王正慶　李曉曉　姜永濤　陳康　郭運(yùn)華

摘要：武漢地鐵11號(hào)線光谷五路站是典型的深長基坑，運(yùn)營超過la，實(shí)施安全監(jiān)測及分析監(jiān)測數(shù)據(jù)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐安全的控制至關(guān)重要?；诂F(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，研究了基坑圍護(hù)樁頂水平變形的形成機(jī)制及分布規(guī)律，揭示了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以受溫度的年度波動(dòng)影響為主、施工影響引起的變形為輔，基坑變形的空間效應(yīng)只存在于施工引起的變形部分，而溫度變動(dòng)引起的變形無空間效應(yīng)。研究結(jié)果表明，基坑的設(shè)計(jì)、計(jì)算及變形控制指標(biāo)的擬定均不可忽視溫度變化的影響。擬定基坑變形控制設(shè)計(jì)及基坑監(jiān)控指標(biāo)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮溫度影響，其次考慮空間效應(yīng)的影響。

關(guān)鍵詞：基坑圍護(hù)樁變形;溫度變化;變形監(jiān)測;深基坑;地鐵工程

中圖法分類號(hào)：TU753

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.10.007

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)飛速發(fā)展，截至2016年末，共有58個(gè)城市的城軌線網(wǎng)規(guī)劃獲批（含地方政府批復(fù)的14個(gè)城市），在建線路約5 637km，規(guī)劃線路總長達(dá)7 305.30 km，可研批復(fù)投資累計(jì)約34 995億元。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，有軌道交通的北京、天津、上海、武漢、長春、大連、深圳、重慶、南京、杭州在建設(shè)過程中都曾發(fā)生過基坑工程事故[1]。其中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐失效占事故原因的75%，這些事故中，施工原因占據(jù)了82%。安全監(jiān)測的實(shí)施及監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析是施工過程中對圍護(hù)結(jié)構(gòu)和支撐安全控制的重要一環(huán)。

目前，主要依靠監(jiān)控指標(biāo)來判斷基坑圍護(hù)和支撐結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)，而變形監(jiān)控指標(biāo)主要來源于工程經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論解釋，且各地標(biāo)準(zhǔn)不同，具體實(shí)施中還存在模糊性和不確定性。JGJ 120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[2]對監(jiān)測項(xiàng)目、方法、頻次做了具體規(guī)定，但沒有涉及監(jiān)控指標(biāo)。GB 50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》對不同安全等級(jí)的基坑采用絕對位移值、相對基坑深度的控制值及變化速率3個(gè)指標(biāo)來作為預(yù)警參考值[3]。DB 42/T159-2012《湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)：基坑工程技術(shù)規(guī)程》規(guī)定基坑支護(hù)工程監(jiān)測項(xiàng)目的報(bào)警值應(yīng)由基坑設(shè)計(jì)方確定，并對不同安全等級(jí)的基坑給出了變化速率和累計(jì)值兩個(gè)指標(biāo)作為參考[4]。

已有研究表明，溫度的變化會(huì)對深基坑支護(hù)內(nèi)力及基坑變形產(chǎn)生影響。向艷[5]研究了武漢某基坑的地連墻加鋼筋混凝土內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，認(rèn)為當(dāng)溫度從30 ℃增加到37℃時(shí)，內(nèi)支撐的軸力增幅達(dá)41%，冠梁水平位移有較明顯的降低;當(dāng)溫度降低時(shí)，冠梁頂水平位移增加，且坑壁外側(cè)土體的水平位移變化明顯滯后于地連墻的位移變化。劉暢等[6]對長178 m，寬148 m的深大基坑的16個(gè)月的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，環(huán)梁支撐軸力隨溫度升高而增大，影響趨勢顯著;溫度降低階段，圍護(hù)樁明顯向坑內(nèi)移動(dòng)。楊歡歡等[7]采用有限元分析了太原地鐵中心街西站基坑工程，認(rèn)為支撐軸力隨溫度改變呈線性變化，第3道支撐的溫度敏感性大于前兩道，受溫度的影響最大。王曉偉等[8]分析了廣州市軌道交通三號(hào)線梅花園站基坑監(jiān)測結(jié)果，認(rèn)為地下連續(xù)墻水平位移最大值較大，變形值受土體性質(zhì)、天氣（主要為降水）、開挖、加撐等影響顯著，且地面超載對地面沉降影響不容忽視。鄭剛等[9]認(rèn)為溫度的影響是溫差作用下支撐、圍護(hù)樁（墻）和土體三者之間的變形協(xié)調(diào)問題，并據(jù)此提出了考慮圍護(hù)樁、支撐和土體之間相互作用的估算水平支撐溫度應(yīng)力的近似簡化分析方法。徐中華等[10]提出了依據(jù)基坑周邊環(huán)境的附加變形能力反推基坑工程的變形控制指標(biāo)和通過地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)確定監(jiān)控指標(biāo)兩種方法。 本文根據(jù)武漢地鐵11號(hào)線光谷五路站深基坑實(shí)測數(shù)據(jù)，通過分離溫度與施工過程影響及空間效應(yīng)，揭示深基坑位移增長的內(nèi)在機(jī)制，為位移監(jiān)控指標(biāo)研究提供依據(jù)。

1 工程概況

1.1 基坑及支撐結(jié)構(gòu)布置

光谷五路站位于武漢市東湖新技術(shù)開發(fā)區(qū)光谷五路與神墩一路交匯處。場地地面標(biāo)高在37.50 - 44.20 m之間（以孔口標(biāo)高計(jì)），地勢有一定的起伏，地貌單元屬剝蝕堆積壟崗區(qū)（相當(dāng)于長江沖洪積III級(jí)階地區(qū)）。車站主體基坑長241.33 m，寬56 m，深26 m，中部基槽深達(dá)32 m?；影踩燃?jí)為一級(jí)，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)1.0。車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 200@1 800 mm鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐方案，內(nèi)支撐體系由冠梁、三道混凝土支撐、混凝土腰梁組成。冠梁采用尺寸為1 200 mmxl 000 mm鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，冠梁高程37 m，頂部采用1：1放坡形式過渡至自然地表高程，三道鋼筋混凝土內(nèi)支撐尺寸為1 000 mmx800 mm，設(shè)置高程分別為37，28 m和21.5 m，基坑長邊中部基槽寬26.4 m，放坡1：0.5開挖至高程10.5 m，基槽內(nèi)另外布置斜拋鋼構(gòu)支撐。

1.2 工程地質(zhì)條件

（1）素填土（地層代號(hào)（1—2））。黃褐～褐灰～褐紅色，以粉質(zhì)黏土為主，軟～可塑～硬塑狀態(tài)，高壓縮性，下部為黏性土夾磚塊、碎石等組成，硬雜質(zhì)含量在25%以下，堆積年限一般少于10 a。埋深0.0 - 1.0 m，層厚0.3 - 2.8 m，場地大部分地段有分布。

（2）黏土（Q3al+pl）（地層代號(hào)（10-2》。黃褐～褐紅色，硬塑，很濕，中～低壓縮性，含鐵錳氧化物、結(jié)核及團(tuán)塊狀高嶺土。層頂埋深為0.0 - 5.0 m，層厚約為2.0 - 10.5 m。場地沿線均有分布。

（3）強(qiáng)風(fēng)化泥巖（地層代號(hào)（20a-l））。黃褐色～淺綠灰，泥質(zhì)膠結(jié)，手捏或水浸易散，巖芯大部分風(fēng)化成硬土狀，局部層理可見且夾未完全風(fēng)化巖塊，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。埋深7.8～13.8 m，厚度0.3 -5.8m。場地沿線絕大部分地段有分布。

（4）中風(fēng)化泥巖（地層代號(hào)（20a-2））。黃褐～灰褐～灰色，巖芯主要呈柱狀、碎塊狀，局部夾少量碎屑狀，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀，傾角在45度-70度，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，層中夾粉砂質(zhì)泥巖，采取率約60%，巖芯較完整，屬于軟巖～極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅵ-V類。層頂埋深為5.7 - 18.6 m，揭露該層最大厚度為45.4 m。場地沿線均有分布。

1.3 施工過程

采用明挖順做法施工，即依次開挖土體并設(shè)置支撐至基底后回筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)。先施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)的鉆孔灌注樁，待鉆孔樁達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度100%后，再進(jìn)行基坑開挖、支撐、回筑施工。開挖作業(yè)自2015年12月10日開始第一層開挖，12月20日開始第二層支撐澆筑，12月25日開始第二層開挖，2016年3月下旬全部開挖完成。

1.4 研究區(qū)的監(jiān)測儀器布置

由于基坑總體上為對稱的長方體，因此選取其1/4部分研究開挖及工作期間的變形響應(yīng)規(guī)律，監(jiān)測設(shè)備布置如圖1所示。

圖1中，TP為位移監(jiān)測點(diǎn)，包括水平位移及沉降位移;IN為測斜管;EM為沉降監(jiān)測點(diǎn);R為內(nèi)支撐軸力測點(diǎn)。

2 基坑在開挖期與工作期變形響應(yīng)規(guī)律

2.1 圍護(hù)樁頂水平位移

實(shí)測圍護(hù)樁頂水平位移見圖2，其中負(fù)號(hào)代表向基坑內(nèi)位移。

水平位移的特點(diǎn)有：①所有測點(diǎn)位移高峰值均出現(xiàn)在2016年8月，為向坑外位移。其中TP3、TP7、TP8同時(shí)達(dá)到最大值16.5-17.2 mm，明顯高于其他測點(diǎn)。②開挖初期階段，TP2、TP4、TP5、TP6有一個(gè)明顯的峰值遞減向坑內(nèi)變形的過程。后期逐漸過渡到向坑外變形。

測斜管實(shí)測變形趨勢與相應(yīng)位置水平位移測點(diǎn)的實(shí)測值基本一致，差異主要為測斜管最高測點(diǎn)在樁頂以下0.5 m深處，而外部變形觀測點(diǎn)在樁頂，二者實(shí)測變形值基本可以相互驗(yàn)證，如圖3所示。

2.2 立柱垂直位移與混凝土內(nèi)支撐軸力關(guān)系

圖4為立柱垂直位移與混凝土內(nèi)支撐軸力關(guān)系，立柱垂直位移以沉降為負(fù)，兩處沉降趨勢一致，但靠近基坑延伸方向中部的測點(diǎn)波動(dòng)幅值更大。鋼立柱的沉降與相應(yīng)混凝土內(nèi)支撐軸力存在顯著的負(fù)相關(guān)性，表現(xiàn)為支撐軸力增大的同時(shí)，立柱沉降增加。

3 基坑圍護(hù)樁頂變形機(jī)制

3.1 變形影響因素

將監(jiān)測時(shí)段日最高溫度及對應(yīng)時(shí)段的典型樁頂水平位移（TP9）、立柱沉降（EM2）統(tǒng)計(jì)如圖5所示，并對實(shí)測曲線做上下包絡(luò)線，分別稱為波動(dòng)的上限和下限，上限和下限平均值形成的過程曲線稱為均線，也就是實(shí)測值的擬合曲線。

分析圖5的對比關(guān)系，可以得出以下規(guī)律：①圍護(hù)樁頂位移增長過程受年度溫度波動(dòng)因素和與混凝土內(nèi)支撐作用相關(guān)的施工因素影響;②溫度波動(dòng)對位移的影響存在滯后效應(yīng)，但一個(gè)年度循環(huán)后，滯后效應(yīng)逐漸降低;③氣溫及樁頂位移的波動(dòng)有明顯的上下限;④樁頂水平位移在波動(dòng)上下限內(nèi)的高頻跳動(dòng)與立柱沉降的跳躍過程相對應(yīng)，體現(xiàn)了施工活動(dòng)的影響。

3.2 溫度及施工過程對位移波程的影響

分析樁頂水平位移過程均線與溫度過程均線，二者之間滿足如下關(guān)系：

T-D=8.177xsin（-0.016 t-1.195）+16.15 （1）式中，D為樁頂水平位移均線值，mm;T為溫度均線值，℃;f為自2015年11與30日起的觀測時(shí)長，d。位移均線、溫度均線與二者差值見圖6。

圍護(hù)樁頂水平位移實(shí)測值偏離均值線的程度與立柱沉降實(shí)測值及其均值線的偏離程度的關(guān)系見圖7。顯然，水平位移與立柱沉降的短期波動(dòng)過程在時(shí)間上一致，由于開挖過程與立柱沉降有直接關(guān)系，水平位移的短期波動(dòng)過程可以通過立柱沉降的短期波動(dòng)來對比分析。

因此，圍護(hù)樁頂水平變形的年度波動(dòng)由式（1）確定的年度溫度特征決定，同時(shí)存在與施工過程相關(guān)的高頻波動(dòng)。

3.3 樁頂水平位移在空間上的分布特征

自基坑短邊起，沿長度方向分別選取樁頂水平位移測點(diǎn)，通過對全過程的實(shí)測值進(jìn)行均線分析和上下限分析，對實(shí)測圍護(hù)樁頂水平位移的波動(dòng)特征統(tǒng)計(jì)如表1所示。

從年度波動(dòng)的幅值特征看，不同距離上的幅值較為集中，沒有明顯的規(guī)律，這說明直接受溫度影響的年度波動(dòng)幅值無空間效應(yīng)，但與施工過程相關(guān)的短周期波動(dòng)上下限差則帶有空間效應(yīng)特征，具體表現(xiàn)為越靠近基坑中部，上下限差值越大。

4 結(jié)語

根據(jù)上述研究，武漢11號(hào)地鐵線光谷五路站深基坑圍護(hù)樁頂水平位移、立柱沉降、混凝土支撐軸力的影響因素包括年度溫度波動(dòng)及施工過程。施工過程引起的短周期波動(dòng)幅度約為年度波動(dòng)的30%-80%。

選取la的低溫期為開挖施工、支護(hù)作業(yè)階段是合適的，可利用溫度升高過程引起的支撐軸力增加提高基坑抗變形能力。

立柱沉降監(jiān)測直接體現(xiàn)了施工過程影響及溫度周期波動(dòng)，對分析圍護(hù)樁變形趨勢及變形突變非常有幫助，建議重視立柱沉降的監(jiān)測。

對實(shí)測值的空間分布特征分析表明：長周期的年度波動(dòng)影響無空間效應(yīng)，空間效應(yīng)僅與施工活動(dòng)相關(guān)。因此，當(dāng)采用數(shù)值分析方法模擬計(jì)算基坑變形穩(wěn)定問題時(shí)，必須考慮溫度波動(dòng)的影響。擬定基坑變形控制設(shè)計(jì)及基坑監(jiān)控指標(biāo)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮溫度影響，其次考慮空間效應(yīng)的影響。

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（編輯：李慧）