顧及空間效應(yīng)的地鐵基坑墻頂水平位移檢測方法研究

趙辰晟，朱楊帆，李成超

(杭州市勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 330009)

1 引 言

地鐵建設(shè)在城市的下方，在城市經(jīng)濟(jì)繁榮地段，地表有很多大型的建筑物，施工過程中對地表建筑物的影響一直是地鐵建設(shè)中重要的研究課題[1～3]。因此，研究地鐵變形基坑墻頂水平位移檢測方法，對地鐵的安全施工和正常運(yùn)行具有重要的意義。

仇唐國等人[4]提出了一種基于OFDR技術(shù)的基坑墻頂水平位移檢測方法，用來提前預(yù)測地鐵變形帶來的影響，有效預(yù)防事故發(fā)生。曹一龍等人[5]為了研究地鐵變形基坑墻頂?shù)乃轿灰频囊?guī)律，以蘇州市地鐵5號線為例，對其地鐵基坑的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，通過多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，當(dāng)?shù)罔F地下道建設(shè)過程中，達(dá)到挖至坑底階段，基坑墻頂會發(fā)生急劇的水平位移，會沿著基坑的頂部向坑外位移，此時將第一道的基坑采用鋼筋混凝土支撐，再采用800×30的鋼進(jìn)行支撐防止基坑墻頂?shù)乃轿灰疲凑栈铀轿灰频臅r間推算出地鐵變形基坑墻頂水平位移的規(guī)律，根據(jù)推算出的規(guī)律，考慮空間效應(yīng)變更施工速度，有效控制地鐵基坑的變形。該研究的設(shè)計(jì)過程嚴(yán)謹(jǐn)，理論分析思路清晰，但忽略了對墻頂抗力和抗剪剛度約束的分析，導(dǎo)致地鐵基坑變形控制不夠全面。

為此，基于以上已有的研究成果，本文提出了顧及空間效應(yīng)的地鐵基坑墻頂水平位移檢測方法，給出了方法流程，以期進(jìn)一步提高地鐵變形基坑墻頂水平位移檢測能力。

2 地鐵基坑墻頂水平位移檢測方法

2.1 地鐵基坑墻頂水平位移計(jì)算

為了計(jì)算出地鐵基坑墻頂?shù)乃轿灰疲紫刃枰醪脚袛嗟罔F基坑墻頂是否已經(jīng)發(fā)生水平位移。通常情況下造成地鐵基坑墻頂水平位移主要因素是梁的制動力[9]和溫度的影響，基于此理論背景[4，5]，設(shè)置地鐵基坑墻頂?shù)膭偠燃s束需滿足的約束條件，利用該約束條件判斷地鐵基坑墻頂是否發(fā)生水平位移，進(jìn)而設(shè)計(jì)水平位移計(jì)算步驟。

假設(shè)地鐵基坑主梁固定不動，假設(shè)初始位置值為△，然后由垂直力N對地鐵基坑墻頂施加作用力，將墻體的彈性抗力看作影響地鐵基坑墻頂位移的主要影響要素[10]，得到抗剪剛度的約束為δ，不過地鐵基坑墻頂?shù)膭偠燃s束δ應(yīng)該滿足下面兩個條件：

(1)

式中，地鐵基坑墻頂支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度總和為∑t，支護(hù)結(jié)構(gòu)與地鐵表面支撐物的摩擦系數(shù)為μ，地鐵基坑墻頂水平位移的正切角為tg[γ]，地鐵基坑墻頂在受到溫度變化的影響下[6]，墻頂發(fā)生的水平位移距離為HZ+W，基坑墻頂?shù)目辜糇饔昧閗z。

若沒有滿足公式(1)，說明地鐵基坑墻頂已經(jīng)發(fā)生水平位移，相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭受到破壞，這在實(shí)際的地鐵建設(shè)過程中是不允許的[7]，此時應(yīng)該及時調(diào)整地鐵基坑墻頂支護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度和支撐荷載能力[8，9]。

根據(jù)上述條件，設(shè)計(jì)地鐵基坑墻頂水平位移計(jì)算步驟，如下：

Step1：計(jì)算基坑墻頂?shù)闹ёo(hù)結(jié)構(gòu)作用力F，即溫度產(chǎn)生的基坑墻頂作用力的梁的作用力之和；

Step2：利用水平位移的約束條件[10]，計(jì)算出基坑墻頂支護(hù)結(jié)構(gòu)作用力F與懸臂支撐力N共同荷載作用下的地鐵變形基坑墻頂水平位移△max；

Step3：在不考慮梁的制動力的情況下[16]，根據(jù)上一步的計(jì)算原理，計(jì)算出△c，則得到△f=△max-△c；

Step4：計(jì)算地鐵基坑墻頂?shù)膶?shí)際變形系數(shù)[11]δ：

(2)

式中，基坑墻頂支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度為kd，地鐵基坑的墻頂支柱的剛度為kz，△f為基坑墻頂實(shí)際的水平位移，△c為地鐵基坑墻頂?shù)某跏嘉恢茫鱩ax為地鐵基坑墻頂?shù)乃轿灰谱畲笾怠?/p>

Step5：地鐵基坑墻頂?shù)淖罱K水平位移為：

△=△c+δ

(3)

2.2 地鐵基坑墻頂水平位移檢測

地鐵基坑墻頂水平位移檢測，首先利用全站儀[12]對地鐵基坑墻頂?shù)乃轿灰七M(jìn)行測量，然后將鏡頭直接安裝在基坑墻頂?shù)牧褐虚g[13]，以減少測量過程中的誤差[14～16]。根據(jù)空間效應(yīng)原理，準(zhǔn)確地確定后視點(diǎn)的位置，各個檢測點(diǎn)的偏向角都應(yīng)該控制在40°以內(nèi)，在進(jìn)行地鐵變形基坑墻頂后視點(diǎn)的位置確定過程中，通過全站儀對所有的后視點(diǎn)進(jìn)行位置采集，再根據(jù)對地鐵變形基坑墻頂?shù)募s束條件，確定檢測點(diǎn)的準(zhǔn)確位置與角度，以此計(jì)算出基坑墻頂各個基坑位置的變形量。

如圖1所示，將地鐵變形基坑檢測點(diǎn)A固定在基坑墻頂?shù)闹行奈恢茫谑┕がF(xiàn)場為了準(zhǔn)確測量基坑墻頂?shù)乃轿灰疲瑢y量儀器安裝在A點(diǎn)上，并在檢測點(diǎn)P的位置安裝棱鏡，再將后視點(diǎn)B作為此次地鐵變形基坑墻頂水平位移測量的核心控制點(diǎn)[17，18]，將AB進(jìn)行連線處理，測出地鐵基坑墻頂水平位移的兩次測量結(jié)果，就可以根據(jù)上述的兩次測量結(jié)果計(jì)算出水平位移的偏離值，即：

圖1 地鐵基坑墻頂水平位移檢測示意圖

(4)

式中，地鐵基坑墻頂水平位移的距離為Lp，αp為測量儀器與后視點(diǎn)之間的夾角，Sp為檢測點(diǎn)距離水平位移點(diǎn)的距離，ρ為角度常數(shù)。

考慮空間效應(yīng)，根據(jù)地鐵變形基坑墻頂水平位移測量的過程，設(shè)計(jì)了地鐵變形基坑墻頂水平位移檢測流程，如圖2所示。

圖2 地鐵基坑墻頂水平位移檢測流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

以某一地鐵車站作為研究對象，該車站寬度為 38.3 m，比一般的地鐵車站寬，對于地鐵變形基坑的維護(hù)結(jié)構(gòu)而言，以 20 m寬為間距，在地鐵基坑的周邊設(shè)置墻頂水平位移檢測孔，短邊端頭井的檢測點(diǎn)設(shè)置在中部，從北端頭井開挖，在分隔墻的位置處增加一個檢測孔，一共設(shè)置7個檢測孔，在南側(cè)標(biāo)準(zhǔn)路段設(shè)置14個檢測孔，而在地鐵基坑的對應(yīng)位置也都設(shè)置水平位移檢測點(diǎn)。地鐵隧道開挖區(qū)間內(nèi)，按照 25 m的間距布置測斜孔，一共布置13個圍護(hù)結(jié)構(gòu)測斜孔。

采用全站儀對地鐵基坑水平位移檢測點(diǎn)的平面坐標(biāo)進(jìn)行直接觀測，根據(jù)每一期地鐵基坑觀測點(diǎn)的二維平面坐標(biāo)值，計(jì)算出與地鐵基坑垂直方向的矢量位移，從而計(jì)算出每一個階段地鐵基坑的變形量和累積變形量。

采用測斜儀測量地鐵基坑墻頂?shù)纳顚铀轿灰啤Ｔ诘罔F基坑的施工過程中，測斜管的直徑選擇 7 cm，將其與樁身長度相同的部分埋在鋼筋籠中。在測斜管的內(nèi)部管壁處，存在兩組垂直的縱向?qū)Р郏瑢Φ罔F基坑墻頂水平位移檢測方向起著控制作用。測斜管在埋設(shè)時，要保證其中一組導(dǎo)槽始終與外殼垂直，而另一組導(dǎo)槽與外殼平行。在實(shí)驗(yàn)測試過程中，測斜探頭會一直沿著導(dǎo)槽緩慢下沉，直到孔底。當(dāng)溫度恒定一段時間之后，從上到下每隔 0.5 m或 1 m測量一次地鐵基坑墻頂水平位移，與此同時，采用光學(xué)儀器將管頂位移的測量值作為控制值。

地鐵基坑采用分段開挖的方式進(jìn)行，由于地鐵基坑墻頂水平位移的檢測周期長，根據(jù)地鐵基坑施工的實(shí)際情況，選擇首段檢測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從地鐵變形基坑墻頂水平位移、地表沉降兩個方面，整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。地鐵變形基坑施工過程中，在不同的施工階段，對變形基坑的影響也是不同的，需要根據(jù)實(shí)際的施工情況，將地鐵變形基坑劃分為6種工況。

3.1 基坑墻頂水平位移檢測結(jié)果分析

選擇其中一個檢測點(diǎn)的地鐵基坑墻頂水平位移檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到地鐵基坑墻頂水平位移變化圖，如圖3所示。

圖3 地鐵基坑墻頂水平位移變化圖

從圖3的結(jié)果可以看出，在地鐵變形基坑的開挖施工過程中，地鐵變形基坑內(nèi)原來存在的土壓力出現(xiàn)了卸荷的情況，從而導(dǎo)致地鐵變形基坑內(nèi)部與外部之間出現(xiàn)壓力差，壓力差的形成會促使地鐵變形基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平朝向基坑內(nèi)側(cè)移動。在地鐵變形基坑的開挖初期，墻頂土體中可以釋放出更加均勻的應(yīng)力，降低了土體內(nèi)外的壓力差，從而縮小了地鐵變形基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。伴隨著地鐵變形基坑的開挖深度越來越深，墻頂土體的壓力差越來越大，從而也增大了地鐵變形基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，而水平位移的最大位置處也越來越深。地鐵變形基坑墻頂水平位移的變化曲線逐漸呈現(xiàn)出“弓”形。

在6種施工工況下，由于地鐵變形基坑的墻頂存在支撐的限制作用，墻底存在土體的嵌固作用，地鐵變形基坑墻頂出現(xiàn)的水平位移量適中比較小，在地鐵變形基坑墻頂處，水平位移量在 2 mm～5 mm之間，當(dāng)?shù)罔F變形基坑施工到第6種工況時，測斜管在 16 m、13 m、15 m和 16 m深度下的最大水平位移量為 25.5 mm，得到的數(shù)值小于 30 mm的報警值，說明本文設(shè)計(jì)的地鐵基坑墻頂水平位移檢測方法是可靠的，可以確保地鐵基坑始終處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)中。

3.2 基坑的地表沉降檢測結(jié)果分析

在地鐵基坑的開挖過程中，墻頂?shù)耐翆訒l(fā)生一定移動，導(dǎo)致地鐵基坑的周圍環(huán)境出現(xiàn)變化，嚴(yán)重影響了周圍的建筑物和地下管線。對地鐵基坑的地表沉降進(jìn)行檢測對地鐵變形基坑和周圍環(huán)境的安全十分有利，因此本文選擇一組地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在每一組數(shù)據(jù)中設(shè)置5個檢測點(diǎn)，得到地鐵基坑的地表沉降的變化曲線，如圖4所示。

圖4 地鐵基坑的地表沉降的變化曲線

從圖4的結(jié)果可以看出，由于地鐵變形基坑的開挖，周圍土體的應(yīng)力發(fā)生了變化，導(dǎo)致地表變形，出現(xiàn)這種情況的原因之一是開挖初期的地表沉降比較小，隨著地鐵變形基坑深度的增加，地表沉降也越來越大；其二是隨著地鐵變形基坑邊緣的距離越來越大，地表沉降也越來越大。

地鐵變形基坑邊緣位置處沒有出現(xiàn)地表沉降量的最大值，而是在距離地鐵變形基坑 10 m的位置處，實(shí)驗(yàn)得到的所有沉降量最大值都比報警值 30 mm小，符合地鐵基坑地表沉降的檢測要求。

4 結(jié) 語

本文提出了考慮空間效應(yīng)的地鐵變形基坑墻頂水平位移檢測方法，分析了地鐵基坑在6種不同工況下的水平位移影響規(guī)律，結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的水平位移檢測方法符合地鐵變形基坑墻頂水平位移和地表沉降的檢測要求。但是本文的研究仍然存在很多不足的地方，在今后的研究中，要充分考慮地鐵周圍建筑物和地下管線對基坑變形的影響，保證模擬結(jié)果的精準(zhǔn)性，進(jìn)一步提高地鐵變形基坑墻頂水平位移檢測精度。