魏金勝, 鄭立寧

(1. 重慶兩江新區(qū)蔡家組團管委會，重慶 401147; 2. 中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司, 四川成都 610052； 3. 中建地下空間有限公司, 四川成都 610073)

城市建筑用地緊張化與地鐵建設(shè)的趨勢化是制約我國城市規(guī)模急需擴大的一大矛盾。城市基坑開挖深度可達20～30 m，基坑場地緊湊，甚至緊貼用地紅線，經(jīng)常會在已建地鐵周圍進行深基坑開挖工程[1]。而膨脹土作為廣泛分布且工程危害嚴重的特殊土，臨地鐵側(cè)膨脹巖土深基坑工程則更為常見。如武漢地鐵二號線光谷廣場站深基坑工程，基坑鄰近地鐵僅6 m[2]；又如本文所述基坑，開挖深度約23 m，距離地鐵最近2 m。鄰近地鐵的基坑工程施工必然會對已有地鐵工程造成一定的影響，需在工程建設(shè)期重點關(guān)注此類問題[3]。

目前，學(xué)者對一般性深基坑開挖時對既有地鐵設(shè)施的影響開展了較多的研究，采用的方法為現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗和數(shù)值計算等手段，分別分析了上海軟土地區(qū)不同施工因素對在運營車站變形的影響[4]、蘇州軟土地區(qū)深基坑施工影響下地鐵車站的變形與受力情況[5]、廣州地區(qū)軟土基坑開挖對地鐵隧道的影響[6]；但是，針對膨脹土地區(qū)的基坑邊坡的研究，目前關(guān)注點仍只為工程地質(zhì)特性及其評價[7]、失穩(wěn)機理[8]、考慮膨脹壓力分布的基坑設(shè)計計算方法[9]等。針對臨地鐵側(cè)膨脹土深基坑邊坡變形控制方面，GB 50112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)程》[10]、DB 45T396-2007《廣西膨脹土地區(qū)勘察設(shè)計施工技術(shù)規(guī)程》[11]、DBJ 53T83-2017《云南膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)程》[12]中均未見到明確體現(xiàn)或相關(guān)要求，亦未明確臨地鐵側(cè)膨脹土深基坑邊坡變形規(guī)律。

本文針對臨地鐵側(cè)膨脹土深基坑邊坡工程，以“綠地中心·蜀峰468超高層項目”深基坑工程為例，在施工期間對基坑及周邊地鐵設(shè)施進行動態(tài)監(jiān)測。考慮膨脹土深基坑分層開挖對支護結(jié)構(gòu)及其鄰近地鐵設(shè)施的變形影響進行分析，同時開展數(shù)值模型計算分析膨脹土深基坑工程對臨近地鐵變形影響范圍，研究旨為類似工程的設(shè)計和施工提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

工程位于成都市驛都大道地鐵2號線洪河站A1和A2出口南側(cè)?；舆吔缃跖c地鐵線路走向平行，與A1出口相距僅2.0 m，與A2出口相距15.5 m，與通風(fēng)口相距10.52 m，與地鐵隧道相距約34 m(圖1)，該側(cè)基坑長約120 m，開挖深度為23.0～26.0 m。

D：樁身位移監(jiān)測點；DB：地表沉降監(jiān)測點；S：地鐵隧道監(jiān)測點圖1 基坑與地鐵位置關(guān)系

基坑支護方案采用排樁+三層內(nèi)支撐的復(fù)雜支護體系。第一層(開挖深度0 m)內(nèi)支撐采用兩種截面設(shè)計，分別為900 mm×700 mm與700 mm×700 mm，第二層(開挖深度8 m)與第三層(開挖深度16 m)內(nèi)支撐采用兩種截面設(shè)計，分別為1 400 mm×800 mm與800 mm×800 mm，整個內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)互相連接成為一個整體；基坑周圍分布鉆孔灌注支護樁共200根，樁長為30～34 m，樁徑1.2 m，樁間距1.5 m(圖2)。膨脹土深基坑工程對臨近地鐵變形影響研究2

圖2 基坑支護示意(單位：mm)

1.2 場地工程地質(zhì)條件

場地巖土體自上而下為第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)、第四系中、下更新統(tǒng)冰水沉積層(Q2-1fgl)和白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)泥巖構(gòu)成。場地巖性物理力學(xué)參數(shù)見表1。需要說明的是，成都地區(qū)降雨集中6～10月，膨脹土的濕度系數(shù)取0.89，大氣影響深度為3 m，大氣影響急劇深度為1.35 m。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 監(jiān)測方案設(shè)計

地鐵A1出入口位置距離基坑僅2.0 m，故在此側(cè)布設(shè)監(jiān)測斷面A-A，針對基坑開挖時支護結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律、基坑開挖時地鐵及其附屬結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律開展相關(guān)監(jiān)測工作，主要為：(1)地鐵及其附屬設(shè)施的變形控制監(jiān)測，包括：地表沉降監(jiān)測，地鐵隧道變形監(jiān)測；(2)基坑支護結(jié)構(gòu)監(jiān)測，為樁身位移監(jiān)測。監(jiān)測點位布設(shè)位置見圖1，監(jiān)測頻率見表2。

3 監(jiān)測結(jié)果分析

試驗樁施工完成后，在監(jiān)測年4月開始基坑施工第一層內(nèi)支撐，到監(jiān)測年12月底第三層內(nèi)支撐基本施工完畢。監(jiān)測結(jié)束時間為次年的11月份，A-A斷面共計監(jiān)測77次。

3.1 樁身水平位移

剖面A-A監(jiān)測樁樁身變形曲線如圖3所示，監(jiān)測樁樁身位移隨時間變化曲線如圖4所示。

圖3 樁身水平位移-深度曲線

圖4 樁身位移-開挖時間曲線

由圖3、圖4可見，開挖對樁身的變形影響較為顯著，第一次開挖8 m時最大變形達到5.86 mm，之后樁身變形由于降雨以及施工影響，處于總體緩慢增加的過程。當(dāng)?shù)诙油灵_挖時，樁頂總位移為11.03 mm，開挖120 d后達到16.24 mm，之后變形趨于穩(wěn)定。當(dāng)?shù)谌龑油灵_挖結(jié)束后樁頂位移達到24.72 mm，最大位移出現(xiàn)在15 m處，達到25.44 mm。顯而易見的是，第三層開挖的過程中，樁身24 m處由于土體開挖，出現(xiàn)明顯的變形增大趨勢。

值得注意的是，第三層開挖后，第二層內(nèi)支撐所在位置(樁身15 m)處變形也顯著增大，到開挖結(jié)束后的變形調(diào)整階段，其變形逐漸與樁頂位移接近。分析認為：由于有第一層與第二層內(nèi)支撐的存在。對于樁身位移具有一定約束作用，使該處樁身位移不再具有至樁頂位移越來越大的規(guī)律，而是第二層內(nèi)支撐以下呈現(xiàn)該規(guī)律，而第二層內(nèi)支撐與第一層內(nèi)支撐之間位移則逐漸接近。

3.2 基坑周圍地表位移

現(xiàn)場監(jiān)測的地表位移數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3可見，第一層開挖后大部分地表位移并不大，隆起位移占多數(shù)，地鐵A1出口位置，最大沉降位移為2.4 mm。除個別位置外，大部分位置位移并不明顯。第二層開挖后，大部分位移在第一層開挖的基礎(chǔ)上有一定增大，地鐵A1出口位置，最大沉降位移為7.1 mm，位于基坑右下側(cè)轉(zhuǎn)角外。第三層開挖后，地鐵A1出口位置，最大沉降位移為8.3 mm。

值得注意的是，在第二層與第三層開挖后，均有部分位移在隆起與沉降之間變化，也有位移隨著基坑開挖深度加深而減小，說明基坑實際地表位移并不是隨著開挖深度的加大而加大，實際地表位移的影響因素較多，受環(huán)境影響較大，如施工、荷載等，所以變化也較為復(fù)雜。但從總體變化規(guī)律可以看出，隨著基坑開挖深度的加深，地表位移逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐猿两滴灰茷橹?，且大部分隨著開挖越深，沉降位移越大。

表3 基坑周圍地表沉降值(每次開挖沉降量) mm

3.3 地鐵隧道位移

現(xiàn)場測試軌道位移見圖5?？梢姷罔F軌道的沉降變形隨著基坑開挖深度的加大而增大，為0.28～1.42 mm。基坑第三層開挖完后，地鐵軌道最大沉降位移為 1.42 mm，小于地鐵結(jié)構(gòu)變形的控制標準 20 mm，可見基坑開挖變形對地鐵結(jié)構(gòu)的影響較小，基坑開挖并未引起地鐵軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生較大位移，基坑支護結(jié)構(gòu)對地鐵軌道的變形控制作用明顯。

圖5 地鐵隧道位移-開挖階段曲線

4 基坑開挖對周邊環(huán)境影響范圍探討

通過數(shù)值計算的方法開展分析膨脹土深基坑分層開挖對周邊環(huán)境的影響范圍。

4.1 數(shù)值模型的建立

4.1.1 建立模型

根據(jù)工程條件，所建模型長×寬×高分別為225 m×187.4 m×50 m，其中基坑規(guī)模為105.8 m×123 m。模型自上而下有三層地層，其中0～12 m為黏土層，12～34 m為強風(fēng)化泥巖層，34～50 m為中風(fēng)化泥巖層。模型支護結(jié)構(gòu)依據(jù)設(shè)計方案進行模型。模型邊界向外擴展50 m，滿足一般數(shù)值模型中模型邊界距離計算基坑邊坡邊緣3倍以上樁徑的要求。模型大部分結(jié)構(gòu)采用實體單元，鉆孔灌注支護樁采用實體單元建立，所見基坑模型的平面圖參見圖1，地鐵隧道模型參見圖6。

圖6 地鐵隧道計算模型

模型中不同地層的物理力學(xué)指標按照表1選取。

4.1.2 邊界條件

模型施加的邊界條件為：(1)約束模型底部邊界上所有節(jié)點Z方向的變形；(2)約束模型Y方向兩側(cè)邊界面上的所有節(jié)點Y方向的變形；(3)約束模型X方向兩側(cè)邊界面上的所有節(jié)點X方向的變形。

4.1.3 計算過程

(1)采用天然狀態(tài)巖土體參數(shù)生成天然應(yīng)力；(2)采用強度折減巖土體參數(shù)，建立排樁、第一道內(nèi)支撐后開挖至第二道支撐底部 8.0 m 計算工況；建立第二道內(nèi)支撐后開挖至第三道支撐底部 15.5 m 計算工況；建立第三道內(nèi)支撐后開挖至基坑底部 23.5 m 計算工況。

4.2 數(shù)值計算結(jié)果可靠性分析

對數(shù)值計算結(jié)果和現(xiàn)場實測結(jié)果的差異性進行分析(表4)，兩者對考察點所得的最終數(shù)據(jù)較為接近，只是地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)有較大的差異?，F(xiàn)場監(jiān)測由于實體施工的影響會使周圍地表微微隆起，影響總體沉降，但是總體上以沉降為主，對比兩者可以見差異亦不顯著，差異多小于20 %，可以認為數(shù)值模擬計算結(jié)果效果較好，數(shù)值模擬計算結(jié)果可以用于后續(xù)對于開挖影響范圍的探討。

4.3 開挖影響范圍初探

提取基坑分層開挖過程中基坑周圍地表水平X向、水平Y(jié)向發(fā)生位移10 mm時的等直線圖，以明確膨脹土深基坑分層開挖對周邊環(huán)境的影響情況。

4.3.1 水平X向位移

每次開挖后，位移均集中在與X軸近乎垂直的臨空面附近(圖7)，呈現(xiàn)臨近開挖面較大，往遠處較小的特征，較大位移位于臨空面中部及中下部，呈發(fā)散放射狀。

第一層開挖后地表位移很小，位移集中區(qū)在15 m以內(nèi)；第二層開挖大部分區(qū)域位移集中在10 m以內(nèi)，較大位移仍集中在靠近地鐵側(cè)；第三層開挖后部分區(qū)域位移集中在5～10 m范圍內(nèi)，局部位移較大的趨勢仍然比較明顯，仍集中在靠近地鐵側(cè)。

表4 數(shù)值計算結(jié)果和現(xiàn)場實測結(jié)果的差異對比 mm

圖7 開挖過程中地表水平X向位移云圖(10mm處)

三次開挖過程中地鐵始終處于影響范圍內(nèi)，但是由于地鐵本身的支護結(jié)構(gòu)，對開挖的影響有一定抵御能力，發(fā)生變形并不明顯，使其保持在合理的范圍之內(nèi)。

4.3.2 水平Y(jié)向位移

由于開挖產(chǎn)生臨空面，受開挖面后土體的影響，Y方向主要位移出現(xiàn)在與Y軸垂直的臨空面上，呈現(xiàn)拋物線狀，中間大，向周圍擴散越來越小，符合開挖變形規(guī)律(圖8)。第二層開挖完成后變形10 mm區(qū)域集中鄰近地鐵5 m以內(nèi)，且位于基坑下方，第三層開挖后變形區(qū)域集在基坑上方亦有出現(xiàn)。但是，由于基坑支護結(jié)構(gòu)的控制，地鐵位置沒有明顯變形與位移。

圖8 開挖過程中地表水平Y(jié)向位移云圖(10mm處)

5 結(jié)論

本文對緊鄰地鐵側(cè)膨脹土深基坑分層開挖過程對已建地鐵設(shè)施的影響開展了現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果顯示：

(1)深基坑開挖采用的支護形式為排樁+三層內(nèi)支撐的復(fù)雜支護體系。支護樁樁身位移最大值隨開挖深度的增加而變大，三層開挖后最大值在20 mm左右，小于預(yù)警值，支護效果良好。

(2)距離基坑最近處(約2 m)的出入口A，其地表沉降最大值僅為8.3 mm，并未超過預(yù)警值；深基坑開挖對鄰近地鐵附屬設(shè)施的影響相對較小。

(3)地鐵軌道的沉降變形隨著基坑開挖深度的加大而增大，在 0.28～1.42 mm 之間，遠小于地鐵結(jié)構(gòu)變形的控制標準(20 mm)?；又ёo結(jié)構(gòu)對地鐵軌道的變形控制作用十分明顯。

(4)膨脹土深基坑分層開挖對與其平行一側(cè)的地鐵及其附屬設(shè)施(本例為水平X方向)影響較為明顯。三次開挖過程中地鐵始終處于影響范圍內(nèi)，呈現(xiàn)臨近開挖面較大，往遠處較小的特征，較大位移位于臨空面中部及中下部，呈發(fā)散放射狀。但是由于地鐵本身的支護結(jié)構(gòu)，對開挖的影響有一定抵御能力，發(fā)生變形并不明顯，使其保持在合理的范圍之內(nèi)。