非平衡荷載下城市軌道交通車站深基坑變形特性分析*

劉 濤 姜 磊 王 申 彭紅國 李 巖

(中鐵七局集團第三工程有限公司, 710032, 西安)

城市軌道交通基坑通常緊鄰既有建(構)筑物、公路、鐵路等設施,受到結構自重及上覆荷載的共同作用,在基坑兩側形成非平衡荷載。國內外對基坑工程的研究主要是針對對稱荷載條件下展開的,對于偏壓基坑還未形成一套完整的設計、計算與安全控制體系,且近年來由于偏壓導致的地下工程病害、事故多次見諸報端。因此,開展非平衡荷載下城市軌道交通車站深基坑變形特性分析具有一定的理論與現實意義。

文獻[1]認為基坑偏壓側圍護結構水平位移、坑底隆起、地面沉降均大于非偏壓側,且偏壓側地面沉降為非偏壓側的2倍;文獻[2]認為基坑偏壓側受力變形大于非偏壓側,當偏壓荷載達到一定數值后,基坑會整體向非偏壓側偏移;文獻[3]認為偏壓荷載會引起基坑水平位移增加;文獻[4]認為基坑偏壓側圍護結構水平位移為非偏壓側的3倍,偏壓側路基沉降為非偏壓側的2倍。

綜上,國內外學者對偏壓作用下基坑圍護結構變形、地面沉降及坑底隆起等特性進行了研究,但對于上軟下硬地層非平衡荷載作用下圍護結構變形特性,以及圍護結構變形同土體水平位移和地面沉降關系等的研究較少。本文以杭州某地鐵車站深基坑為研究對象,基于現場監測數據,研究了上軟下硬地層非平衡荷載作用下圍護結構變形、地面沉降及土體水平位移變化規律,探討了上軟下硬地層非平衡荷載作用下圍護結構變形同土體水平位移、地面沉降及開挖深度之間的關系,揭示了非平衡荷載作用下圍護結構的變形機理。

1 杭州某地鐵車站深基坑概況

1.1 工程概況

杭州某地鐵車站深基坑周邊環境較復雜,南側為海鵬駕校、杭州之江專修學院,以及修建里東路時挖除山體后的留設邊坡。邊坡坡長約178 m,坡腳距車站基坑邊線約3～12 m,坡頂距路面最大高差約32 m。這樣的地形不但使基坑存在較大偏壓,而且車站主體結構開挖后,將形成較高的臨空面。車站北側西段臨近上埠河和云秀水小區,北側東段為拆遷地,周邊環境與工程相互影響較大,對工程的安全施工和運營提出了挑戰。基坑平面布置如圖1所示。基坑支護設計剖面圖如圖2所示。

圖1 杭州某地鐵車站基坑平面布置圖

單位:m

1.2 工程地質條件

根據勘察報告,基坑開挖范圍內主要由填土、碎石夾黏性土、強風化泥巖、中風化上段泥巖和中風化鈣質泥巖等組成,分布較穩定。巖土層主要物理力學參數見表1。

表1 巖土層主要物理力學參數

1.3 水文地質條件

地下水類型主要是第四紀松散巖類孔隙水。根據地下水的含水介質、賦存條件、水理性質和水力特征,可劃分為孔隙潛水和基巖裂隙水。其中:孔隙潛水主要賦存于表層填土和碎石夾黏性土中,由大氣降水徑流補給,排泄主要通過蒸發形式,水位一般為1.65～4.80 m;基巖裂隙水水量受地形地貌、巖性、構造、風化影響較大,補給來源主要為上部第四系松散巖類孔隙潛水,其次為基巖風化層側向徑流,基巖裂隙較發育,有一定的賦水量,且徑流緩慢。

1.4 支護方案設計

基坑開挖深度為18.843 m。圍護結構采用鉆孔灌注樁+內支撐+吊腳樁的形式:鉆孔灌注樁直徑為1.0 m;靠山側圍護樁長度為13.370 m,遠離山側圍護樁長度為15.727 m。靠山側吊腳樁長度為9.233 m,遠離山側吊腳樁長度為6.916 m。支撐系統采用鋼筋混凝土支撐、預應力錨索和錨桿的形式,兩道混凝土支撐截面尺寸均為0.8 m×1.0 m,第1道支撐中心線位于地面下0.5 m,第2道支撐中心線位于地面下7.483 m。基坑支護設計方案見圖2。

2 深基坑監測結果與分析

2.1 圍護樁水平位移

選取靠山側與遠離山側圍護樁水平位移監測點Q2、Q3、Q4、Q9、Q10和Q11進行研究。基坑開挖至坑底后的圍護樁水平位移曲線見圖3。

a) 靠山側

b) 遠離山側

由圖3可見:

1) 圍護樁水平位移呈魚腹狀,即圍護樁中部向基坑內凸出,頂部和底部變形相對較小。由于靠山側地層主要為巖層,抵抗變形能力較好,故圍護樁水平位移較小。

2) 靠山側與遠離山側圍護樁水平位移規律一致,靠山側圍護樁最大水平位移位于距地面4 m(0.22He,He為開挖深度)埋深處;遠離山側圍護樁最大水平位移位于距地面7 m(0.38He)埋深處。究其原因為基坑中下部為巖層,抵抗變形能力較好,造成圍護結構產生最大水平位移的位置上移。

2.2 深層土體水平位移

選取靠山側與遠離山側部分深層土體水平位移監測點T2、T4、T6和T7進行研究。基坑開挖至坑底后的深層土體水平位移曲線見圖4。

a) 靠山側

b) 遠離山側

由圖4可見:深層土體水平位移大致呈魚腹狀;由于靠山側地層主要為巖層,抵抗變形能力強,故靠山側土體深層水平位移較小;遠離山側中間段土體側向變形較小,下段側向變形較大,究其原因為基坑下段錨桿為柔性支撐,相較于混凝土剛性支撐,其控制變形能力較差,故基坑下段土體側向位移出現突變。

2.3 圍護樁水平位移與深層土體水平位移的關系

為了解土體水平位移與圍護樁水平位移之間的關系,選取圍護樁水平位移監測點Q2和土體水平位移監測點T2進行研究。圍護樁水平位移和土體水平位移的關系見圖5。

圖5 圍護樁水平位移和深層土體水平位移關系曲線

由圖5可見:圍護樁水平位移x和土體水平位移y大致呈線性關系,整條曲線大致可用y=kx(k為經驗系數)來擬合,提出k=1.30。

對比實測數據,基坑開挖至坑底后圍護樁水平位移最大值δhm和土體水平位移最大值的關系,如圖6所示。

由圖6可見:δhm和土體水平位移最大值的監測值分布于擬合曲線附近,說明擬合曲線較好地反映了圍護樁水平位移與土體水平位移的關系,驗證了該擬合曲線的準確性。由此可見,實際工程在與本工程地質條件相近的情況下,通過圍護結構水平位移,可以預估基坑外土體水平位移。

圖6 δhm和深層土體水平位移最大值擬合曲線

2.4 圍護樁水平位移和地面沉降的關系

基坑工程中圍護樁水平位移與其周邊地面沉降受到眾多因素影響,基于監測數據總結兩者之間的關系。基坑δhm與地面沉降最大值δvm的關系曲線見圖7。

圖7 基坑δhm與δvm關系曲線

由圖7可知:δhm與δvm存在δvm=(0.9～3.0)δhm的關系。相較于文獻[5]研究得出的δvm=(0.5～1.0)δhm,以及文獻[6]研究得出的δvm=(0.2～0.6)δhm,本文分析得到的δvm與δhm的比值較大,導致此差異的主要原因為偏壓荷載引起的地面沉降增大。

2.5 δhm和He的關系

δhm與He的關系曲線見圖8。

圖8 δhm與He關系曲線

由圖8可知:δhm與He存在δhm=(0.009%～0.060%)He的關系。相較于文獻[7]研究得出的δhm=0.16%He及文獻[8]研究得出的δhm=0.20%He,本文分析得到的δhm與He的比值較小,導致此差異的主要原因在于基坑施工范圍內的地層主要為巖層,其抵抗變形能力較強。

2.6 基坑外地面沉降

選取靠山側與遠離山側地面沉降監測點D4、D5、D8和D9進行研究。基坑開挖至坑底后周邊地面沉降曲線見圖9。

a) 靠山側

b) 遠離山側

由圖9可知:基坑周邊地面沉降大致呈漏斗狀;靠山側距圍護結構約5 m處,地面沉降達到最大值,隨著距圍護結構的距離增大,地面沉降逐漸減小,甚至出現了隆起現象;遠離山側距離圍護結構約13 m處,地面沉降達到最大值,隨著距圍護結構的距離增大,地面沉降逐漸減小。

2.7 基坑施工對周邊土體的影響

目前對基坑施工過程中其周邊土體變形,以及土體深處影響范圍的相關研究較少。基坑周邊土體主要分為3個影響區域:主影響區域、次影響區域和無影響區域。基坑施工對周邊土體的影響范圍如圖10所示。

圖10 基坑施工對周邊土體的影響范圍

圖10中,GB 50911—2013《城市軌道交通工程監測技術規范》將基坑施工對周邊環境的擾動區域劃分為:①區(主要影響區)、②區(次要影響區)和③區(無影響區)。其中:①區和②區的分界點距基坑邊緣的距離為0.70He,②區和③區的分界點距基坑邊緣的距離為2.00He。文獻[9]以上海軟土地區為例,認為基坑施工對周邊環境的影響區域主要分為:Ⅰ區(主要影響區)、Ⅱ區(次要影響區)和Ⅲ區(無影響區)。其中:Ⅰ區和Ⅱ區的分界點距基坑邊緣的距離為0.75He,Ⅱ區和Ⅲ區的分界點距基坑邊緣的距離為2.00He。本文根據實測結果,將基坑施工對周邊環境的影響區域劃分為1區(主要影響區)、2區(次要影響區)和3區(無影響區)。其中:1區根據0.3倍土體最大變形等值線簡化而得,當其超過2區后,基坑施工對周邊環境幾乎無影響。本工程中1區和2區的分界點距基坑邊緣的距離為0.75He,2區和3區的分界點距基坑邊緣的距離為2.50He,且2區和3區的分界點距基坑邊緣的距離大于GB 50911—2013和文獻[9]研究的最大影響區域(2.00He),究其原因為樁錨圍護結構加大了錨索、錨桿對周邊土體的影響,以及山體嚴重偏壓作用增大了基坑施工的影響區域。

3 結論

1) 針對上軟下硬地層,圍護樁與土體水平位移曲線大致呈魚腹狀,靠山側圍護樁最大水平位移位于距地面4 m(0.22He)埋深處,遠離山側圍護樁最大水平位移位于距地面7 m(0.38He)埋深處。究其原因為基坑中下部為巖層,抵抗變形能力較好,且柔性支撐控制變形弱于剛性支撐。

2) 圍護樁水平位移和土體水平位移大致呈線性關系,其關系曲線可采用y=kx(k取 1.30)來擬合。

3) 基坑周邊地面沉降大致呈漏斗狀;靠山側距圍護結構約5 m處,地面沉降達到最大值,隨著距圍護結構的距離增大,地面沉降逐漸減小,甚至出現隆起現象;遠離山側距圍護結構約13 m處,地面沉降達到最大值,隨著距圍護結構的距離增大,地面沉降逐漸減小。

4) 基坑施工對周邊環境影響主要劃分為1區(主要影響區)、2區(次要影響區域)和3區(無影響區),其中,1區和2區的分界點距基坑邊緣的距離為0.75He,2區和3區的分界點距基坑邊緣的距離為2.50He。