羅戰(zhàn)友,丁 康,鄒寶平,張 帆,李 兵

(1.浙江科技學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院,杭州 310023;2.浙江交工集團(tuán)股份有限公司,杭州 310051)

隨著城市快速發(fā)展,深基坑工程施工環(huán)境及地質(zhì)條件越來越復(fù)雜,工程安全要求越來越高。城市中環(huán)境復(fù)雜且地下管線及管廊工程眾多,深基坑工程的施工必然會(huì)對(duì)鄰近基坑建筑物和市政管線等產(chǎn)生不良影響,如沉降過大會(huì)引起建筑物下沉、管廊開裂等工程事故,因此深基坑開挖引起的周邊地表沉降問題[1]備受關(guān)注。

在深基坑周邊地表沉降性狀方面,Zahmatkesh等[2-3]結(jié)合大量實(shí)際工程數(shù)據(jù),對(duì)比分析了多個(gè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及基坑周邊地表沉降的情況,總結(jié)出日本、歐洲各國等不同地區(qū)基坑水平位移及周邊地表沉降的規(guī)律;鐘俊輝等[4-5]統(tǒng)計(jì)分析了福州和廈門等地多個(gè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移與墻后最大地表沉降之間的關(guān)系,總結(jié)出了相應(yīng)地區(qū)深基坑開挖過程的變形規(guī)律;程康等[6-7]對(duì)杭州地區(qū)某基坑的變形特征進(jìn)行研究,總結(jié)出了軟土地區(qū)基坑最大側(cè)向水平位移與墻后最大地表沉降的范圍及分布規(guī)律。

在深基坑周邊地表沉降預(yù)測方面,宋楚平[8]基于改進(jìn)后反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(back propagation neural network,BPNN)對(duì)基坑開挖過程中周邊地表沉降進(jìn)行預(yù)測,并與實(shí)測值進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后的預(yù)測方法能成功預(yù)測基坑施工未來2～5 d的變形情況,對(duì)基坑變形監(jiān)測具有一定幫助;張尚根等[9-10]采用正態(tài)分布密度函數(shù)公式對(duì)粉砂地層深基坑周邊地表沉降進(jìn)行計(jì)算,并結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)正態(tài)分布法對(duì)基坑沉降的預(yù)測有較強(qiáng)的實(shí)用性;鐘國強(qiáng)[11]基于基坑地表最大沉降預(yù)測模型與實(shí)例對(duì)比計(jì)算驗(yàn)證其精度和泛化能力;李濤等[12]、劉長文等[13]分別基于二維平面計(jì)算方法和有限單元法得出基坑開挖引起的地表沉降計(jì)算方法,并運(yùn)用實(shí)例分析了公式的合理性;王翠等[14]依托天津地區(qū)某工程案例,結(jié)合有限元分析軟件,采用正態(tài)分布密度函數(shù)推導(dǎo)了適合該地區(qū)的基坑周邊地表沉降估算方法。

綜上所述,國內(nèi)外對(duì)基坑變形特性展開了大量研究,但對(duì)采用地連墻+內(nèi)支撐圍護(hù)體系的地鐵深基坑研究還不充分,特別是針對(duì)粉砂地層地鐵深基坑中的周邊地表沉降統(tǒng)計(jì)分析和預(yù)測較少。因此,本研究結(jié)合杭州地區(qū)典型粉砂地層條件,對(duì)數(shù)十個(gè)深基坑剖面實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以推導(dǎo)杭州地區(qū)典型粉砂土地層地鐵深基坑周邊地表沉降預(yù)測公式,為類似地層條件下的基坑周邊地表沉降預(yù)測提供理論依據(jù)和工程指導(dǎo)。

1 杭州地區(qū)典型粉砂地層地鐵深基坑實(shí)測數(shù)據(jù)

1.1 杭州地區(qū)典型粉砂地層及土工參數(shù)

杭州地區(qū)軟土地區(qū)多指拱墅區(qū)、下城區(qū)和余杭區(qū),濱江區(qū)、下沙區(qū)、蕭山區(qū)等地區(qū)主要為粉砂地層。本研究統(tǒng)計(jì)的基坑案例屬于粉砂地區(qū),土層主要包括雜填土、粉土、粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、圓礫。土層分布及土工參數(shù)見表1。

表1 土層分布及土工參數(shù)

1.2 地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式及參數(shù)

杭州地區(qū)地鐵深基坑常采用地連墻+內(nèi)支撐相結(jié)合的圍護(hù)體系,表2為地鐵深基坑圍護(hù)形式和參數(shù)統(tǒng)計(jì)表,主要涉及基坑尺寸、標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度、插入比等具體參數(shù)。

表2 地鐵深基坑圍護(hù)形式和參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

1.3 基坑變形實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

為了獲得地鐵深基坑變形規(guī)律,對(duì)地鐵深基坑數(shù)十個(gè)典型剖面的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,見表3。

表3 地鐵深基坑工程變形實(shí)測數(shù)據(jù)

表3(續(xù))

2 深基坑周邊地表沉降及水平位移分析

深基坑變形受到開挖深度、土層性質(zhì)、施工工況等多因素影響而呈現(xiàn)不同變形特點(diǎn),主要表現(xiàn)在基坑周邊地表沉降和水平位移兩方面,圖1為基坑周邊地表沉降和水平位移示意圖。圖1中,He為基坑開挖深度;Hd為嵌固深度;δvm為深基坑周邊地表最大沉降量;δhm為基坑最大水平位移;Lh為最大水平位移對(duì)應(yīng)深度;Lv為最大沉降點(diǎn)墻后水平距離;x0為基坑開挖地表沉降影響范圍;r為沉降曲線計(jì)算影響半徑;H為圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度;Δδ2為地連墻頂傾斜水平位移。

圖1 基坑周邊地表沉降和水平位移示意圖

2.1 深基坑周邊地表沉降分析

為了獲得深基坑周邊地表最大沉降與對(duì)應(yīng)位置的變化規(guī)律,對(duì)表3中的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱分析?；又苓叺乇碜畲蟪两捣植记闆r如圖2所示,由圖可知:1) 深基坑周邊地表最大沉降為1.2‰He～3.12‰He,平均值約為1.77‰He,主要集中在1.26‰He～2.51‰He;2) 最大沉降為墻后距離0.11He～1.4He,平均值約為0.57He,主要分布在墻后距離0.35He～1.08He。杭州地區(qū)深基坑最大沉降相比謝錫榮等[15]統(tǒng)計(jì)的金華地區(qū)最大沉降(0.035%He)更大,主要原因是杭州地區(qū)屬于粉砂地層,而金華地區(qū)是土巖復(fù)合地層。

圖2 基坑周邊地表最大沉降分布情況

基坑地連墻插入比的最大值、最小值及平均值分別為2.24、0.44、1.45,相比福州、廈門多個(gè)深基坑地連墻插入比均值更大[4～5]。圖3為δvm/He與地連墻插入比的關(guān)系圖,由圖可知,δvm/He隨著地連墻插入比的增大呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢,后期趨于平緩。δvm/He與地連墻插入比λ可用如下公式擬合:

圖3 δvm/He與地連墻插入比的關(guān)系

(1)

式(1)中:λ取值一般情況下為1～3。

由式(1)可知,通過增加插入比減小深基坑周邊地表沉降變形的方法在技術(shù)上具有可行性,但實(shí)際工程中要結(jié)合工程造價(jià)、工期及施工難度等方面綜合考慮。

2.2 深基坑水平位移分析

基坑水平位移與基坑周邊地表沉降密切相關(guān),為了獲得杭州地區(qū)典型粉砂地層深基坑的水平變形規(guī)律,對(duì)表3中的水平位移數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理,基坑最大水平位移分布情況如圖4所示,由圖可知:δhm約為1.49‰He～3.91‰He,平均值約為2.73‰He,主要集中在1.6‰He～3.25‰He;基坑最大水平位移深度平均值約為0.95He,最大水平位移深度主要分布在0.7He～1.2He。

圖4 基坑最大水平位移分布情況

圖5為δhm/He與地連墻插入比的關(guān)系圖,由圖可知,δhm/He隨地連墻插入比增大而逐漸減小,但減小趨勢隨地連墻插入比增大而逐漸變緩?；幼畲笏轿灰痞膆m在插入比大于1.6以后,位移減緩,再增加插入比,深層水平位移減少效果不理想,主要是深部的地連墻為負(fù)彎矩,兩側(cè)土壓力性質(zhì)發(fā)生改變所致。圖5中存在個(gè)別監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)豎向比值接近4.0,主要原因是實(shí)際工程測量中人為因素極易造成個(gè)別環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。

圖5 δhm/He與地連墻插入比的關(guān)系

基坑最大水平位移變化與地連墻插入比關(guān)系可用以下上限和下限公式擬合:

(2)

(3)

2.3 深基坑周邊地表沉降與水平位移的關(guān)系

由于深基坑工程中基坑周邊地表沉降與水平位移存在較大關(guān)聯(lián),對(duì)表3中的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理,獲得了周邊地表沉降歸一化指標(biāo)δvm/He與水平位移歸一化指標(biāo)δhm/He之間的關(guān)系。δvm/He與δhm/He的關(guān)系如圖6所示,由圖可知:δvm約為δhm的0.75～1.21倍,比韓煊等[16]研究粉土、砂土等較好地層得出δvm為0.5δhm的結(jié)果更大,這說明杭州地區(qū)粉砂地層深基坑周邊地表沉降會(huì)對(duì)周邊建筑物、地下管廊等產(chǎn)生較大的影響,需要采取措施嚴(yán)格控制地表變形以減少基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境的影響;杭州地區(qū)粉砂地層基坑周邊地表沉降與水平位移隨著開挖深度的增大呈線性增長。

圖6 δvm/He與δhm/He的關(guān)系

3 深基坑變形預(yù)測

3.1 圍護(hù)墻(樁)水平位移預(yù)測

假設(shè)深基坑地連墻水平位移由兩部分組成:1) 墻體本身受土壓力彎曲而產(chǎn)生的位移;2) 墻體整體傾斜產(chǎn)生的剛體位移。因此,可設(shè)深基坑最大水平位移如下:

δhm=δ1+δ2。

(4)

式(4)中:δ1為Lh處地連墻彎曲產(chǎn)生的水平位移;δ2為Lh處地連墻整體傾斜產(chǎn)生的水平位移。

由文獻(xiàn)[17]可知支護(hù)結(jié)構(gòu)位移包絡(luò)曲線可看成拋物線,即

y1=Az2+Bz+C。

(5)

式(5)中:A、B、C分別為常數(shù)項(xiàng)系數(shù);z為地連墻豎向深度。

將已知兩點(diǎn)(0,0)、(H,0)代入式(5)進(jìn)一步求出

y1=Az2-AHz。

(6)

假設(shè)引起δ2的線性方程為

(7)

δhm與δ2存在如下關(guān)系:

Δδ2=Dδhm。

(8)

式(8)中:D為常數(shù)項(xiàng)系數(shù)。

將式(8)代入式(7)后,聯(lián)立式(4)、式(6)可得基坑地連墻水平位移包絡(luò)曲線公式,即

(9)

式(9)中:A、D為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),分別取0.075、-0.6,由表3中的基坑變形數(shù)據(jù)獲得。

3.2 深基坑周邊地表沉降預(yù)測

隨著城市的高速發(fā)展,地鐵深基坑施工面臨的地質(zhì)狀況及作業(yè)環(huán)境越來越復(fù)雜,質(zhì)量安全要求越來越高。城市地下復(fù)雜的管線及構(gòu)筑工程對(duì)地鐵深基坑施工帶來許多不良影響,因此深基坑施工所引起的周圍地表沉降問題備受關(guān)注。由于不同地區(qū)土層性質(zhì)的差異對(duì)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍地表變形影響較大,因此本研究結(jié)合實(shí)測規(guī)律對(duì)原有理論公式進(jìn)行改進(jìn),并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證改進(jìn)公式的合理性。

3.2.1 正態(tài)分布法

結(jié)果提示：在控制了人口統(tǒng)計(jì)學(xué)變量后，社會(huì)隔離對(duì)生存質(zhì)量(β=-0.226，P<0.01)具有顯著的負(fù)向影響，經(jīng)濟(jì)狀況對(duì)生存質(zhì)量(β=0.224，P<0.01)具有顯著的正向影響(見表2)。社會(huì)隔離與經(jīng)濟(jì)狀況的交互項(xiàng)對(duì)生存質(zhì)量具有顯著的負(fù)向影響(β=-0.084，P<0.05)(見表2與圖1)，因此經(jīng)濟(jì)狀況在社會(huì)隔離對(duì)生存質(zhì)量的影響中起調(diào)節(jié)作用。

設(shè)地表沉降曲線為正態(tài)分布[9]7,即

(10)

式(10)中:x為以最大沉降位置為原點(diǎn)的水平方向坐標(biāo);δ(x)為x處地表沉降量;r=x0-Lv。

由圖2和圖6的統(tǒng)計(jì)規(guī)律可取Lv=0.57He、δvm=1.2δhm,代入式(10)得:

(11)

將式(9)代入式(11)得到修正后正態(tài)分布沉降預(yù)測表達(dá)式,即

(12)

3.2.2 偏態(tài)分布法

設(shè)地表沉降曲線為偏態(tài)分布[18],即

(13)

式(13)中:x為待求沉降點(diǎn)距坑邊水平距離;Sw為沉降曲線包絡(luò)面積;w為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

由于不同地區(qū)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)w存在一定區(qū)別,現(xiàn)對(duì)w進(jìn)行修正。對(duì)式(13)進(jìn)行一階求導(dǎo)可得:

(14)

由于δ(x)取極值時(shí)δ′(x)=0,由圖2可得:x為Lv,取0.57He,代入式(14)求出經(jīng)驗(yàn)值w為0.91。

設(shè)沉降曲線包絡(luò)面積存在如下關(guān)系[19]:

Sw=βSp。

(15)

式(15)中:Sp為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移包絡(luò)曲線面積;β為比例系數(shù),根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果及經(jīng)驗(yàn),當(dāng)插入比Hd/He≤0.5時(shí),β可取1.0～1.2,當(dāng)插入比Hd/He>0.5時(shí),β可取0.8～1.0。本研究統(tǒng)計(jì)杭州地區(qū)深基坑插入比平均值為1.45,因此參數(shù)β取1.0。

由式(9)積分求得:

(16)

將式(15)、式(16)代入式(13)得到修正后偏態(tài)分布沉降預(yù)測表達(dá)式,即

(17)

3.3 深基坑周邊地表沉降預(yù)測值與工程實(shí)測值對(duì)比

為了驗(yàn)證預(yù)測公式的合理性,選取塘新線站、青蓬路站基坑工程中相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行預(yù)測和驗(yàn)證?；拥乇沓两涤绊懛秶鷛0取3.0He[20],分別將基坑開挖深度He及圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度H代入式(12)與式(17)進(jìn)行計(jì)算,將兩種預(yù)測方法計(jì)算結(jié)果與塘新線站、青蓬站實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,正態(tài)、偏態(tài)分布下沉降估算結(jié)果及實(shí)測值對(duì)比如圖7所示。由圖7可知:1) 正態(tài)、偏態(tài)分布下沉降預(yù)測曲線及實(shí)測分布曲線均呈現(xiàn)明顯“凹槽”形,說明兩種沉降預(yù)測方法均符合一般地鐵深基坑周邊地表沉降分布規(guī)律;2) 采用偏態(tài)分布的沉降預(yù)測結(jié)果與實(shí)際工程更符合,說明基坑開挖引起的周邊地表沉降更接近不對(duì)稱偏態(tài)分布,因此,杭州地區(qū)粉砂地層地鐵深基坑地表沉降預(yù)測可采用偏態(tài)分布進(jìn)行預(yù)測。

圖7 正態(tài)、偏態(tài)分布下沉降估算結(jié)果與實(shí)測值對(duì)比

4 結(jié) 論

基于杭州地區(qū)粉砂地層多個(gè)深基坑工程實(shí)測數(shù)據(jù),分析了深基坑周邊地表沉降和水平位移的變形性狀,推導(dǎo)了正態(tài)及偏態(tài)分布下基坑周邊地表沉降的預(yù)測公式,并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。主要結(jié)論如下:

1) 杭州地區(qū)粉砂地層地鐵深基坑周邊地表最大沉降均值為1.77‰He,基坑最大水平位移平均值為2.73‰He。周邊地表最大沉降整體上隨著地連墻最大水平位移的增加而增大,基坑地表最大沉降約為最大水平位移的0.75～1.21倍;

2) 地鐵深基坑周邊地表最大沉降和水平位移整體上隨地連墻插入比的增大而減小,且后期趨于平緩,說明插入比對(duì)基坑沉降控制存在一定極限,因此可適當(dāng)增大插入比以控制基坑變形對(duì)周邊環(huán)境的影響;

3) 推導(dǎo)了正態(tài)和偏態(tài)分布密度函數(shù)下的杭州地區(qū)粉砂地層地鐵深基坑周邊地表沉降預(yù)測方法,并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)偏態(tài)分布密度函數(shù)下沉降預(yù)測方法更加合理。

本研究沉降預(yù)測理論公式只針對(duì)粉砂地層,但深基坑開挖涉及地層種類廣泛,對(duì)于其他地層下深基坑開挖的沉降預(yù)測還有待進(jìn)一步研究。