王建勝

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司 北京 100018)

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，區(qū)域建筑密度越來(lái)越高，建筑建設(shè)過(guò)程對(duì)周邊區(qū)域及建筑影響越來(lái)越顯著[1]。基坑開(kāi)挖是建筑建設(shè)的基礎(chǔ)，操作不當(dāng)將對(duì)周邊建筑產(chǎn)生較大影響，造成地表與建筑物出現(xiàn)沉降[2]，當(dāng)沉降量達(dá)到一定值后，將導(dǎo)致地表或建筑物使用功能損傷，嚴(yán)重將造成經(jīng)濟(jì)損失或生命安全威脅。基于此，對(duì)基坑開(kāi)挖方法的研究成為建筑領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)[3]。

支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種針對(duì)建筑基坑采用的加固保護(hù)構(gòu)造[4]，能夠保障基坑開(kāi)挖與周邊環(huán)境的安全性，是基坑開(kāi)挖的重要組成部分。目前，普遍采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括樁、墻式支護(hù)結(jié)構(gòu)及實(shí)體重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)和組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)[5]。但這些支護(hù)結(jié)構(gòu)受到建筑規(guī)模的影響，其穩(wěn)定性有待加強(qiáng)。

自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種組合式支護(hù)結(jié)構(gòu)，其利用多種技術(shù)組合保障基坑安全的同時(shí)，還具有施工便捷、工期短、效益高、能耗低等優(yōu)勢(shì)，得到廣泛應(yīng)用，是當(dāng)前支護(hù)結(jié)構(gòu)中具有較大優(yōu)勢(shì)的支護(hù)結(jié)構(gòu)之一。自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)鋼支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，可在無(wú)支撐條件下進(jìn)行直立開(kāi)挖，既大幅降低材料消耗又能節(jié)省施工時(shí)間，同時(shí)無(wú)大量廢棄混凝土產(chǎn)生，具有綠色環(huán)保功效?；诖?，本文提出在自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)建筑基坑開(kāi)挖進(jìn)行研究，分析其對(duì)周邊環(huán)境的影響。

2 建筑基坑開(kāi)挖研究

2.1 工程概況

某地鐵車站采用雙層三跨側(cè)式站臺(tái)設(shè)計(jì)[6]，周邊存在大量建筑，車站基坑施工采用明挖與局部蓋挖法相結(jié)合的方式[7]。車站總長(zhǎng)與站臺(tái)寬度分別為308.5 m 和8.1 m ＋8.1 m，設(shè)有 A、B、C、D 四個(gè)出口。車站中心里程、起點(diǎn)里程、終點(diǎn)里程分別為DK18＋210.9、DK18＋060.1和 DK18＋369.7，站臺(tái)中心區(qū)域頂板覆土厚2.7 m。

2.2 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑與盾構(gòu)井段基坑的深度與寬度分別為(16.5×30.9)m和(17.2×20.0)m，整體面積達(dá)8 602.7 m2。首先對(duì)蓋挖段進(jìn)行開(kāi)挖，以該區(qū)域?yàn)橹鬟M(jìn)行后續(xù)研究。

依據(jù)?建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程?，本車站主體基坑達(dá)到一級(jí)基坑標(biāo)準(zhǔn)(基坑深度>12 m)，施工采用自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)。自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)以具有可回收特性與自穩(wěn)特性的基坑支護(hù)組合技術(shù)為基礎(chǔ)，將支護(hù)結(jié)構(gòu)與斜樁組合使用[8]，依照施工區(qū)域土層結(jié)構(gòu)與基坑開(kāi)挖深度等因素融合數(shù)種不同專利技術(shù)，最大限度利用軟土地區(qū)時(shí)空效應(yīng)理論，實(shí)行分段開(kāi)挖及分段澆筑施工。自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)具有四種支護(hù)模式[9]，可根據(jù)施工區(qū)域土層結(jié)構(gòu)與基坑開(kāi)挖深度選取相應(yīng)支護(hù)模式，如圖1所示。

圖1 自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)模式

在基坑深度低于6 m時(shí)，可采用單排圍護(hù)樁與單排注漿鋼管支撐相結(jié)合的支護(hù)模式(模式一)?；由疃忍幱? m至7 m之間時(shí)，若施工區(qū)域淺層有較好土層，同樣可使用單排圍護(hù)樁與單排注漿鋼管支撐相結(jié)合的支護(hù)模式(模式一)；若施工區(qū)域土層為淤泥質(zhì)，則采用雙排圍護(hù)樁與單排后拉注漿鋼管支撐相結(jié)合的支護(hù)模式(模式二)。當(dāng)基坑深度大于7 m時(shí)，根據(jù)土層結(jié)構(gòu)可分別采用雙排圍護(hù)樁與單排前撐注漿鋼管支撐相結(jié)合的支護(hù)模式(模式三)和雙排圍護(hù)樁與雙排注漿鋼管支撐相結(jié)合的支護(hù)模式(模式四)。

結(jié)合車站基坑深度與所處區(qū)域土層結(jié)構(gòu)，本項(xiàng)目選取模式四對(duì)車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.3 建筑地基開(kāi)挖對(duì)鄰近地表與建筑物影響

建筑基坑開(kāi)挖主要研究其對(duì)鄰近地表與建筑的影響，可通過(guò)建筑地基開(kāi)挖后鄰近區(qū)域地表沉降進(jìn)行描述[10]。

車站基坑采用自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)挖后，地表沉降上限計(jì)算公式為:

式中:?kmax為地表沉降上限(mm)；Ge為基坑深度(m)；ρ為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度(N/m)；EI為自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)抗彎剛度(kN·m2)；ηw為水的重度(kN/m3)；g為鋼支撐豎向間距均值(m)；x和y均表示待定系數(shù)。

其能夠描述建筑基坑開(kāi)挖后地表沉降上限、基坑深度和支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度之間的相關(guān)性[11－12]。

待定系數(shù)x、y值隨基坑寬度與深度變化而變化，其與Ge之間關(guān)系為:

式中:r為支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐水平間距(m)；f為支護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度(m)；u為懸臂挖深(m)；k為支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐沉降值(mm)。

式(3)和式(4)的判定函數(shù)均高于0.97，具有較高精度，在式(1)內(nèi)加入x與y計(jì)算公式，得到:

r、f、u、k具體取值如表1所示。

表1 r、f、u、k 與基坑寬度關(guān)系擬合結(jié)果

隨著基坑寬度變化，支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐沉降值的提升幅度較為顯著[13]；而鋼支撐水平間距、支護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度、懸臂挖深的上升趨勢(shì)并不顯著，均值分別在4.68、22.49和－0.43左右。由此得到地表沉降上限、基坑深度和支護(hù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)剛度之間的相關(guān)性為:

基坑寬度同支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐沉降值之間的相關(guān)性為:

將式(6)與式(7)結(jié)合，得到地表沉降上限表達(dá)式:

3 實(shí)例分析

3.1 試驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證所提方法的科學(xué)有效性，進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)環(huán)境如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)環(huán)境

3.2 試驗(yàn)參數(shù)

基坑土體主要物理參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)參數(shù)

3.3 觀測(cè)點(diǎn)選取

為研究建筑地基開(kāi)挖對(duì)鄰近區(qū)域地表沉降的影響，針對(duì)某地鐵站的中心區(qū)域，分別布設(shè)建筑物觀測(cè)點(diǎn)、鋼支撐觀測(cè)點(diǎn)、地表觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)具體位置如圖3所示。

圖3 觀測(cè)點(diǎn)選取

在研究區(qū)域內(nèi)共設(shè)置7個(gè)建筑物觀測(cè)點(diǎn)，分別用J1～J7表示；在地鐵站中心區(qū)域與車站A區(qū)域基坑之間設(shè)置7個(gè)地表觀測(cè)點(diǎn)，分別用D1～D7表示；在車站A區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐上設(shè)置3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，分別用Z1～Z3表示。該試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為1年，于2018年7月采用本文方法進(jìn)行支護(hù)，并將未采用本文方法之前的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)抗壓承載力

車站基坑采用自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，其抗壓承載力對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程具有重要影響，采用支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)各支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐極限承載力，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 各支護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐觀測(cè)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果

由表3中數(shù)據(jù)可知，自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)極限承載力均達(dá)到1 100 kN，并且存在一定上升空間。較高的極限承載力可增強(qiáng)基坑穩(wěn)定性，改善基坑沉降現(xiàn)象，保障基坑開(kāi)挖安全性能。

3.4.2 基坑開(kāi)挖對(duì)周邊地表沉降的影響分析

在基坑與建筑物之間設(shè)定7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，各觀測(cè)點(diǎn)位置地表沉降情況如圖4所示。

圖4 基坑開(kāi)挖后周邊地表沉降變化曲線

分析圖4可以看出，在相同條件下，隨著分步開(kāi)挖距離基坑中心距離的變化，7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)豎向位移量不斷發(fā)生變化。其中，D1和D2觀測(cè)點(diǎn)的沉降變化較小，其他觀測(cè)點(diǎn)位置變化較大，這是由于在D1和D2增加了本文所述支護(hù)結(jié)構(gòu)，故其沉降變化較小，驗(yàn)證了所提方法的有效性。

3.4.3 基坑開(kāi)挖對(duì)周邊建筑物沉降影響

車站基坑與周邊建筑物距離約為11.1 m，試驗(yàn)分析了基坑開(kāi)挖周期內(nèi)對(duì)周邊建筑物的影響[14]，主要分析6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 周邊建筑物沉降變化 mm

由表4可知，觀測(cè)點(diǎn)J3和J4沉降變化不顯著，剩余四個(gè)觀測(cè)點(diǎn)均表現(xiàn)出地表顯著下降現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 建筑物各觀測(cè)點(diǎn)沉降變化

由圖5可知，建筑物沉降不顯著的兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)J3和J4均為距離車站基坑最遠(yuǎn)的觀測(cè)點(diǎn)。2018年7月至2018年8月期間，周邊建筑物出現(xiàn)顯著下降，這是由于該期間主要工作為降低基坑內(nèi)地下水位，為基坑開(kāi)挖做準(zhǔn)備，基坑內(nèi)地下水位的下降導(dǎo)致基坑外部鄰近區(qū)域地下水位也有所下降，因此基坑周邊建筑物在該期間內(nèi)出現(xiàn)顯著沉降現(xiàn)象。

4 結(jié)論

本文基于自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的建筑基坑開(kāi)挖研究，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn):自穩(wěn)式鋼支撐基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較高極限承載力；基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近區(qū)域地表沉降影響存在時(shí)空效應(yīng)，在地下水位較高的條件下距離較近的周邊建筑物受基坑開(kāi)挖影響沉降顯著。