表土體沉降以臨時蓋板為中心呈橢球狀向四周逐漸遞減。圖3為施工荷載作用于臨時蓋板時坑周地表沉降曲線。由圖3可知，當限值荷載作用于臨時蓋板時，基坑側邊地表沉降隨著垂直于基坑距離的增大，在10 m范圍內以較大的衰減速率逐漸減小，而后逐漸趨于平緩。最大值出現在基坑邊緣，在30 kPa工況下基坑側邊地表沉降總體較小，基坑側邊地表沉降最大值僅約為0.14 mm，在50 kPa工況下，基坑側邊地表沉降最大值約為1.70 mm。

圖3 限值施工荷載作用于臨時蓋板坑周地表沉降曲線

4.3 圍護結構水平位移分析

圖4為施工荷載作用于臨時蓋板時圍護結構水平位移曲線。由圖4可知，當限值荷載作用于臨時蓋板時，圍護結構向坑內出現位移，50 kPa工況下的圍護結構頂部的水平位移略大于30 kPa工況，分別為0.24 mm與0.17 mm。圍護結構水平位移沿深度方向呈現出“C”型分布，加固土層以上圍護結構水平位移明顯小于加固土層以下。由此可見，臨時蓋板受荷會增大圍護結構頂部的水平位移，但支撐、冠梁及加固土層對圍護結構橫向變形具有較好的限制作用。

圖4 限值施工荷載作用于臨時蓋板圍護結構水平位移曲線

4.4 數值模擬結果與實測結果對比分析

現場監測結果顯示，在G3臨時蓋板使用期間，其附近圍護結構頂部累計最大沉降量約為1.6 mm，圍護結構頂部累計最大水平位移約為0.4 mm，坑側土體累計最大沉降量約為0.12 mm。上述結果表明，數值模擬結果與現場實測數據較為接近，證明了數值模擬結果具有較好的合理性與可靠性。

綜上可見，G3、G4臨時蓋板可安全地作為普通車輛與渣土車輛通道或是作為吊車及TBM運輸通道。當限值施工荷載作用于臨時蓋板時坑周土體位移保持在較小水平，支護系統整體處于穩定狀態，基坑較為安全。但考慮到數值模擬做了一定的簡化處理，實際工程情況往往更加復雜，影響因素較多。因此，仍建議在實際工程中實施以下兩項應對措施:

(1)在使用臨時蓋板時對整個運輸通道，尤其是臨近基坑路段進行路面硬化處理，必要情況下在基坑內增設有效的豎向支撐。

(2)施工期間，對基坑及周邊地層變形作定期監控。

5 結論

本研究依托福州長樂機場城際鐵路祥謙站－首占站明挖區間深基坑工程，利用數值分析方法，系統分析了限值施工荷載作用下臨時混凝土蓋板、基坑支護結構穩定性及坑周地層變形規律。主要取得如下結論:

(1)在板面均布限值荷載作用下，臨時蓋板的豎向變形從地連墻邊緣向中軸線方向逐漸遞增。具有更大厚度的臨時蓋板在限值施工荷載作用下具有更強的抗變形能力，500 mm與800 mm厚臨時蓋板在限值施工荷載作用下最大豎向變形分別為15.81 mm與11.32 mm。

(2)當限值荷載作用于臨時蓋板時，基坑坑底均會出現一定程度的隆起，亦會引起坑周土體的沉降。

(3)臨時蓋板受荷會增大圍護結構頂部的水平位移，但支撐、冠梁及加固土層對圍護結構橫向變形具有較好的限制作用。

(4)在限值荷載作用下臨時蓋板對基坑結構造成的變形均小于3 mm，臨時蓋板可安全地作為普通車輛與渣土車輛通道或是作為吊車及TBM運輸通道。