長期車輛荷載對深基坑支護結(jié)構(gòu)的變形影響

王文章 王懷彬 劉 濤 任泳霖

中建七局第四建筑有限公司 陜西 西安 710016

近年來，城市軌道交通工程的飛速發(fā)展，地鐵車站作為城市軌道交通網(wǎng)中的重要建筑，施工過程面臨的環(huán)境問題也愈發(fā)復雜。而地鐵車站建設通常位于城區(qū)的十字路口，隨著大城市汽車保有量逐年增多，車輛運行產(chǎn)生的荷載勢必對深基坑開挖造成影響。由于車輛荷載不同于地震荷載及爆破荷載的偶然性，而是長期、持續(xù)、不斷循環(huán)地施加荷載[1-3]，因此，研究長期車輛荷載對深基坑支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響對地鐵安全建設具有借鑒與指導意義。

深基坑開挖施工伴隨著周邊地層的變化，同時鄰近道路的車輛荷載更是進一步加劇了施工過程的風險，吳飛海[4]分析對比了不同荷載工況對基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)車輛動力荷載對地表沉降及基坑支護影響的差值不超過5%。唐麗云等[5]通過引入改進等效代換土層厚度法來研究車輛荷載對基坑支護結(jié)構(gòu)的影響，通過提升計算精度，得到了支護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。實際工程中，由車輛荷載引起的基坑失穩(wěn)事故屢見不鮮，徐長節(jié)等[6]采用數(shù)值模擬詳細分析了坑邊超載車輛產(chǎn)生的沖擊荷載對基坑既有圍護結(jié)構(gòu)的不利影響，并給出圍護結(jié)構(gòu)垮塌后的加固方案。丁森林等[7]使用Midas/GTS軟件對實際工程中產(chǎn)生的車輛荷載進行等效模擬，并與實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析對比，結(jié)果表明，車輛荷載距基坑邊緣越近，支護結(jié)構(gòu)所受到車輛荷載的影響越大。邱洪志等[8]通過現(xiàn)場試驗分析車輛荷載的振動特性，得到振動加速與持續(xù)時間之間的變化規(guī)律，得出加載車輛距樁間距與土壓力成反比。

綜上所述，目前關(guān)于車輛荷載對深基坑影響的研究，主要關(guān)注車輛荷載短期內(nèi)對深基坑支護結(jié)構(gòu)的影響，而針對長期車輛荷載對深基坑支護結(jié)構(gòu)變形影響的研究還較為少見。本文依托某明挖車站深基坑工程施工實踐，通過對深基坑開挖施工過程進行長期監(jiān)測，并對深基坑支護結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，研究長期車輛荷載對深基坑支護結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

1 現(xiàn)場監(jiān)測

1.1 工程概況

某明挖地鐵車站工程為地下3層雙柱三跨島式車站，主體結(jié)構(gòu)總長度為196.3 m，寬度22.7～27.3 m，車站底板埋深約25.2 m，頂板覆土約3.7 m，主體結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工。車站主體圍護結(jié)構(gòu)采用φ1 500 mm@2 000 m灌注樁＋φ800 mm鋼管內(nèi)支撐，車站主體為現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)設置全外包防水層。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)鉆探結(jié)果揭露，地表分布有厚薄不均的全新統(tǒng)人工填土，其下為上更新統(tǒng)風積新黃土及殘積古土壤，再下為中更新統(tǒng)風積老黃土及殘積古土壤。鉆探揭露場地內(nèi)地下潛水穩(wěn)定水位埋深介于43.40～48.00 m之間，故本站不考慮地下水位對本工程的影響。

1.3 周邊交通情況

車站北側(cè)緊鄰西安市城市主干道南三環(huán)路，道路寬30 m，道路紅線寬度70 m，雙向6車道，南北兩側(cè)各3車道，日常車流量較大，南側(cè)為某住宅小區(qū)項目，距基坑15.6 m，西側(cè)為某環(huán)形天橋項目。

1.4 設計概況

本工程基坑土方采用分層分段臺階法施工，隨挖隨撐，豎向總體分5層，每層再分小層且不大于2 m開挖，基坑標準段從上至下設置1道1 000 mm×1 000 mm混凝土支撐＋3道φ800 mm鋼支撐。

施工工況如下：

第1步：對地面原有綠化、通信、電力等進行遷改，并將場地進行平整。在基坑外側(cè)間隔2 m施作鉆孔灌注樁，最后施工臨時格構(gòu)柱，為深基坑開挖奠定基礎。

第2步：破除樁頭及去除樁頂多余浮漿，開挖基坑至第1道混凝土支撐頂高度，在地面掏槽開挖施作冠梁及擋土墻，并施作第1道混凝土支撐。

第3步：待第1道混凝土支撐強度達到設計要求后，方可進行深基坑開挖，并設置出土馬道，坡度為1∶7，隨基坑向下開挖依次架設2～4道鋼支撐，每小層控制開挖深度不超過2 m，以便樁間掛網(wǎng)噴射混凝土支護，直至開挖至基底預留30 cm，采用人工清底。

2 監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 監(jiān)測內(nèi)容及測點布置

基坑北側(cè)為城市主干道南三環(huán)路，常年車流量較大，車輛長期、持續(xù)、循環(huán)地產(chǎn)生荷載，依據(jù)車輛移動荷載計算理論，需監(jiān)測車輛荷載對車站基坑支護結(jié)構(gòu)的影響。

深基坑開挖共設置1道混凝土支撐＋3道鋼支撐，在深基坑南北側(cè)墻設置墻體水平位移監(jiān)測點（圖1），以監(jiān)測在長期車輛荷載與深基坑開挖共同作用下對支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

圖1 監(jiān)測平面布置

2.2 圍護結(jié)構(gòu)側(cè)墻水平位移監(jiān)測分析

從開挖至各道支撐后，南北側(cè)墻的水平位移如圖2～圖5所示。

圖2 開挖至第1道支撐后南北側(cè)墻水平位移

圖3 開挖至第2道支撐后南北側(cè)墻水平位移

圖4 開挖至第3道支撐后南北側(cè)墻水平位移

圖5 開挖至第4道支撐后南北側(cè)墻水平位移

從圖2～圖5可以看出：

深基坑開挖至第1道支撐后，北側(cè)墻體的水平位移最大值為8.8 mm，南側(cè)墻體位移最大值為6.5 mm，位移最大差值為2.3 mm。

開挖至第2道支撐后，北側(cè)墻體的水平位移最大值為20.7 mm，南側(cè)墻體位移最大值為16.1 mm，位移最大差值為4.6 mm。

開挖至第3道支撐后，北側(cè)墻體的水平位移最大值為31.4 mm，南側(cè)墻體位移最大值為25.2 mm，位移最大差值為6.2 mm。

開挖至第4道支撐后，北側(cè)墻體的水平位移最大值為42.7 mm，南側(cè)墻體位移最大值為37.2 mm，位移最大差值為5.5 mm。

對比分析發(fā)現(xiàn)，南北側(cè)墻隨著深基坑開挖工況的推進，墻體水平位移量呈現(xiàn)先增加后逐漸穩(wěn)定的趨勢，且靠近南三環(huán)道路的北側(cè)墻體產(chǎn)生的位移大于南側(cè)墻體產(chǎn)生的位移量。

從開挖至各道支撐后，南北側(cè)墻的水平位移累計變化量如圖6～圖9所示，南北側(cè)墻累計位移差值如圖10所示。

從圖6～圖10可以看出：

圖6 第1道支撐處側(cè)墻水平位移累計變化量

圖7 第2道支撐處側(cè)墻水平位移累計變化量

圖8 第3道支撐處側(cè)墻水平位移累計變化量

圖9 第4道支撐處側(cè)墻水平位移累計變化量

圖10 南北側(cè)墻累計位移差值

第1道支撐處，北側(cè)墻水平位移累計變化量最大值為8.5 mm，南側(cè)墻水平位移累計變化量最大值為6.5 mm，累計位移差值2.0 mm。

第2道支撐處，北側(cè)墻水平位移累計變化量最大值為20.8 mm，南側(cè)墻水平位移累計變化量最大值為16.9 mm，累計位移差值3.9 mm。

第3道支撐處，北側(cè)墻水平位移累計變化量最大值為31.4 mm，南側(cè)墻水平位移累計變化量最大值為24.9 mm，累計位移差值6.5 mm。

第4道支撐處，北側(cè)墻水平位移累計變化量最大值為42.7 mm，南側(cè)墻水平位移累計變化量最大值為37.8 mm，累計位移差值4.9 mm。

對比分析發(fā)現(xiàn)，在長期車輛荷載及深基坑開挖共同作用下，側(cè)墻水平位移累計變化量隨著開挖時間的增加不斷增大，并逐漸趨于穩(wěn)定，且南北兩側(cè)差值呈現(xiàn)先增大、后降低的趨勢，這與深基坑開挖引起的支護結(jié)構(gòu)變化結(jié)果較為吻合，結(jié)果表明基坑開挖時風險處于可控狀態(tài)。

3 結(jié)語

本文以某明挖車站實際工程為依托，通過對鄰近道路的深基坑開挖過程進行監(jiān)測分析，結(jié)果表明：

1）隨著深基坑開挖時間的推移，深基坑支護結(jié)構(gòu)位移量大小呈現(xiàn)先增加、后趨于穩(wěn)定的趨勢，且靠近南三環(huán)道路的北側(cè)墻體在開挖過程中產(chǎn)生的位移量及累計變形量均大于南側(cè)墻體，這是由于南三環(huán)道路車輛荷載的存在，導致北側(cè)墻體在長期車輛荷載作用下，產(chǎn)生了兩側(cè)墻體位移的差異。

2）北側(cè)墻體與南側(cè)墻體累計變形量差值呈現(xiàn)先增大、后降低的趨勢，這是由于基坑底板澆筑完成后，相當于在基坑底部形成1道支撐，對深基坑支護結(jié)構(gòu)起到較強的約束作用。

3）由于地鐵車站深基坑所處周邊環(huán)境較為復雜，在深基坑開挖施工的過程中，應進一步加強監(jiān)測，同時對鄰近道路的支護體系進行加固，從而保證深基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)變形始終處于穩(wěn)定狀態(tài)。