張金柱， 朱 劍， 賈 霄

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司， 北京 100037)

軟土基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移控制措施

張金柱， 朱 劍， 賈 霄

(北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司， 北京 100037)

通過收集文獻資料、概念分析和基于典型工程的定量計算，認為在控制圍護結(jié)構(gòu)水平位移的措施中，首道混凝土支撐能夠避免由于軸力損失和地層預(yù)降水產(chǎn)生的樁頂位移，且投資增加較少，性價比較高，建議在軟土基坑中優(yōu)先選用；基坑內(nèi)側(cè)土加固控制基坑變形的效果很好，能減少圍護結(jié)構(gòu)的水平位移42%甚至更多，但投資增加較多，建議坑底以下為軟土或變形控制標準較高時采用；增加圍護結(jié)構(gòu)截面尺寸對變形控制貢獻有限，且投資較高，不建議優(yōu)先選用，僅當其他控制措施無法達到設(shè)計要求時再考慮采用；增加基坑豎向支撐道數(shù)能夠減少20%左右的圍護結(jié)構(gòu)水平位移，且投資增加幅度有限，建議變形要求較高時優(yōu)先選用。

軌道交通； 軟土基坑； 圍護結(jié)構(gòu)； 水平位移； 控制措施

《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》[1]3.1.2強條規(guī)定，基坑支護應(yīng)保證周邊建(構(gòu))筑物、地下管線、道路的安全和正常使用。地鐵工程往往位于城市已建成區(qū)，建(構(gòu))筑物和地下管線距離較近，建設(shè)環(huán)境復(fù)雜。明挖地鐵車站，基坑深度一般不小于16 m，平面面積一般不小于4 000 m2，是典型的深大基坑。因此，如何保證周邊環(huán)境設(shè)施的安全，是地鐵車站基坑設(shè)計和施工中的重點和難點。基坑工程對環(huán)境設(shè)施的影響主要體現(xiàn)在坑外地層沉降上，而基坑工程自身的變形主要體現(xiàn)在支護結(jié)構(gòu)的水平位移上，二者息息相關(guān)。一般認為，減小支護結(jié)構(gòu)的水平位移是減小地層沉降的有效手段。本文擬在前人研究成果的基礎(chǔ)上，并結(jié)合概念分析和典型工程的定量計算，初步分析常用的減小支護結(jié)構(gòu)水平位移和地表沉降措施的機理、效果和性價比。希望得到基坑變形控制措施的定性和定量綜合評價，供設(shè)計人員參考使用。

1 研究思路

1) 首先分析常用的基坑變形控制措施的機理和效果，然后對各種變形控制措施進行技術(shù)、經(jīng)濟綜合比較，最后給出各種變形控制措施的適用性建議。

2) 常用的基坑變形控制措施主要有首道撐采用混凝土支撐、坑內(nèi)土加固、加大圍護結(jié)構(gòu)截面尺寸、支撐豎向加密等方法。

2 基坑變形控制措施的機理和效果

2.1 首道撐采用混凝土支撐

2.1.1 混凝土支撐與鋼支撐的剛度比較

首道混凝土支撐能夠減小地表沉降基本已經(jīng)成為共識，在富水軟土地區(qū)應(yīng)用廣泛。相比鋼支撐，首道混凝土支撐能夠更好地控制基坑變形的原因，往往被認為是混凝土支撐具有更大的支撐剛度。

表1計算了φ609×16鋼支撐間距3 m、6 m和800 mm×800 mm砼支撐間距為6 m、9 m時的支撐剛度和樁頂支點位移，計算時假定支撐長度為20 m，基坑首道撐每延米的軸力標準值為200 kN。從計算結(jié)果可以看出，對于單根支撐，混凝土支撐的壓縮剛度約為鋼支撐的3倍，混凝土支撐的剛度確實比鋼支撐大，但由于首道撐支撐軸力往往較小，因此樁頂支點位移相差不大，例如兩種支撐間距均為6 m時，支點位移僅相差1.32 mm。如果考慮到混凝土支撐往往采用更大的間距，則位移相差更小，例如鋼支撐采用3 m間距，混凝土采用9 m間距，則兩者位移幾乎相同。因此可以得到初步結(jié)論，支撐剛度的差異不是混凝土支撐控制基坑變形明顯優(yōu)于鋼支撐的主要原因。需要說明的是，首道混凝土支撐采用9 m間距時，端部一般設(shè)置八字斜撐。八字斜撐按600 mm×800 mm截面、斜撐在冠梁上支點與支撐支點間距3 m、斜撐與主撐30°夾角考慮，采用有限元法計算得到表1中的壓縮變形量和支點位移。

表1 支撐剛度及支點位移比較

2.1.2 可避免軸力損失引起的圍護結(jié)構(gòu)水平位移

鋼支撐由鋼管和活絡(luò)頭組成，如圖1～2所示。鋼支撐架設(shè)就位后，設(shè)于活絡(luò)頭內(nèi)部的千斤頂開始工作擠壓鋼支撐，達到設(shè)計軸力后，通過鋼楔鎖定支撐軸向變形和軸力。因此，活絡(luò)頭在鋼楔鎖定之前為可伸縮的機構(gòu)，鋼楔鎖定后才成為單向受壓的結(jié)構(gòu)，鋼楔的鎖定效果直接影響支撐結(jié)構(gòu)的支撐剛度。當鋼楔鎖定效果不佳產(chǎn)生滑移或溫度變化、外力擾動產(chǎn)生滑移時，鋼支撐軸力就會損失進而發(fā)生樁頂位移。在實際工程中，也經(jīng)常發(fā)生支撐軸力損失，需要補加軸力的情況?；炷林闻c冠梁澆筑成整體，不存在鋼支撐軸力損失的問題，因此能夠更好地控制基坑變形。

圖1 首道鋼支撐組裝示意Fig.1 Assembly of the first steel bracing

圖2 活絡(luò)頭Fig.2 disconnectable coupling

表2中收集了北京、上海、寧波等地的5個工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)[2-6]。其中上海、寧波的3個工程采用了首道混凝土支撐，北京的2個工程采用首道鋼支撐。文獻中的圍護結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測結(jié)果如圖4所示。這些監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠說明以下問題：

1) 采用首道混凝土支撐，支撐架設(shè)完成后樁頂水平位移增加量很小，即說明混凝土支撐能夠有效控制樁頂變形。

2) 采用首道鋼支撐，支撐架設(shè)完成后樁頂位移仍然明顯增加。工程4樁頂總位移約8 mm，樁體最大位移約16 mm，支撐架設(shè)后樁頂位移增加約6 mm，增加量約占樁頂總位移的75%，約占樁體最大位移的37.5%；工程5樁頂總位移約13 mm，樁體最大位移約20 mm，支撐架設(shè)后樁頂水平位移增加約13 mm，增加量約占樁頂總位移的100%，約占樁體最大位移的60%。

以上數(shù)據(jù)和分析說明了混凝土支撐可以避免軸力損失引起的圍護結(jié)構(gòu)位移，從而減小地表沉降。工程3首道撐架設(shè)前樁頂位移達到了約20 mm，這里無法探究導(dǎo)致其樁頂位移偏大的原因。雖然初始樁頂位移較大，但架撐后位移增加量很小，這恰恰證明了即使某種原因?qū)е聵俄敵跏嘉灰戚^大，混凝土支撐依然能夠有效控制樁頂位移。

表2 部分工程樁頂位移統(tǒng)計

注：案例1～5分別見圖3(a)～(e)。

圖3 案例1～5的圍護結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測結(jié)果Fig.3 Monitoring results of lateral displacement in case 1～5

2.1.3 可減小圍護結(jié)構(gòu)水平位移

鄭剛等[7]在天津地鐵3號線某車站基坑工程開展了現(xiàn)場潛水預(yù)降水試驗與測試，發(fā)現(xiàn)基坑開挖前的潛水預(yù)降水即可引起地下地連墻向坑內(nèi)的位移(見圖4)。如果降水前不施工墻頂側(cè)向支撐，地連墻將發(fā)生懸臂型側(cè)移，實測墻頂最大側(cè)移可達近10 mm；如果降水前施工墻頂側(cè)向支撐，地連墻將發(fā)生內(nèi)凸型側(cè)移，墻體最大側(cè)移發(fā)生在墻頂以下一定深度處，墻頂側(cè)移顯著減小，墻體最大側(cè)移也大大減小。

圖4 預(yù)降水試驗監(jiān)測結(jié)果Fig.4 Monitoring results of pre-dewatering experiment

為了控制降水引起的圍護結(jié)構(gòu)水平位移，設(shè)計時可以要求施工現(xiàn)場先架設(shè)首道支撐，再進行地層降水。但是必須注意到以下兩個問題：

1) 架設(shè)鋼支撐的速度要遠大于澆筑混凝土支撐的速度。

2) 地層降水費用主要是電費，降水費用與降水時間成正比，施工現(xiàn)場在經(jīng)濟效益的驅(qū)動下，會盡量減少降水時間。

基于上述分析和現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，首道撐采用鋼支撐時，為加快施工進度，現(xiàn)場往往先降水后架設(shè)首道支撐；首道撐采用混凝土支撐時，為了節(jié)省降水費用，現(xiàn)場往往先架設(shè)首道支撐再進行施工降水。從這個角度分析，混凝土支撐相比鋼支撐能夠更好地控制圍護結(jié)構(gòu)水平位移。

2.2 坑內(nèi)土加固

2.2.1 水泥固化土的強度

對于軟土基坑，尤其是坑底位于淤泥和淤泥質(zhì)土的基坑，為了保證基坑安全，控制圍護結(jié)構(gòu)變形，往往會進行坑底加固，加固工藝一般采用三軸攪拌樁加固。為了減少加固量，一般采用“抽條+裙邊”的方案，最常見的抽條加固為寬度3 m，凈距3 m，裙邊寬度3 m，抽條和裙邊加固深度為坑底以下3 m?？拥准庸虆^(qū)水泥摻量一般為18%，即強加固區(qū)；地面至坑底部分水泥摻量一般為8%，即弱加固區(qū)。強加固區(qū)一般要求無側(cè)限抗壓強度為0.8～1.2 MPa，根據(jù)現(xiàn)場檢測結(jié)果和實際開挖觀測情況，強加固強度均能滿足要求。弱加固強度一般不作要求，但從現(xiàn)場開挖后的情況看，加固體強度均有顯著提高?，F(xiàn)場加固效果如圖5所示。

圖5 南京某地鐵車站坑內(nèi)土加固效果現(xiàn)場Fig.5 Reinforcement effect of the soil pit in a metro station of Nanjing

許宏發(fā)等[8]試驗結(jié)果表明，水泥摻量為7%～20%時，水泥固化土抗壓強度與水泥摻量接近線性正比關(guān)系，7%摻量的水泥土抗壓強度為18%摻量水泥土抗壓強度的57.5%(見圖6(a))。

張?zhí)旒t等[9]試驗結(jié)果表明，水泥摻量為5%～10%時，水泥固化土抗壓強度與水泥摻量接近線性正比關(guān)系，5%摻量的水泥土抗壓強度為10%摻量水泥土抗壓強度的60%(見圖6(b))。

湯怡新等[10]試驗結(jié)果表明，水泥摻量為5%～10%時，水泥固化土抗壓強度與水泥摻量接近線性正比關(guān)系，5%摻量的水泥土抗壓強度為10%摻量水泥土抗壓強度的20%～35%(見圖6(c))。

圖6 試驗成果Fig.6 Experiment results

阮錦樓等[11]試驗結(jié)果表明，水泥摻量為10%～50%時，水泥固化土抗壓強度與水泥摻量接近線性正比關(guān)系，10%摻量的水泥土抗壓強度為20%摻量水泥土抗壓強度的50%(見圖6(d))。

在筆者了解到的實際工程中，弱加固區(qū)的強度現(xiàn)場均未檢測，也未查到相關(guān)文獻資料，本文根據(jù)上述文獻資料成果和強加固區(qū)的無側(cè)限抗壓強度一般不小于0.8 MPa的現(xiàn)場檢測結(jié)果推斷，弱加固區(qū)的無側(cè)限抗壓強度一般為0.16～0.4 MPa。需要說明的是，上述文獻資料成果基本為室內(nèi)試驗結(jié)果，與實際工程會有差異，且強弱加固區(qū)加固體的強度比例與地層條件和加固工藝息息相關(guān)，因此本文推斷的弱加固區(qū)強度僅為無檢測結(jié)果條件下的暫估值。

2.2.2 水泥固化土的抗剪強度指標

基坑計算時需要輸入土體抗剪強度指標c值和φ值，下面主要探討加固體的c值、φ值及其與原狀土的差異。

1) 加固體的內(nèi)聚力。馬軍慶等[12]研究(見圖7)認為，水泥土的無側(cè)限抗壓強度qu與內(nèi)聚力c之間的關(guān)系式為

(2)

圖7 水泥土抗壓強度與內(nèi)聚力的關(guān)系Fig.7 Relationship between compressive strength and cohesion of cement-soil

根據(jù)公式(2)和本文2.2.1節(jié)中暫估的加固體強度，強加固區(qū)內(nèi)聚力c=176.6 kPa，弱加固區(qū)內(nèi)聚力c=67.2～116.5 kPa，可見無論強加固區(qū)還是弱加固區(qū)，內(nèi)聚力均較大。即使與性狀良好的黏性土相比，c值也有較大幅度的提高。

2) 加固體的內(nèi)摩擦角。馬軍慶等研究認為，內(nèi)摩擦角與土中粗顆粒含量的多少有關(guān)，粗顆粒含量越多，內(nèi)摩擦角φ越大。淤泥水泥土φ=25°～30°，黏土水泥土φ=27°～32°，粉土水泥土φ=30°～35°，含砂質(zhì)水泥土φ=34°～40°?？箟簭姸刃r取小值，抗壓強度大時取大值。根據(jù)該研究成果，對于應(yīng)用加固最多的淤泥和淤泥質(zhì)土，強加固區(qū)水泥土內(nèi)摩擦角可取30°，弱加固區(qū)水泥土內(nèi)摩擦角可取25°。

2.2.3 對基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移的影響

以南京某地鐵車站工程為例，對比分析地層加固對圍護結(jié)構(gòu)水平位移的影響。該地鐵車站總長為160.7 m，標準段寬為20.7 m，標準段底板埋深約為16.75 m。采用明挖順作法施工，支護結(jié)構(gòu)體系為“地下連續(xù)墻+水平內(nèi)支撐”，首道撐采用混凝土支撐，其余采用鋼支撐。地質(zhì)條件較差，采用三軸攪拌樁工藝對坑內(nèi)被動區(qū)土體進行“抽條+裙邊”加固，抽條和裙邊寬度為3 m，抽條凈距為3 m，加固深度為坑底以下3 m?？拥滓韵聻閺娂庸虆^(qū)，水泥摻量為18%，坑底以上為弱加固區(qū)，水泥摻量為8%。

根據(jù)本文2.2.1節(jié)，坑底強加固區(qū)水泥土無側(cè)限抗壓強度按0.8 MPa考慮，弱加固區(qū)水泥土無側(cè)限抗壓強度按0.16 MPa考慮。根據(jù)本文2.2.2節(jié)，計算得到強弱加固區(qū)加固體的抗剪強度指標如表3所示。

表3 南京某地鐵基坑的地層抗剪強度指標

土體加固后，c值和φ值提高，m值提高，從而起到抑制基坑變形的作用。抽條加固面積為50%，偏于安全不考慮裙邊作用時，坑內(nèi)土體的m值可取原狀土m值和加固土m值的平均值。根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》4.1.6條，m值計算公式如下：

m=(0.2φ2-φ+c)/vb

(3)

式中,vb=10 mm

根據(jù)公式(3)計算得到的原狀土和強弱加固區(qū)加固體的m值如表4所示。

表4 南京某地鐵基坑的地層m值

采用同濟啟明星深基坑支護設(shè)計軟件和荷載結(jié)構(gòu)模型，計算得到圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移如表5所示。

表5 南京某地鐵基坑的圍護結(jié)構(gòu)水平位移計算值

可見，地層加固能夠明顯減小圍護結(jié)構(gòu)的水平位移，僅考慮強加固區(qū)作用時，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移減少了29%，同時考慮強加固和弱加固作用時，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移減少了42%。同時應(yīng)注意到，地基加固后能增強基坑穩(wěn)定性，可適當減少圍護結(jié)構(gòu)的插入比，該有利方面本文暫未考慮。

2.3 加大圍護結(jié)構(gòu)截面尺寸

加大圍護結(jié)構(gòu)截面尺寸，提高圍護結(jié)構(gòu)剛度，能夠有效減少圍護結(jié)構(gòu)的水平位移。對于軟土地區(qū)的地下2層地鐵車站基坑，常用0.8 m厚連續(xù)墻，變形要求較高時也可以考慮采用1 m厚連續(xù)墻。圍護結(jié)構(gòu)的每延米截面慣性矩和圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移如表6所示。

表6 不同厚度連續(xù)墻的截面慣性矩和最大水平位移

根據(jù)計算結(jié)果，相比0.8 m厚連續(xù)墻，1 m厚連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)剛度增加了95%，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移減少了18.6%。

2.4 減小豎向支撐間距

基坑支撐的豎向間距越小，支撐體系的剛度越大，對圍護結(jié)構(gòu)的支撐作用也越強。對于地下兩層站基坑，有設(shè)置豎向3道支撐和4道支撐2種方案，也有設(shè)置倒撐和不設(shè)置倒撐2種方案，組合起來是4種方案。以800 mm厚連續(xù)墻為例,對支撐不同支撐方案的變形控制效果進行比較(見表7)。

表7 不同型號圍護結(jié)構(gòu)的最大水平位移計算值

根據(jù)計算結(jié)果，相比3道支撐，3道支撐+1道倒撐圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移減少5%，4道支撐圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移減少16%，4道支撐+1道倒撐圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移減少22%。同時應(yīng)注意到，支撐豎向加密后，可減小圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并減少圍護結(jié)構(gòu)的含鋼量，該有利方面本文暫未考慮。需要說明的是，上述位移計算結(jié)果為針對某工程案例計算所得，其規(guī)律具有普遍性，但具體的定量關(guān)系不具備普遍性，豎向支撐數(shù)不同時圍護結(jié)構(gòu)水平位移的比例關(guān)系，與工程水文地質(zhì)條件、開挖步序、各道支撐的豎向標高等因素有關(guān)。

3 軟土基坑變形控制措施的性價比分析

基坑設(shè)計，既要保護環(huán)境，又要經(jīng)濟合理，因此對本文介紹的4種變形控制措施進行技術(shù)、經(jīng)濟分析。由于物價存在地域性和周期性，因此在經(jīng)濟分析中，綜合經(jīng)濟指標與工程所在的地區(qū)和建設(shè)時間有關(guān)，本文中為估算值(見表8、9)。

表8 綜合經(jīng)濟指標估算值

表9 各種變形控制措施經(jīng)濟、技術(shù)對比

4 結(jié)論

本文對首道撐采用混凝土支撐、坑內(nèi)土加固、加大圍護結(jié)構(gòu)截面尺寸、支撐豎向加密4種基坑變形控制措施的機理和效果進行了分析，并結(jié)合變形控制效果和工程投資對4種措施進行了綜合比較，得到以下結(jié)論和建議：

1) 首道混凝土支撐能夠避免由于軸力損失和地層預(yù)降水產(chǎn)生的樁頂位移，且投資增加較少，性價比較高，建議在軟土基坑中優(yōu)先選用，也可與其他變形控制措施混合使用。

2) 基坑內(nèi)側(cè)土加固控制基坑變形的效果很好，能減少圍護結(jié)構(gòu)的水平位移42%甚至更多，但投資增加較多，建議坑底以下土為軟土和變形控制標準較高時采用。

3) 增加圍護結(jié)構(gòu)截面尺寸對變形控制貢獻有限，且投資較高，不建議優(yōu)先選用，僅當其他控制措施無法達到設(shè)計要求時再考慮采用。

4) 增加基坑豎向支撐道數(shù)能夠減少20%左右的圍護結(jié)構(gòu)水平位移，且投資增加幅度有限，建議變形要求較高時優(yōu)先選用。

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MA Junqing， WANG Youxi， LI Hongmei， et al. Study on the relations of cement-soil parameters with compressive strength[J]. Building science, 2009, 25(3): 65-67.

HorizontalDisplacementControlofSupportingStructureinSoftSoilFoundationPit

ZHANGJinzhu,ZHUJian,JIAXiao

(Beijing Urban Construction Design & Development Group Co., Limited, Beijing 100037)

By data and conceptual analysis and quantitative calculation of typical engineering, following conclusions about the horizontal displacement control of supporting structures are reached: the first concrete support can avoid the top displacement of the pile due to axial force loss and pre-dewatering, and reduce investment, which is cost-effective, and recommended as first choice for the soft soil foundation pit; deformation can be effectively controlled by strengthening the inner side of the foundation pit, this method may reduce the horizontal displacement by more than 42%, and incur higher costs, it is suggested to be used while the soil under the pit bottom is soft or the requirements of deformation control standards are strict; increasing the cross section area of the supporting structures plays a limited role in controlling deformation, which may lead to higher investment and should not be a prime choice; however, it might be adopted when the design requirements cannot be met by other measures; increasing the number of vertical supporting structures can reduce the horizontal displacement by about 20%, and will not push up the costs too much; therefore, it is recommended as the first choice when the deformation requirements are stricter.

rail transit; soft soil foundation pit; supporting structure; horizontal displacement; control measurements

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.06.011

U231

A

1672-6073(2017)06-0062-07

2017-02-16

2017-03-06

張金柱，男，碩士，從事地鐵等地下工程的設(shè)計與研究，zjz_ce@163.com

(編輯：郝京紅)

2017年城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施智慧建造與安全運維高峰論壇隆重召開

由中國土木工程學(xué)會軌道交通分會支持，軌道交通工程信息化國家重點實驗室、中國智慧基礎(chǔ)設(shè)施聯(lián)盟(iS3)協(xié)辦，RT軌道交通發(fā)起主辦的“2017年城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施智慧建造與安全運維高峰論壇”于2017年10月20日-21日在無錫隆重舉行。會上發(fā)布了《2017上半年中國軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施及智慧化發(fā)展報告》并對2017年下半年-2018年市場進行詳細預(yù)測?！?017上半年報告》更著重關(guān)注中國城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施智慧建造領(lǐng)域，不僅對2017上半年設(shè)計咨詢、土建施工、第三方監(jiān)測市場進行了詳細的回顧和統(tǒng)計，而且對中國城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施智慧建造領(lǐng)域的幾十位專家進行詳實的采訪，并將采訪內(nèi)容整理成文，幫助讀者對中國城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施智慧建造領(lǐng)域的概念、市場現(xiàn)狀、現(xiàn)存問題及解決方案、未來發(fā)展預(yù)測等內(nèi)容準確把握。

摘編自http：//www．chinametro．net/20171026