徐德馨，彭漢發(fā)，周玉琴

(1.武漢市測(cè)繪研究院，湖北 武漢 430022； 2.湖北省水利水電科學(xué)研究院，湖北 武漢 430070)

1 引 言

隨著全國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，城市地下空間開發(fā)利用熱潮興起，城市地鐵項(xiàng)目正在緊鑼密鼓地開工建設(shè)。而地鐵通常穿越城市最繁華的路段，周邊環(huán)境嚴(yán)峻，且地鐵車站基坑大都采取明挖法，開挖深度多超過(guò) 12.0 m，有些甚至超過(guò) 15.0 m，屬于超深基坑，基坑開挖易導(dǎo)致周邊房屋沉降開裂、道路下沉、管線破裂等，嚴(yán)重影響周邊建(構(gòu))筑物的安全。怎么在地鐵設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中采取合適的技術(shù)措施[1～6]，把基坑施工對(duì)周邊建(構(gòu))筑物的影響[7～10]控制在容許范圍內(nèi)，是一個(gè)十分重要的研究課題。本文對(duì)武漢市典型地層(在武漢市分布范圍較廣)一個(gè)超深地鐵基坑進(jìn)行開挖與周邊建(構(gòu))筑物的共同作用數(shù)值分析，探討了支撐預(yù)應(yīng)力技術(shù)措施對(duì)周邊建(構(gòu))筑物的影響，研究結(jié)果對(duì)順利開展地鐵建設(shè)和保障城市安全具有重要的借鑒意義。

2 工程及地質(zhì)概況

2.1 工程概況

擬建地鐵車站為地下2層、10 m島式站臺(tái)車站，車站外包尺寸為 184 m×18.5 m×12．71 m(長(zhǎng)×寬×高)，車站頂部覆土約 3 m采用明挖法施工，標(biāo)準(zhǔn)段明挖基坑深度 15.9 m，寬度 18.5 m，鋼管內(nèi)支撐水平間距為 3.0 m；盾構(gòu)井加深加寬段明挖基坑深度 17.2 m，寬度 22.9 m。車站維護(hù)結(jié)構(gòu)采用 800 mm厚連續(xù)墻加鋼管內(nèi)支撐，墻深共分三種，北端頭盾構(gòu)進(jìn)出洞處 31.0 m深，端頭井部位 27.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段 25.8 m?；又ёo(hù)安全等級(jí)為一級(jí)。地鐵基坑北部三維數(shù)值分析模型如圖1所示。

圖1 基坑北部三維數(shù)值分析模型

標(biāo)準(zhǔn)段典型剖面設(shè)置內(nèi)支撐三道，剖面布置圖如圖2所示。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)段剖面支護(hù)布置圖

車站基坑周邊環(huán)境嚴(yán)峻，車站東側(cè)為商用樓及老式住宅樓，住宅建筑密集，距離基坑 11 m～14 m；周邊地下管線密集，種類多，有些臨近管線被遷移處理，距離基坑?xùn)|側(cè) 6 m處的鑄鐵給水管線是最重要的監(jiān)測(cè)管線。

2.2 場(chǎng)地地層概況

場(chǎng)地地層分布如下：

①(1-1)層為雜填土(Qml)，成分較雜，厚度總體不大，結(jié)構(gòu)松散且疏密不均，建筑性能差。

場(chǎng)地地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

基坑場(chǎng)地地層物理力學(xué)參數(shù) 表1

3 基坑標(biāo)準(zhǔn)段開挖數(shù)值分析

3.1 數(shù)值分析模型和計(jì)算參數(shù)

由于基坑北端和南端基坑底部均進(jìn)行了加固，且周邊均沒(méi)有建筑物，標(biāo)準(zhǔn)段2-2剖面測(cè)斜布置點(diǎn)CX-04處有建筑物，距離基坑開挖邊線約 11 m，建筑物為1～4層磚混結(jié)構(gòu)，天然地基，本次分析的對(duì)象為該剖面，稱為標(biāo)準(zhǔn)段典型剖面。

建(構(gòu))筑物等效荷載60 kPa，分布范圍 10 m。根據(jù)基坑場(chǎng)地土層情況及支撐布置情況以及周邊建(構(gòu))筑物情況，建立基坑共同作用數(shù)值分析的平面應(yīng)變模型[11，12]，如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)段剖面數(shù)值分析模型圖

根據(jù)本基坑勘察報(bào)告和土工試驗(yàn)成果，典型剖面地層修正劍橋模型[13～15]力學(xué)參數(shù)如表2(表中，自然對(duì)數(shù)壓縮指數(shù)λ、自然對(duì)數(shù)回彈指數(shù)k、泊松比μ、臨界狀態(tài)應(yīng)力比M、初始孔隙比e0、靜止土壓力系數(shù)k0)。

典型地層修正劍橋模型力學(xué)參數(shù) 表2

地下連續(xù)墻厚0.8 m，采用線彈性模型，彈性模量為2.4×107kPa，泊松比為0.2；3道支撐，第1道φ609@12(直徑 609 mm、壁厚 12 mm)，第2、3道φ609@16(直徑 609 mm、壁厚 16 mm)，鋼管內(nèi)支撐采用線彈性模型，彈性模量為2.0×108kPa，泊松比為0.2。

3.2 數(shù)值分析與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

在該地鐵站基坑設(shè)計(jì)過(guò)程中，進(jìn)行初步計(jì)算，得到設(shè)計(jì)軸力和預(yù)加軸力如表3所示。

支撐設(shè)計(jì)和預(yù)加軸力值 表3

按初步設(shè)計(jì)預(yù)加軸力值對(duì)3道內(nèi)支撐施加預(yù)應(yīng)力，對(duì)基坑開挖進(jìn)行分步開挖模擬，基坑開挖到坑底后數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果見圖4、圖5(云圖位移單位為m)。

圖4 基坑開挖到坑底后水平位移分布云圖

圖5 基坑開挖到坑底后垂直位移分布云圖

數(shù)值分析地下連續(xù)墻計(jì)算結(jié)果與測(cè)斜CX-E4監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比如圖6所示，從圖中可知，基坑在施加預(yù)應(yīng)力情況下，墻頂位移朝向基坑外側(cè)，到基坑開挖深度約 14 m，即坑底上 1 m～2 m處，地下連續(xù)墻向坑內(nèi)位移到達(dá)最大，數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果與測(cè)斜監(jiān)測(cè)結(jié)果分布規(guī)律基本一致。

圖6 基坑開挖到坑底后地下連續(xù)墻水平位移計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果分布圖

從圖7基坑開挖到坑底后周邊地表沉降分布圖中可以看到，地表沉降最大值位于建筑物處，約為 16.7 mm，監(jiān)測(cè)結(jié)果為 15 mm；在內(nèi)支撐預(yù)應(yīng)力作用下，基坑開挖邊線處土體有少量隆起，周邊地表最大沉降量得到了很好的控制。

圖7基坑開挖到坑底后周邊地表沉降計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果圖

4 內(nèi)支撐預(yù)應(yīng)力在超深基坑開挖中的作用分析

從上節(jié)數(shù)值分析計(jì)算結(jié)果可知，內(nèi)支撐在基坑開挖過(guò)程中施加預(yù)應(yīng)力后，基坑變形較小，本節(jié)來(lái)對(duì)基坑內(nèi)支撐施加預(yù)應(yīng)力與否的效果進(jìn)行對(duì)比分析。

當(dāng)基坑開挖時(shí)內(nèi)支撐不施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，基坑開挖到坑底后位移分布云圖如圖8、圖9所示。

圖8 未施加預(yù)應(yīng)力開挖到坑底后水平位移分布云圖

圖9 未施加預(yù)應(yīng)力開挖到坑底后垂直位移分布云圖

為了更好地比較內(nèi)支撐施加預(yù)應(yīng)力與未施加情況下對(duì)基坑變形的影響，把兩種情況下基坑開挖到坑底后，地下連續(xù)墻水平位移和基坑周邊地表沉降曲線分別進(jìn)行對(duì)比，如圖10、圖11所示。

從圖10施加預(yù)應(yīng)力與否連續(xù)墻水平位移分布對(duì)比圖中，可知內(nèi)支撐不施加預(yù)應(yīng)力后，地下連續(xù)墻變形有著明顯增加，不過(guò)最大水平位移位置與施加預(yù)應(yīng)力時(shí)相同。

從圖11施加預(yù)應(yīng)力與否地表沉降分布對(duì)比圖中可知，內(nèi)支撐不施加預(yù)應(yīng)力后，地表沉降有著明顯增加，不過(guò)最大沉降位置與施加預(yù)應(yīng)力時(shí)相同。

圖10 施加預(yù)應(yīng)力與否連續(xù)墻水平位移分布圖

圖11施加預(yù)應(yīng)力與否地表沉降分布圖

施加預(yù)應(yīng)力對(duì)基坑變形的影響對(duì)比分析 表4

從表4施加預(yù)應(yīng)力對(duì)基坑變形的影響對(duì)比分析中可以發(fā)現(xiàn)，基坑內(nèi)支撐施加預(yù)應(yīng)力后，基坑變形(水平位移和地表沉降)可以減少約1/3；基坑內(nèi)支撐施加預(yù)應(yīng)力不改變基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊沉降的變形形態(tài)(變形分布曲線)，與不施加預(yù)應(yīng)力的支護(hù)形式的變形機(jī)理基本一致。對(duì)于周邊建(構(gòu))筑物密集、周邊環(huán)境嚴(yán)峻的基坑，施加預(yù)應(yīng)力是一個(gè)很好的控制基坑運(yùn)行期間變形的措施。

5 結(jié) 論

(1)一級(jí)階地一般黏性土典型地層超深基坑施加預(yù)應(yīng)力后，支護(hù)體系最大水平位移?？煽刂圃?‰～2‰這種較小的范圍內(nèi)，最大沉降與最大水平位移比較接近，且沉降影響較大的范圍約為1.5H(H為基坑開挖深度)。

(2)施加預(yù)應(yīng)力對(duì)基坑變形的影響對(duì)比分析中可以發(fā)現(xiàn)，基坑內(nèi)支撐施加預(yù)應(yīng)力后，基坑變形(水平位移和地表沉降)可以減少約1/3，對(duì)于周邊建(構(gòu))筑物密集、周邊環(huán)境嚴(yán)峻的基坑，施加預(yù)應(yīng)力是一個(gè)很好的控制基坑運(yùn)行期間變形的措施。

(3)超深基坑由于其重要性，支護(hù)剛度通常較大，加上內(nèi)支撐施加了預(yù)應(yīng)力，對(duì)控制基坑變形的能力較強(qiáng)，支護(hù)體系側(cè)土體應(yīng)力分布規(guī)律和未施加預(yù)應(yīng)力的基坑有所不同，其應(yīng)力分布規(guī)律和變形機(jī)理有待進(jìn)一步研究。