李煒明,任 虹,柳雨葉,石旭東,張燕舞

(1.武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢 430023；2.普渡大學(xué),美國印第安納州 西拉法葉 47906;3.中鐵十九局集團(tuán)有限公司,北京 100176)

短時強(qiáng)降水主要指暴雨及以上等級的降雨。根據(jù)2006年中國氣象局提出的江河流域降雨量等級劃分表,按24 h降雨量把降水劃分為暴雨(30～59.9 mm)、大暴雨(60～150 mm)、特大暴雨(≥150 mm)[1]。

地鐵車站往往設(shè)置在人流量大、交通復(fù)雜、建筑密度大的街區(qū),由于施工引起的地表沉降及其對相鄰構(gòu)筑物的影響受到關(guān)注[2-3]。對于明挖法車站深基坑工程,一旦遭遇短時強(qiáng)降水,施工風(fēng)險必然增大。沈細(xì)中[4]對深基坑工程的飽和-非飽和滲流與應(yīng)力耦合進(jìn)行分析得出,非飽和土體含水率增大使得土體強(qiáng)度降低從而影響基坑的穩(wěn)定性。張忠苗等[5]研究得到降水會導(dǎo)致土壓力增加,水位變化引起的粉土流失導(dǎo)致基坑開挖過程中的風(fēng)險增大。彭立新[6]探討了降水入滲對基坑邊坡的影響,同時結(jié)合實測數(shù)據(jù)分析了降水對基坑邊坡土體變形的影響,并提出了必要的防護(hù)措施。邱海兵[7]以西安市某深基坑工程為例,分析了暴雨及連綿雨2種情況下基坑的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)瞬時暴雨對基坑整體穩(wěn)定性影響較小,而隨著連綿雨持續(xù)時間的增長,基坑邊坡整體穩(wěn)定性降低的速率逐漸減緩。崔鳳展[8]運(yùn)用FLAC 3D模擬分析強(qiáng)降水條件下基坑的穩(wěn)定性及安全施工方法。鄒家南等[9]運(yùn)用有限元與實測數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法分析佛山市嶺南天地大型深基坑施工過程中隧道結(jié)構(gòu)的變形,認(rèn)為復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)效果較好。胡建林等[10]采用三維有限元數(shù)值分析方法,模擬蘇州某地鐵深基坑開挖支護(hù),研究得出各支撐分別布設(shè)于各開挖層頂部的施工方案更經(jīng)濟(jì)。

短時強(qiáng)降水期間地鐵車站施工引起的地表沉降、結(jié)構(gòu)變形與降水量之間存在復(fù)雜的非線性關(guān)系。已有研究方法難以準(zhǔn)確描述施工過程中的地表沉降與結(jié)構(gòu)位移,有必要基于監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1 工程概況

武漢地處長江中下游平原,短時強(qiáng)降水較為常見。2015年7月23日遭大暴雨襲擊,降水強(qiáng)度達(dá)50年一遇水平,是武漢市自1998年以來遭遇的最強(qiáng)降水,武漢首次啟動二級應(yīng)急響應(yīng)。本次降水總量大、時間集中,中心城區(qū)8.5 h最大降水量為197 mm,其中 1 h 最大降水量87.5 mm。最近5年,武漢地區(qū)每年遭遇短時強(qiáng)降水的頻率在1～3次。

武漢地鐵苗栗路車站基坑工程長度約293 m,寬度為10.20～24.74 m,基坑平面呈長條形,開挖深度為16.99～18.94 m。于2015年3月基坑開挖施工,施工期經(jīng)歷了7月23日50年一遇特大暴雨,且在同月15日已經(jīng)經(jīng)歷了一次44.96 mm的降水。

該車站為地下2層單柱雙跨島式車站,采用矩形框架結(jié)構(gòu),如圖1所示。在7月23日劇烈降水來臨之前,基坑南端第2層鋼支撐及第3層混凝土支撐、小端頭底板正在施工；基坑北端第3層混凝土支撐及第4層、第5層鋼支撐正在施工,同時有區(qū)段在進(jìn)行底板與中板施工,從兩端向中間開挖。此時,J1,J2,J9,J10,J11區(qū)段底板均已澆筑完成,而J8區(qū)段正在澆筑底板,其他區(qū)段土方正在開挖中。7月23日前還未完成土方開挖區(qū)段地表測點(diǎn)有DB9,DB10,DB11,DB12,DB13,DB14。

圖2 底板已澆筑區(qū)段7月23日前后地表測點(diǎn)累計沉降

2 短時強(qiáng)降水期間的地表沉降

因為特大暴雨為極端天氣情況,部分測點(diǎn)施工現(xiàn)場未能獲得當(dāng)時沉降數(shù)據(jù),如DB9,DB10組測點(diǎn),在7月23日只有少數(shù)測點(diǎn)有數(shù)據(jù)。因此,在圖2中選取了底板已澆筑區(qū)段7月23日前后(即第129,131次監(jiān)測)地表測點(diǎn)的累計沉降數(shù)據(jù)。因部分測點(diǎn)無監(jiān)測數(shù)據(jù)故圖中未畫出。

由圖2可知：采用已有排水方案,大部分測點(diǎn)的累計沉降無顯著改變。

底板未完成澆筑區(qū)段7月23日前后地表測點(diǎn)累計沉降見圖3。因DB14-3,DB15-1無監(jiān)測數(shù)據(jù)，故圖中未畫出。由圖3可知：即使施工現(xiàn)場采取了排水與其他措施,暴雨期間大部分測點(diǎn)仍存在較大沉降。24日沉降超過7.0 mm的有DB9,DB10,DB11,DB12,DB13,DB14 6組測點(diǎn)。24日測點(diǎn)DB13-3沉降達(dá)16.96 mm。

圖3 底板未完成澆筑區(qū)段7月23日前后地表測點(diǎn)累計沉降

3 短時強(qiáng)降水期間地下連續(xù)墻橫向變形

下文以測點(diǎn)CX01,CX12,CX20,CX22,CX31為例,分析2015年7月23日短時強(qiáng)降水對地下連續(xù)墻橫向變形的影響。其中：CX01，CX20分別位于主體結(jié)構(gòu)底板和中板,在這2個測點(diǎn)基坑施工持續(xù)時間較長,CX12,CX22,CX31分別位于長邊靠近中部的位置,這3個測點(diǎn)處7月23日前已開挖完成,主體結(jié)構(gòu)正在施工。取挖深范圍內(nèi)的墻體為研究對象,將7月21—30日以2 d為1個時間段劃分為5個區(qū)段。圖4中縱坐標(biāo)為不同深度處墻體平均橫向變形。

圖4 地下連續(xù)墻平均橫向變形

由圖4可知：在大暴雨期間墻體平均橫向變形較大的測點(diǎn)有CX20,CX22。主體結(jié)構(gòu)(CX01,CX20)均已在大暴雨來臨前完成部分施工,但CX20的平均橫向變形比CX01大得多。這是因為CX01所在的J1區(qū)段已完成底板澆筑,且 CX01位于基坑端頭處,垂向的圍護(hù)結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的約束作用,而CX20位于基坑長邊,為基坑約束較薄弱區(qū)。此外,雖然CX12與CX22位于同一橫截面上的基坑兩側(cè),空間位置對稱,支撐架設(shè)情況類似,但CX12橫向變形明顯小于CX22。根據(jù)現(xiàn)場情況分析,主要原因可能是CX12處設(shè)置有攪拌樁,加大了此部分結(jié)構(gòu)的剛度,從而減小了地下連續(xù)墻的橫向變形。CX31位于基坑變截面處,距離角點(diǎn)的旋噴樁有一定距離,因此整體上橫向變形為中等幅值。

為進(jìn)一步觀察各測點(diǎn)變化情況,圖5中選取了2016年7月11—30日墻體各測點(diǎn)各觀測日每日最大橫向變形數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。因7月23日現(xiàn)場未能監(jiān)測,因此取7月24日的橫向變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。若7月24日橫向變形顯著大于其他日期地下連續(xù)墻每日最大橫向變形的2倍,則認(rèn)為此測點(diǎn)受短時強(qiáng)降水影響顯著。

圖5 地下連續(xù)墻7月11—30日每日最大橫向變形

由圖5(a)可見：CX01在7月24日的最大橫向變形為0.70 mm,比之后的最大橫向變形略大,但顯著小于前期。這是因為劇烈降水時CX01處已完成底板澆筑,且該點(diǎn)位于狹長基坑的端部,緊鄰地下連續(xù)墻,抵抗變形的能力較強(qiáng)。由圖5(b)、圖5(d)可知：7月24日CX12與CX31組測點(diǎn)最大橫向變形在1.0～1.5 mm。因有攪拌樁的加固CX12最大橫向變形顯著減小,CX31由于位于基坑非狹長區(qū)段的中部,且所在區(qū)段已完成底板澆筑，故這2個測點(diǎn)的橫向變形整體不大。由圖5(c)可知：在7月11—30日CX22組測點(diǎn)最大橫向變形變化量最大,7月24日最大橫向變形約4.40 mm,明顯大于其他組該日的最大值。這是因為CX22位于狹長基坑長邊中部,又無攪拌樁加固。

4 結(jié)論

本文基于武漢地區(qū)50年一遇的短時強(qiáng)降水,對武漢地鐵施工期苗栗路車站所受影響進(jìn)行了分析,得出結(jié)論如下：

1)若采用常規(guī)排水方案,短時強(qiáng)降水對部分區(qū)段的地表沉降與地下連續(xù)墻橫向變形存在一定影響。該影響與車站基坑的形狀、相關(guān)區(qū)段底板的澆筑時間、基坑周邊輔助加固措施等因素有關(guān)。

2)降水期間地表日最大沉降與地下連續(xù)墻日最大橫向變形的變化量分別為16.96,4.40 mm,都位于基坑長邊中部,空間效應(yīng)較為明顯。已完成底板澆筑區(qū)段的變形值整體上小于未完成澆筑區(qū)段,底板澆筑時間對地表沉降與地下連續(xù)墻橫向變形影響較為顯著。無攪拌樁時地下連續(xù)墻最大橫向變形變化量達(dá)到4.40 mm,外側(cè)有攪拌樁時地下連續(xù)墻抵抗橫向變形的能力顯著增強(qiáng)。

3)對于預(yù)估的沉降較大或?qū)Τ两得舾械膮^(qū)段,其底板應(yīng)盡量在雨季到來前施工,應(yīng)加強(qiáng)對無輔助加固措施區(qū)段、狹長基坑長邊中部的監(jiān)測,從而減小施工過程中短時強(qiáng)降水帶來的風(fēng)險。