羅杰，陳章龍，董樹山，殷姿，李志彬

（中建二局第二建筑工程有限公司，廣東深圳 518000）

1 引言

地鐵深基坑施工是地鐵建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對深基坑變形進(jìn)行監(jiān)測和分析，并根據(jù)實際情況進(jìn)行支護結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，是保證施工安全和周邊環(huán)境保護的重要措施。近幾年，科研人員圍繞深基坑施工問題開展了一系列研究，并聯(lián)合運用了數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等多種手段對基坑支護變形特性進(jìn)行了分析[1]。本文以深圳地鐵4 號線某車站為對象，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析支護結(jié)構(gòu)對沉降和水平位移的影響，并采用正交試驗對支護結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

2 地鐵深基坑變形監(jiān)測及支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 地鐵深基坑變形現(xiàn)場監(jiān)測

地鐵深基坑變形主要包括圍護結(jié)構(gòu)變形、坑底變形和周邊地表的變形。

基坑圍護結(jié)構(gòu)變形與圍護結(jié)構(gòu)的形狀尺寸、剛度和施工工藝等有關(guān)。圍護結(jié)構(gòu)的變形分為水平變形和豎向變形。水平變形分為懸臂位移、拋物線位移以及兩種位移的組合形式。豎向變形會導(dǎo)致墻體上升或下沉，而圍護結(jié)構(gòu)的不均勻沉降可能導(dǎo)致地表沉降，嚴(yán)重時會破壞圍護結(jié)構(gòu)，因此，圍護結(jié)構(gòu)的豎向位移不能忽略。

基坑底部變形主要表現(xiàn)為坑底的土體隆起，包括彈性隆起和塑性隆起，兩者的區(qū)別在于開挖深度。若深度淺則坑底發(fā)生彈性隆起；若深度較大且基坑較寬，則發(fā)生塑性隆起[2]。

周邊地表的變形則為地表沉降，分凹槽形沉降和三角形沉降兩種。凹槽形最大沉降常發(fā)生在距離基坑邊緣0.3～0.7 倍開挖深度的地方。三角形沉降主要發(fā)生在圍護結(jié)構(gòu)作用有限或未做圍護支撐時，其最大沉降發(fā)生在基坑邊緣。

為了確保地鐵建設(shè)的安全和質(zhì)量，需要對深基坑變形進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。現(xiàn)場監(jiān)測包括地下水位的動態(tài)變化、周圍地表沉降變形趨勢、地下管線變形情況、支護結(jié)構(gòu)的水平位移、立柱豎向位移、坑底隆起情況、支撐軸力等。布置監(jiān)測點時，需要對多項信息進(jìn)行綜合考慮，其中包括施工項目的特點、設(shè)計要求以及規(guī)范要求、施工技術(shù)條件與成本價值等。變形監(jiān)測點的布置地點應(yīng)是施工中最容易超出變形許可范圍的區(qū)域，如項目附近建筑物的周邊以及基坑外地下管道等。監(jiān)測點的位置不能影響構(gòu)件的應(yīng)力、剛度和強度。若施工中監(jiān)測點被破壞，需要在最短的時間內(nèi)在破壞點附近位置重新設(shè)置監(jiān)測點，以便施工數(shù)據(jù)具有連貫性。在基坑開挖前，記錄沉降觀測點的初值，同時按照設(shè)計要求和施工程序，對各監(jiān)測項目安裝應(yīng)力儀，通過觀察監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)力測試。由于工程中監(jiān)測的內(nèi)容較多，且各監(jiān)測內(nèi)容對基坑安全的響應(yīng)也各不相同，所以監(jiān)測頻率應(yīng)分開設(shè)計。

深圳地鐵4 號線某車站總長為261.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬24.1 m，基坑深28.4 m。圍護結(jié)構(gòu)采用圍護樁和內(nèi)支撐形式，圍護樁由鉆孔灌注樁和高壓旋噴樁組成，鉆孔灌注樁直徑1.2 m、間距1.5 m，高壓旋噴樁直徑0.8 m、間距1.5 m。內(nèi)支撐采用1 道混凝土支撐和3 道鋼支撐組成，其中混凝土支撐采用1.2 m×1 m斷面，間距為8 m，鋼支撐外徑為φ609 mm，間距為3 m。依據(jù)GB 50911—2013《城市軌道交通工程檢測技術(shù)規(guī)范》[3]，項目現(xiàn)場累計沉降為±28 mm。該工程施工區(qū)域水系為地下水，主要分為孔隙水和上層滯水。上層滯水埋深為2～4 m?？紫端植驾^連續(xù)且厚度較大，一般為5～40 m，需考慮該層的透水性。該工程地層分為雜填土、砂卵石、風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。該工程的基坑監(jiān)測點布置如圖1 所示。

圖1 深圳地鐵4 號線某車站基坑監(jiān)測平面圖

2.2 基坑支護細(xì)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型設(shè)計

在基坑支護設(shè)計中，需要選擇適合相應(yīng)基坑工程的支護類型，然后根據(jù)支護結(jié)構(gòu)的位移計算和受力分析，設(shè)計圍護結(jié)構(gòu)的橫截面和圍護結(jié)構(gòu)插入比。在選擇基坑圍護結(jié)構(gòu)時應(yīng)著重考慮圍護結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)和力學(xué)效應(yīng)，基坑的維護結(jié)構(gòu)體系則需要考慮多方面的因素。其中，基坑的地層環(huán)境是首要考慮因素，地層環(huán)境中包括施工區(qū)域的土質(zhì)情況以及水文條件，不僅如此，基坑開挖深度需要通過施工方案、施工季節(jié)以及基坑安全等級進(jìn)行確定，從而保證基坑維護結(jié)構(gòu)的安全性，減少施工成本。常用的支護形式包括土釘支護結(jié)構(gòu)、灌注樁排樁支護結(jié)構(gòu)、地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)。作為新型的邊坡開挖支護方式，土釘墻可以有效解決邊坡穩(wěn)定性差等問題，其優(yōu)點是施工周期短，簡便且造價低，可靠性高。缺點是施工完畢后容易在土體中遺留大量廢棄建筑垃圾，會對土壤產(chǎn)生一定的污染。灌注樁排樁圍護墻由多個排列的灌注樁構(gòu)成，排列方式有間隔排列、一字形相切排列和搭接排列，具體視施工區(qū)土質(zhì)而定。地下連續(xù)墻有現(xiàn)澆式和預(yù)制式兩種，其中，現(xiàn)澆式用得較多。內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)由內(nèi)撐、內(nèi)支撐梁及內(nèi)支撐桿組成，是施工中主要的監(jiān)測對象。內(nèi)撐體中鋼管內(nèi)撐采用螺紋鋼，內(nèi)撐體與基坑壁之間采用焊接連接。內(nèi)支撐桿應(yīng)采用的圓鋼或鋼質(zhì)插筋間距500～1 000 mm。內(nèi)支撐桿件的節(jié)點應(yīng)進(jìn)行拉拔試驗。

出現(xiàn)深基坑工程問題的原因之一是施工方案不合理。支護細(xì)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計可以對已有的支護設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn)，從而調(diào)整工期，減少工程造價，同時保證基坑的安全性。此項目采用正交試驗對支護細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。由于影響支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素主要為支護樁和支撐兩個部分，因此，將試驗變量設(shè)置為排樁徑及樁中心距、樁嵌固深度、支撐位置、混凝土強度等級，目標(biāo)函數(shù)設(shè)為支護樁和支撐的工程造價。排樁與地連墻方面的工程造價，包括排樁或墻體的施工費用、支撐結(jié)構(gòu)與錨拉體系的費用。為了使造價的計算更加簡便，部分能反復(fù)使用的材料，僅需計算材料的安裝費即可。支護細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化還需要考慮相關(guān)的約束條件。深基坑的約束條件可分為設(shè)計變量、變量一致性和設(shè)計準(zhǔn)則約束。設(shè)計變量約束即值域，排樁徑中，鉆孔灌注樁的值域為0.8～1.4 m，其余則在0.6～2.0 m。樁中心距的值域為排樁徑的1～3 倍?；炷翉姸鹊燃壱话惴譃? 種：C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50。支撐體系也存在多種方式，一般以支撐的道數(shù)進(jìn)行劃分。變量一致約束是指多個變量中存在一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，這些變量之間互相形成約束。設(shè)計準(zhǔn)則約束則是施工環(huán)境、執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)等條件限制。

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及支護結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型性能評價

深圳地鐵4 號線某車站基坑共有18 個測斜樁，根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，變形的最大值發(fā)生在4 號監(jiān)測點位，最大水平位移為27.4 mm。4 號位對應(yīng)的沉降監(jiān)測點為DB26-1、DB26-2、DB26-3，對4 號位的基坑沉降變化和水平位移變化作圖可以得到如圖2 所示的變化規(guī)律。

圖2 4 號位的基坑沉降變化和水平位移變化情況

由圖2a 可知，在基坑開挖期間，周邊地表產(chǎn)生了不均勻沉降現(xiàn)象，在沉降值達(dá)到20.14 mm 以后趨于穩(wěn)定，且始終小于28 mm，說明該基坑的開挖狀態(tài)一直比較穩(wěn)定。最大地表降沉點的分布情況與開挖深度具有一定關(guān)系，根據(jù)經(jīng)驗情況，其降沉點是開挖深度的0.3～0.5 倍，因此，DB26-2 和DB26-3 監(jiān)測點的沉降量比同時期的DB26-1 大。從圖2b 可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，樁體累計水平位移也逐漸增加，且變化較為緩慢，未發(fā)生突變。4 號測斜樁的最大水平位移在距離地面-18 m 處，約為27.4 mm，遠(yuǎn)小于限值40 mm，說明基坑設(shè)計較為保守，有優(yōu)化的空間。樁體的水平位移呈現(xiàn)基坑中部大兩頭小的拋物線形狀，說明多重支護對樁身變形起到了一定的約束。綜上分析，該工程支護結(jié)構(gòu)還有優(yōu)化空間，因此，采用PLAXIS 3D 有限元模型對其進(jìn)行模擬，并根據(jù)正交試驗對結(jié)構(gòu)安全性和綜合造價成本進(jìn)行分析。

基于深圳地區(qū)的地質(zhì)特點，結(jié)合相關(guān)理論、已有的實踐經(jīng)驗和施工可操作性，將排樁徑、樁間距、樁嵌固深度和支撐位置作為正交試驗變量，每個變量取3 個水平，即樁徑取1.0 m、1.2 m、1.4 m，樁間距取1.25 m、1.5 m、1.75 m，樁嵌固深度取14 m、16 m、18 m，支撐間距為4 m、5 m、6 m。采用L9（34）的正交表進(jìn)行試驗。目標(biāo)函數(shù)表示為每100 m 施工段圍護結(jié)構(gòu)的綜合造價，包括鋼支撐安裝、拆卸費用和圍護結(jié)構(gòu)的造價。其中，鋼支撐安裝拆卸單價為1 500 元/t，則每根鋼支撐安裝拆卸費用為12 652.5 元，要求在樁身最大水平位移處于40 mm以內(nèi)，沉降累計在28 mm 范圍內(nèi)的情況下，目標(biāo)函數(shù)值最小。得到的試驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)安全性和綜合造價成本

由圖3 結(jié)果可知，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)最大水平位移為31.43 mm，相比于優(yōu)化前的位移增量較小，并且其結(jié)果低于40 mm，能夠滿足安全性要求。優(yōu)化后的綜合造價與優(yōu)化前相比則大幅降低，說明此次優(yōu)化有明顯的效果且結(jié)果較優(yōu)。試驗所得最優(yōu)支護參數(shù)為：樁徑1.0 m、樁間距1.75 m、樁嵌固深度14 m、支撐間距6 m。

4 結(jié)論

針對地鐵深基坑支護變形問題，此次研究以深圳地鐵4號線某車站基坑監(jiān)測項目為依托，分析了該工程基坑變形監(jiān)測過程和結(jié)果。根據(jù)結(jié)果分析該工程支護結(jié)構(gòu)還有可優(yōu)化空間，因此，提出采用PLAXIS 3D 有限元模型模擬基坑監(jiān)測過程，并采用正交試驗法對支護結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。深基坑變形監(jiān)測結(jié)果顯示，隨著開挖深度的加深，周邊地表的土體沉降值越大，在達(dá)到20.14 mm 以后趨于穩(wěn)定；測斜樁的最大水平位移在距離地面-18 m 處，為27.4 mm。沉降值和水平位移均在標(biāo)準(zhǔn)限值范圍內(nèi)，說明該工程的支護結(jié)構(gòu)符合要求，但比較保守。經(jīng)正交試驗優(yōu)化后，支護結(jié)構(gòu)的參數(shù)為：樁徑1.0 m、樁間距1.75 m、樁嵌固深度14 m、支撐間距6 m。相應(yīng)的最大水平位移為31.43 mm，造價為101.58 萬元，與優(yōu)化前相比，位移增加了14.7%，造價降低了28.9%，說明該優(yōu)化結(jié)果能夠在保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的同時降低造價成本，具有較好的實際意義。