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        不同支護(hù)形式在地鐵車站基坑中分段應(yīng)用的變形特征分析

        2020-01-02 08:35:44王力瑋申洋穆保崗
        特種結(jié)構(gòu) 2019年6期
        關(guān)鍵詞:圍護(hù)結(jié)構(gòu)灌注樁斷面

        王力瑋 申洋 穆保崗

        (1.中鐵上海工程局集團(tuán)華海工程有限公司 201101;2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 武漢430063;3.東南大學(xué)土木工程學(xué)院 南京211189)

        引言

        現(xiàn)有地鐵車站基坑通常為狹長(zhǎng)型,大多情況下為順作開(kāi)挖后施工地下主體結(jié)構(gòu)。在有些情況下,當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件差異較大、地面交通狀況限制條件嚴(yán)苛?xí)r,會(huì)分段采用地連墻、鉆孔灌注樁及其它多種支護(hù)形式。對(duì)于基坑開(kāi)挖造成地表沉降,Peck[1]曾結(jié)合多個(gè)基坑工程的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),為基坑開(kāi)挖問(wèn)題做出開(kāi)創(chuàng)性研究。Wang等[2]研究了上海地區(qū)采用不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑的變形性狀。張德富等[3]通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了蘇州地鐵1 號(hào)線車站基坑的變形性狀,給出了三種典型圍護(hù)結(jié)構(gòu)-地連墻、咬合樁和SMW 圍護(hù)樁的側(cè)移、墻后地表沉降變化范圍及平均值。廖少明等[4]收集了蘇州地區(qū)11 個(gè)采用鉆孔灌注樁圍護(hù)、順作法施工的方形基坑及23 個(gè)采用地連墻圍護(hù)的長(zhǎng)條形地鐵車站基坑的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)比分析了蘇州地區(qū)采用不同擋土結(jié)構(gòu)、不同形狀的大尺度深基坑的變形性狀。但現(xiàn)有研究中關(guān)于狹長(zhǎng)型基坑分段應(yīng)用多種支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形的總結(jié)分析尚不多見(jiàn)。

        本文依托實(shí)際工程項(xiàng)目,選取了集800mm厚地連墻明挖段、800mm 厚地連墻逆作段、φ1000mm@1200 灌注樁明挖段三段于一體的黏性土中狹長(zhǎng)型基坑。對(duì)依托工程的實(shí)際開(kāi)挖情況及監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行介紹,選取典型位置,分析了該基坑中不同區(qū)段支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形差異。

        1 工程概況

        依托工程為江蘇無(wú)錫惠山古鎮(zhèn)站地鐵車站基坑,屬于無(wú)錫地鐵4 號(hào)線一期工程?;涌v向長(zhǎng)度約470m,平均寬度約20m,屬于典型的狹長(zhǎng)型基坑。基坑標(biāo)準(zhǔn)段深度約16m,盾構(gòu)井段深度18.2m。

        該地鐵車站場(chǎng)地上覆軟弱土層,下伏中風(fēng)化石英砂巖。由于基坑縱向長(zhǎng)度大,各層土埋深在縱向上差異明顯,尤其在基坑南端頭位置下伏巖層淺埋,縱向地質(zhì)剖面見(jiàn)圖1。在縱向基坑分為明顯的兩段,其中一段巖層埋藏深度較深,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800mm 厚地連墻;另一段巖層埋藏深度較淺,采用鉆孔樁+ 旋噴樁止水帷幕的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

        表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and mechanical index of soil

        此外,在古華山路和龍光路交叉路口位置,為快速恢復(fù)交通,采用了逆作法,即先施工主體結(jié)構(gòu)頂板,頂板澆筑完成后回填并快速恢復(fù)道路。地層分層情況見(jiàn)表1。

        如圖2所示,狹長(zhǎng)型基坑縱向上分為 3 段:800mm 厚地連墻明挖段、800mm厚地連墻逆作段、φ1000mm @1200 灌注樁明挖段。三段設(shè)計(jì)剖面分別如圖3、圖4所示。

        逆作基坑先施做地連墻,后澆筑逆作頂板并作為水平支撐,繼而開(kāi)挖至預(yù)定深度,開(kāi)挖完成后迭合施做主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻。

        圖1 縱向地質(zhì)剖面示意Fig.1 Schematic diagram of longitudinal geological section

        圖2 基坑平面(單位:m)Fig.2 Foundation pit plane(unit:m)

        圖3 地連墻(灌注樁)明挖段支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面Fig.3 Section of diaphragm wall (cast-in-place pile)open excavation section

        圖4 逆作段支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面Fig.4 Section of support structure in reverse working section

        2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

        2.1 監(jiān)測(cè)方案

        為掌握施工中基坑自身變形及對(duì)周邊環(huán)境的影響,對(duì)依托工程進(jìn)行了諸多因素監(jiān)控:地連墻頂水平位移、地連墻深層水平位移、地表沉降、支撐軸力、周邊建筑位移及裂縫。本文僅分析地連墻水平位移、地表沉降兩項(xiàng)直接測(cè)量數(shù)據(jù),來(lái)分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形特性。

        由于基坑長(zhǎng)度較大,相應(yīng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)繁多,根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)分段,選取部分典型截面如圖5所示,監(jiān)測(cè)斷面位置如圖2所示。其中,斷面1(對(duì)應(yīng)實(shí)際工程的43 軸)采用地連墻+內(nèi)支撐支護(hù)。斷面2(對(duì)應(yīng)實(shí)際工程的48 軸)采用地連墻逆作法支護(hù)。斷面3(對(duì)應(yīng)實(shí)際工程的52 軸)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐支護(hù)。

        圖5 監(jiān)測(cè)斷面布置示意Fig.5 Layout of monitoring section

        2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

        現(xiàn)有的大量數(shù)據(jù)表明,圍護(hù)結(jié)構(gòu)沿墻身的測(cè)斜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性影響因素眾多,實(shí)際獲得的監(jiān)測(cè)結(jié)果與計(jì)算變形趨勢(shì)有一定出入。為保證數(shù)據(jù)真實(shí)性及完整性,此處保留了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的原有格式,即時(shí)間-位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系,分析一定時(shí)間段內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的趨勢(shì)。

        1.明挖區(qū)地連墻水平位移

        圖6a 所示為明挖段內(nèi)支撐基坑地連墻側(cè)向變形趨勢(shì),已完成表層土開(kāi)挖及混凝土支撐澆筑,并于 2018年 10月 10日開(kāi)挖第一層土,10月22日完成第一層8m 土方開(kāi)挖并架設(shè)第二道支撐,11月1日完成16m 深度的土方開(kāi)挖。

        數(shù)據(jù)顯示:10月10日地連墻頂部已有1mm的懸臂式變形。此時(shí)未澆筑混凝土支撐,首先開(kāi)挖深度為2m 的表層土,墻體發(fā)生無(wú)支撐懸臂式變形,表現(xiàn)為地連墻上部繞前趾向坑內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在澆筑完成混凝土支撐后,地連墻變形模式轉(zhuǎn)換為支撐作用下的墻體柔性變形。10月10日到10月22日,隨著基坑開(kāi)挖,地連墻向坑內(nèi)方向產(chǎn)生水平位移。數(shù)據(jù)顯示,地連墻水平位移的增大在2m深度受到約束,且在0 到5m 深度區(qū)間內(nèi),2m 位置為變形曲線極值點(diǎn),混凝土支撐位于2m 深度,可認(rèn)為支撐與坑底對(duì)于地連墻的水平約束作用較大,使墻體發(fā)生中間大、上下小的柔性變形。

        根據(jù)圖6b,與之對(duì)應(yīng)的另一側(cè)地連墻變形,同樣存在向坑內(nèi)的位移,且2m 深度點(diǎn)有支撐的約束效應(yīng)。對(duì)比圖6a和6b曲線可知,2018年10月 22日至 11月 1日,斷面 1 北側(cè)地連墻 2m深度表現(xiàn)的是水平位移明顯受到約束,而同時(shí)南側(cè)地連墻2m 深度的水平位移表現(xiàn)的依然向坑內(nèi)持續(xù)增加,該斷面的趨勢(shì)是整體向基坑北側(cè)移動(dòng)。

        本文數(shù)據(jù)初步說(shuō)明,使用對(duì)撐的狹長(zhǎng)型基坑,即使兩側(cè)設(shè)計(jì)工況完全相同,受到不同地質(zhì)條件、施工條件和周邊環(huán)境的影響,實(shí)際的變形并不完全對(duì)稱,基坑兩側(cè)變形的不對(duì)稱性通過(guò)支撐傳遞并協(xié)調(diào)變形。

        2.逆作區(qū)地連墻水平位移

        圖7a、b 所示為逆作斷面南北兩側(cè)地連墻變形曲線。兩者表現(xiàn)也不完全對(duì)稱,北側(cè)變化屬于逐漸增加后穩(wěn)定,而南側(cè)則是末期觀測(cè)數(shù)據(jù)稍有突變。數(shù)據(jù)顯示,北側(cè)地連墻向坑內(nèi)最大值為9.32mm,最大值深度為14m;南側(cè)地連墻向坑內(nèi)最大值9.43mm。從北側(cè)地連墻變形曲線可以看出:0m、2.5m、5m 及 8m深度位置存在水平約束。根據(jù)工程實(shí)際情況,可認(rèn)為是剛性混凝土路面、1000mm×1000mm 混凝土冠梁、逆作頂板及鋼支撐坑底約束了地連墻的水平位移。

        圖6 斷面1 明挖區(qū)地連墻側(cè)向變形Fig.6 Lateral deformation of diaphragm wall in open cut area of section 1

        圖7 斷面2 逆作區(qū)地連墻側(cè)向變形Fig.7 Lateral deformation of diaphragm wall in reverse working area of section 2

        對(duì)比明挖地連墻及逆作地連墻開(kāi)挖變形,以圖6a 與圖7a 為例,發(fā)現(xiàn)明挖基坑與逆作基坑地連墻變形的最大值較為相近,但逆作基坑最大值深度約為14m,明挖段基坑最大值深度 10m。由數(shù)據(jù)形態(tài)可知,圖6a 明挖基坑地連墻水平變形曲線形態(tài)豎向更為均勻,呈中間大、上下小的趨勢(shì),而圖7a 逆作基坑地連墻變形曲線呈現(xiàn)8m 以上緩慢發(fā)展、8m 以下迅速增加的變形特征。

        顯示在基坑底部約束剛度比較接近的情況下,逆作法段基坑上部剛度較大的水平支撐(頂板)限制了豎向圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部的水平位移,使最大水平位移值點(diǎn)位置向下轉(zhuǎn)移。

        3.明挖區(qū)灌注樁水平位移

        圖8給出了鉆孔灌注樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。自2018年10月26日起始開(kāi)挖至11月 17日開(kāi)挖完成,北側(cè)灌注樁的水平位移最大值為5.918mm,最大值深度為7.0m,南側(cè)灌注樁的水平位移最大值為6.025mm,最大值深度為6m。斷面3 灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移值小于斷面1 的最大位移值。

        此外,地連墻最大位移值發(fā)生在 10.5m 深度處,灌注樁最大位移值發(fā)生在6m~7m深度處。變形曲線特征不同,地連墻變形值呈中間大兩側(cè)小的形狀,而斷面3 的灌注樁變形呈上部大、圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體平移的趨勢(shì)。這是由于斷面3 的灌注樁等效抗彎剛度大于地連墻,灌注樁發(fā)生剛性變形的趨勢(shì)更大。

        根據(jù)圖9數(shù)據(jù),地連墻底位移始終在0~1.7mm 區(qū)間內(nèi)移動(dòng),且坑底深度16m 以下,地連墻變形在開(kāi)挖后4 天的10月 14日即趨于收斂;相比之下,10月 26日至 11月 25日,鉆孔灌注樁底始終向坑內(nèi)移動(dòng),其中,10月 30日至 11月 6日,樁頂位移約 2mm,樁底位移約1.8mm,灌注樁發(fā)生了整體偏移。整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中,灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)坑底深度16m 以下與坑底以上的變形增量接近。

        圖8 斷面3 明挖區(qū)灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形Fig.8 Lateral deformation of cast-in-place pile in open excavation area of section 3

        圖9 明挖區(qū)地連墻段與灌注樁段圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形Fig.9 Deformation of retaining structure of diaphragm wall section and cast-in-place pile section

        可以認(rèn)為,相比于地連墻,鉆孔灌注樁具有圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部向坑內(nèi)平移的特點(diǎn)。

        2.3 地表沉降變形分析

        地表沉降量作為地鐵施工監(jiān)測(cè)中可以直接獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)評(píng)估地鐵基坑施工產(chǎn)生基坑變形及周邊所受影響有重要價(jià)值。

        統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),地表沉降具有兩種典型變形特征。如圖10a 為800m 地連墻明挖基坑地表沉降變化曲線。數(shù)據(jù)顯示,各個(gè)日期的地表沉降曲線均在距離側(cè)墻5m 位置下沉最大,其中,該點(diǎn)在2018年10月12日累計(jì)沉降值為7.335mm,為所示時(shí)間段內(nèi)沉降最大值。距離側(cè)墻 2m、5m、10m、18m、26m 的平均累計(jì)沉降量為-2.904mm、-5.812mm、-4.565mm、-4.251mm、-0.888mm。

        數(shù)據(jù)表明,隨離基坑距離增加,地表沉降呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),且現(xiàn)有的5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),距離側(cè)墻5m 位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)具有最大的沉降值。

        圖10b 為逆作斷面沉降變形曲線,數(shù)據(jù)選取同地連墻變化的相應(yīng)時(shí)間段。數(shù)據(jù)顯示,2018年10月26日,沉降值呈中間大、靠近及遠(yuǎn)離基坑的位置沉降小的趨勢(shì)。隨開(kāi)挖進(jìn)行,距離基坑最近的2m 位置點(diǎn)沉降速度加快,并在整體沉降曲線趨勢(shì)上呈現(xiàn)“S”型。所示數(shù)據(jù)中,距基坑2m、5m、10m、18m、26m 位置點(diǎn)對(duì)應(yīng)的沉降平均值分別為-0.36mm、0.87mm、0.2mm、-1.67mm、-0.45mm??梢园l(fā)現(xiàn),沉降平均最大的點(diǎn)為距基坑18m 位置。

        圖10c 所示為灌注樁沉降變形曲線,變形趨勢(shì)與地連墻段基坑外地表沉降規(guī)律相同。結(jié)合圖10a~圖10c 發(fā)現(xiàn),對(duì)于明挖基坑如地連墻及灌注樁明挖基坑,沉降趨勢(shì)符合隨離基坑距離的增加先增大后減小的規(guī)律,但逆作基坑與該變形趨勢(shì)存在差異。

        考慮到逆作區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移在頂板以上受到限制,靠近基坑邊緣的土體沉降受到約束,距離基坑一定距離位置沉降才開(kāi)始逐漸增大??梢哉J(rèn)為,逆作法中,由于水平位移特征的不同,導(dǎo)致了地表沉降的變形趨勢(shì)區(qū)別于明挖基坑。

        圖10 地表沉降曲線Fig.10 Surface settlement curve of

        3 結(jié)論

        基于無(wú)錫地鐵4 號(hào)線惠山古鎮(zhèn)站依托工程,根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的不同選取了地連墻明挖斷面、地連墻逆作斷面、灌注樁明挖斷面3 個(gè)斷面類型進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。分析結(jié)果如下:

        1.逆作基坑的變形特性

        逆作段支護(hù)斷面變形特征區(qū)別于明挖段支護(hù)結(jié)構(gòu)。由于逆作法施工上部剛度較大的水平支撐對(duì)地連墻的水平位移存在強(qiáng)力約束作用,逆作基坑地連墻變形曲線呈現(xiàn)上部的水平位移緩慢發(fā)展,以下迅速增加的變形特征。

        相比較明挖段,逆作法段周邊地表沉降值最大點(diǎn)更加遠(yuǎn)離基坑開(kāi)挖面,并在整體沉降曲線趨勢(shì)上呈現(xiàn)“S”型。

        2.鉆孔灌注樁、地連墻變形對(duì)比

        采用分段支護(hù)的地鐵車站基坑,鉆孔灌注樁的水平位移主要發(fā)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部,而地連墻水平位移則呈現(xiàn)中間大、兩端小的趨勢(shì)。上述特征主要與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的線剛度和地質(zhì)條件有關(guān)。

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