□文 /童剛強(qiáng)

軟土地區(qū)的深基坑工程多采用內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑的圍護(hù)體系由圍護(hù)墻、支撐和立柱樁組成[1]?；娱_挖變形主要包括3部分：支護(hù)墻體變形、基坑底部隆起和基坑周圍土體變形。研究表明這3方面互相聯(lián)系而不是獨(dú)立的[2]。在基坑開挖過(guò)程中，結(jié)合施工工況對(duì)墻體測(cè)斜、立柱隆起和土體沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，盡快找到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常的原因并及時(shí)響應(yīng)，對(duì)保證基坑的安全有非常重要的指導(dǎo)意義。

立柱樁的形式包括鋼管柱和格構(gòu)柱，當(dāng)支撐跨度較大時(shí)，立柱樁能夠給支撐體系提供很好地穩(wěn)定性。影響立柱發(fā)生豎向位移的因素主要有基坑隆起、豎向荷載、溫度變化、混凝土收縮徐變、施工誤差等，其中基坑隆起與豎向荷載是最主要影響因素[3]。這些因素在設(shè)計(jì)施工過(guò)程都會(huì)提前考慮并引起重視，對(duì)于一些不常見的因素更應(yīng)引起注意。

1 工程概況

天津地鐵5號(hào)線張興莊站位于既有鐵路北環(huán)線和規(guī)劃均富路交口，為地下3層島式站臺(tái)車站，與既有地鐵3號(hào)線T型換乘，周邊無(wú)建筑物和地下管線。車站主體結(jié)構(gòu)長(zhǎng)148.05 m，標(biāo)準(zhǔn)段凈寬19.8 m，站臺(tái)寬12.50 m。主體基坑標(biāo)準(zhǔn)段基坑深23.05 m，大里程盾構(gòu)井段基坑深24.6 m，小里程盾構(gòu)井深24.9 m，采用明挖順做法施工。

主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000mm厚地下連續(xù)墻+5道混凝土支撐的形式，地下連續(xù)墻深度為45.65 m（含3.9 m素混凝土段），地下連續(xù)墻和混凝土支撐均為C30混凝土，混凝土支撐縱向配筋上下各10φ28mm，左右各3φ25mm，箍筋配筋φ10mm@100mm，混凝土支撐各項(xiàng)參數(shù)見表1，所有混凝土支撐均用系梁連接，臨時(shí)立柱采用直徑300mm的鋼管柱。

表1 混凝土支撐計(jì)算參數(shù)

2 立柱豎向隆起原因分析

2.1 監(jiān)測(cè)說(shuō)明

車站主體基坑由兩端向中間同時(shí)進(jìn)行開挖，由右往左共分為6個(gè)施工段，每段24～25 m。根據(jù)規(guī)范要求以及結(jié)合本工程特點(diǎn)，重點(diǎn)對(duì)周邊地表沉降、地下連續(xù)墻頂部沉降、地下連續(xù)墻測(cè)斜、地下連續(xù)墻頂部水平位移、混凝土支撐軸力、臨時(shí)立柱沉降（監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在第1道混凝土支撐上）、坑外水位、既有北環(huán)鐵路沉降及軌道高差、既有運(yùn)營(yíng)3號(hào)線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，見圖1，在基坑開挖過(guò)程中對(duì)重點(diǎn)部位進(jìn)行巡視檢查。

圖1 基坑平面及部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

基坑1施工段開挖至基坑底，2～3施工段已施工墊層，4～6施工段底板已澆筑完成，經(jīng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，立柱Z1、Z6發(fā)生了較大的隆起，見圖2，變化量達(dá)到了14～15mm/d，組織人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行巡視發(fā)現(xiàn)Z8對(duì)應(yīng)的混凝土支撐表面已開裂，見圖3。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，連續(xù)20 d內(nèi)地下連續(xù)墻測(cè)斜數(shù)據(jù)穩(wěn)定，在可控范圍以內(nèi)，沒(méi)有突變的現(xiàn)象發(fā)生，見圖4；地表沉降個(gè)別點(diǎn)在2mm/d左右，也處于穩(wěn)定狀態(tài)，見圖5，同時(shí)Z6、Z8對(duì)應(yīng)底板已施工完成，說(shuō)明坑底隆起引起立柱上浮的可能性極小。

圖2 立柱豎向位移時(shí)程曲線

圖3 混凝土支撐開裂

圖5 地表沉降時(shí)程曲線

經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的觀察發(fā)現(xiàn)，由于是在冬季施工且連續(xù)幾天氣溫持續(xù)下降，最低氣溫達(dá)到了-14℃。根據(jù)已有的研究表明[4～5]，土體在低溫下發(fā)生凍脹且產(chǎn)生較大的凍脹力，從而推測(cè)立柱Z6、Z8的隆起是由于鋼管柱內(nèi)土體凍脹引起的。為驗(yàn)證這一推論，在鋼管柱上開一口子，發(fā)現(xiàn)有大量泥土擠出，同時(shí)立柱豎向位移逐步恢復(fù)正常，后期監(jiān)測(cè)也沒(méi)有再出現(xiàn)異常情況。因此，可以判定立柱Z1、Z6、Z8的豎向位移是由于鋼管柱內(nèi)土體凍脹引起的。

3 鋼管柱內(nèi)土體凍脹對(duì)混凝土支撐變形影響分析

根據(jù)臨時(shí)鋼管柱施工工藝可知，鋼管柱內(nèi)的土體主要為殘留的泥漿和攪拌土，其性能指標(biāo)無(wú)法判定。在Z1、Z6、Z8發(fā)生較大凍脹時(shí)，Z2、Z4、Z7并沒(méi)有變化，說(shuō)明在凍脹之前Z2、Z4、Z7鋼管柱沒(méi)有被土體填滿，鋼管柱內(nèi)土體的密實(shí)程度無(wú)法確定。因此，無(wú)法通過(guò)土的凍脹屬性來(lái)計(jì)算鋼管柱內(nèi)土體的凍脹量以及產(chǎn)生的凍脹力。在已知混凝土支撐變形量（鋼管柱豎向位移）的情況下，可以借助結(jié)構(gòu)力學(xué)模型對(duì)土體的凍脹力進(jìn)行反算。

根據(jù)同濟(jì)大學(xué)史世雍[3]的研究，在忽略支撐桿左右兩側(cè)墻體豎向差異浮沉引起的支撐桿扭曲變形影響時(shí)，對(duì)撐桿可視為豎平面有彎矩作用的壓彎構(gòu)件，對(duì)混凝土支撐，上浮變形的附加彎矩可用圖6的計(jì)算模型。

圖6 混凝土支撐受力分析模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算求得

式中：Q為立柱對(duì)混凝土支撐的豎向力；δ為立柱與地下連續(xù)墻的差異沉降；E為C30混凝土的彈性模量；q為混凝土支撐自重載荷。

立柱隆起產(chǎn)生的最大附加彎矩在支撐的中部，最大附加彎矩為

根據(jù)以上理論，將計(jì)算結(jié)果匯總于表2。結(jié)合表2的計(jì)算結(jié)果和圖2可以看出，在發(fā)生凍脹之前，鋼管柱的豎向位移基本穩(wěn)定，與地下連續(xù)墻的差異沉降較小，由此產(chǎn)生的上浮力和附加彎矩也很小。凍脹發(fā)生后，鋼管柱與地下連續(xù)墻的差異沉降迅速增大，Z1、Z6上浮力分別增加了711、903.8 kN，附加彎矩分別增加了2 275.3、2711.4 kN·m，分別達(dá)到了設(shè)計(jì)極限彎矩的66.87%和 79.7%。

表2 立柱隆起對(duì)混凝土支撐的附加彎矩

4 結(jié)論與建議

1）根據(jù)計(jì)算結(jié)果，土體凍脹使鋼管柱對(duì)混凝土支撐的上浮力和附加彎矩迅速增加，附加彎矩的增加量分別達(dá)到了設(shè)計(jì)極限彎矩的66.87%和79.7%。在設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮凍脹影響的情況下，這種工況的發(fā)生對(duì)混凝土支撐的穩(wěn)定性以及基坑支護(hù)的安全帶來(lái)了極大危害。

2）需要在冬季施工，特別是北方地區(qū)，為避免類似工況發(fā)生，可以將鋼管柱伸出混凝土支撐上表面，使鋼管柱內(nèi)土體凍脹能得到盡快釋放或者用格構(gòu)柱代替鋼管柱。

[1]江 娟，亓 賓，劉國(guó)彬.軟土深基坑中立柱樁變形影響因素和變形預(yù)測(cè)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2008,30，（S1）：363-368.

[2]鄭 剛，焦 瑩，李 竹.軟土地區(qū)深基坑工程存在的變形與穩(wěn)定問(wèn)題及其控制——軟土地區(qū)深基坑坑底隆起變形問(wèn)題[J].施工技術(shù)，2011，40（341）：10-15.

[3]史世雍.軟土地區(qū)深基坑支護(hù)體系安全性狀動(dòng)態(tài)分析[D].上海：同濟(jì)大學(xué),2007.

[4]秦愛(ài)芳，林金錢，蒲毅彬，等.上海人工凍土凍脹特性和水分遷移的試驗(yàn)研究[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2009，15（1）：93-98.

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