劉 濤 姜 磊 王 申 彭紅國 李 巖
(中鐵七局集團(tuán)第三工程有限公司, 710032, 西安)
城市軌道交通基坑通常緊鄰既有建(構(gòu))筑物、公路、鐵路等設(shè)施,受到結(jié)構(gòu)自重及上覆荷載的共同作用,在基坑兩側(cè)形成非平衡荷載。國內(nèi)外對基坑工程的研究主要是針對對稱荷載條件下展開的,對于偏壓基坑還未形成一套完整的設(shè)計(jì)、計(jì)算與安全控制體系,且近年來由于偏壓導(dǎo)致的地下工程病害、事故多次見諸報(bào)端。因此,開展非平衡荷載下城市軌道交通車站深基坑變形特性分析具有一定的理論與現(xiàn)實(shí)意義。
文獻(xiàn)[1]認(rèn)為基坑偏壓側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、坑底隆起、地面沉降均大于非偏壓側(cè),且偏壓側(cè)地面沉降為非偏壓側(cè)的2倍;文獻(xiàn)[2]認(rèn)為基坑偏壓側(cè)受力變形大于非偏壓側(cè),當(dāng)偏壓荷載達(dá)到一定數(shù)值后,基坑會(huì)整體向非偏壓側(cè)偏移;文獻(xiàn)[3]認(rèn)為偏壓荷載會(huì)引起基坑水平位移增加;文獻(xiàn)[4]認(rèn)為基坑偏壓側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移為非偏壓側(cè)的3倍,偏壓側(cè)路基沉降為非偏壓側(cè)的2倍。
綜上,國內(nèi)外學(xué)者對偏壓作用下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、地面沉降及坑底隆起等特性進(jìn)行了研究,但對于上軟下硬地層非平衡荷載作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性,以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形同土體水平位移和地面沉降關(guān)系等的研究較少。本文以杭州某地鐵車站深基坑為研究對象,基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),研究了上軟下硬地層非平衡荷載作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、地面沉降及土體水平位移變化規(guī)律,探討了上軟下硬地層非平衡荷載作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形同土體水平位移、地面沉降及開挖深度之間的關(guān)系,揭示了非平衡荷載作用下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形機(jī)理。
杭州某地鐵車站深基坑周邊環(huán)境較復(fù)雜,南側(cè)為海鵬駕校、杭州之江專修學(xué)院,以及修建里東路時(shí)挖除山體后的留設(shè)邊坡。邊坡坡長約178 m,坡腳距車站基坑邊線約3~12 m,坡頂距路面最大高差約32 m。這樣的地形不但使基坑存在較大偏壓,而且車站主體結(jié)構(gòu)開挖后,將形成較高的臨空面。車站北側(cè)西段臨近上埠河和云秀水小區(qū),北側(cè)東段為拆遷地,周邊環(huán)境與工程相互影響較大,對工程的安全施工和運(yùn)營提出了挑戰(zhàn)?;悠矫娌贾萌鐖D1所示。基坑支護(hù)設(shè)計(jì)剖面圖如圖2所示。
圖1 杭州某地鐵車站基坑平面布置圖
單位:m
根據(jù)勘察報(bào)告,基坑開挖范圍內(nèi)主要由填土、碎石夾黏性土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖、中風(fēng)化上段泥巖和中風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖等組成,分布較穩(wěn)定。巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。
表1 巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)
地下水類型主要是第四紀(jì)松散巖類孔隙水。根據(jù)地下水的含水介質(zhì)、賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征,可劃分為孔隙潛水和基巖裂隙水。其中:孔隙潛水主要賦存于表層填土和碎石夾黏性土中,由大氣降水徑流補(bǔ)給,排泄主要通過蒸發(fā)形式,水位一般為1.65~4.80 m;基巖裂隙水水量受地形地貌、巖性、構(gòu)造、風(fēng)化影響較大,補(bǔ)給來源主要為上部第四系松散巖類孔隙潛水,其次為基巖風(fēng)化層側(cè)向徑流,基巖裂隙較發(fā)育,有一定的賦水量,且徑流緩慢。
基坑開挖深度為18.843 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐+吊腳樁的形式:鉆孔灌注樁直徑為1.0 m;靠山側(cè)圍護(hù)樁長度為13.370 m,遠(yuǎn)離山側(cè)圍護(hù)樁長度為15.727 m??可絺?cè)吊腳樁長度為9.233 m,遠(yuǎn)離山側(cè)吊腳樁長度為6.916 m。支撐系統(tǒng)采用鋼筋混凝土支撐、預(yù)應(yīng)力錨索和錨桿的形式,兩道混凝土支撐截面尺寸均為0.8 m×1.0 m,第1道支撐中心線位于地面下0.5 m,第2道支撐中心線位于地面下7.483 m。基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案見圖2。
選取靠山側(cè)與遠(yuǎn)離山側(cè)圍護(hù)樁水平位移監(jiān)測點(diǎn)Q2、Q3、Q4、Q9、Q10和Q11進(jìn)行研究?;娱_挖至坑底后的圍護(hù)樁水平位移曲線見圖3。
a) 靠山側(cè)
b) 遠(yuǎn)離山側(cè)
由圖3可見:
1) 圍護(hù)樁水平位移呈魚腹?fàn)?即圍護(hù)樁中部向基坑內(nèi)凸出,頂部和底部變形相對較小。由于靠山側(cè)地層主要為巖層,抵抗變形能力較好,故圍護(hù)樁水平位移較小。
2) 靠山側(cè)與遠(yuǎn)離山側(cè)圍護(hù)樁水平位移規(guī)律一致,靠山側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移位于距地面4 m(0.22He,He為開挖深度)埋深處;遠(yuǎn)離山側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移位于距地面7 m(0.38He)埋深處。究其原因?yàn)榛又邢虏繛閹r層,抵抗變形能力較好,造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大水平位移的位置上移。
選取靠山側(cè)與遠(yuǎn)離山側(cè)部分深層土體水平位移監(jiān)測點(diǎn)T2、T4、T6和T7進(jìn)行研究?;娱_挖至坑底后的深層土體水平位移曲線見圖4。
a) 靠山側(cè)
b) 遠(yuǎn)離山側(cè)
由圖4可見:深層土體水平位移大致呈魚腹?fàn)?由于靠山側(cè)地層主要為巖層,抵抗變形能力強(qiáng),故靠山側(cè)土體深層水平位移較小;遠(yuǎn)離山側(cè)中間段土體側(cè)向變形較小,下段側(cè)向變形較大,究其原因?yàn)榛酉露五^桿為柔性支撐,相較于混凝土剛性支撐,其控制變形能力較差,故基坑下段土體側(cè)向位移出現(xiàn)突變。
為了解土體水平位移與圍護(hù)樁水平位移之間的關(guān)系,選取圍護(hù)樁水平位移監(jiān)測點(diǎn)Q2和土體水平位移監(jiān)測點(diǎn)T2進(jìn)行研究。圍護(hù)樁水平位移和土體水平位移的關(guān)系見圖5。
圖5 圍護(hù)樁水平位移和深層土體水平位移關(guān)系曲線
由圖5可見:圍護(hù)樁水平位移x和土體水平位移y大致呈線性關(guān)系,整條曲線大致可用y=kx(k為經(jīng)驗(yàn)系數(shù))來擬合,提出k=1.30。
對比實(shí)測數(shù)據(jù),基坑開挖至坑底后圍護(hù)樁水平位移最大值δhm和土體水平位移最大值的關(guān)系,如圖6所示。
由圖6可見:δhm和土體水平位移最大值的監(jiān)測值分布于擬合曲線附近,說明擬合曲線較好地反映了圍護(hù)樁水平位移與土體水平位移的關(guān)系,驗(yàn)證了該擬合曲線的準(zhǔn)確性。由此可見,實(shí)際工程在與本工程地質(zhì)條件相近的情況下,通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移,可以預(yù)估基坑外土體水平位移。
圖6 δhm和深層土體水平位移最大值擬合曲線
基坑工程中圍護(hù)樁水平位移與其周邊地面沉降受到眾多因素影響,基于監(jiān)測數(shù)據(jù)總結(jié)兩者之間的關(guān)系。基坑δhm與地面沉降最大值δvm的關(guān)系曲線見圖7。
圖7 基坑δhm與δvm關(guān)系曲線
由圖7可知:δhm與δvm存在δvm=(0.9~3.0)δhm的關(guān)系。相較于文獻(xiàn)[5]研究得出的δvm=(0.5~1.0)δhm,以及文獻(xiàn)[6]研究得出的δvm=(0.2~0.6)δhm,本文分析得到的δvm與δhm的比值較大,導(dǎo)致此差異的主要原因?yàn)槠珘汉奢d引起的地面沉降增大。
δhm與He的關(guān)系曲線見圖8。
圖8 δhm與He關(guān)系曲線
由圖8可知:δhm與He存在δhm=(0.009%~0.060%)He的關(guān)系。相較于文獻(xiàn)[7]研究得出的δhm=0.16%He及文獻(xiàn)[8]研究得出的δhm=0.20%He,本文分析得到的δhm與He的比值較小,導(dǎo)致此差異的主要原因在于基坑施工范圍內(nèi)的地層主要為巖層,其抵抗變形能力較強(qiáng)。
選取靠山側(cè)與遠(yuǎn)離山側(cè)地面沉降監(jiān)測點(diǎn)D4、D5、D8和D9進(jìn)行研究?;娱_挖至坑底后周邊地面沉降曲線見圖9。
a) 靠山側(cè)
b) 遠(yuǎn)離山側(cè)
由圖9可知:基坑周邊地面沉降大致呈漏斗狀;靠山側(cè)距圍護(hù)結(jié)構(gòu)約5 m處,地面沉降達(dá)到最大值,隨著距圍護(hù)結(jié)構(gòu)的距離增大,地面沉降逐漸減小,甚至出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象;遠(yuǎn)離山側(cè)距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)約13 m處,地面沉降達(dá)到最大值,隨著距圍護(hù)結(jié)構(gòu)的距離增大,地面沉降逐漸減小。
目前對基坑施工過程中其周邊土體變形,以及土體深處影響范圍的相關(guān)研究較少?;又苓呁馏w主要分為3個(gè)影響區(qū)域:主影響區(qū)域、次影響區(qū)域和無影響區(qū)域?;邮┕χ苓呁馏w的影響范圍如圖10所示。
圖10 基坑施工對周邊土體的影響范圍
圖10中,GB 50911—2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》將基坑施工對周邊環(huán)境的擾動(dòng)區(qū)域劃分為:①區(qū)(主要影響區(qū))、②區(qū)(次要影響區(qū))和③區(qū)(無影響區(qū))。其中:①區(qū)和②區(qū)的分界點(diǎn)距基坑邊緣的距離為0.70He,②區(qū)和③區(qū)的分界點(diǎn)距基坑邊緣的距離為2.00He。文獻(xiàn)[9]以上海軟土地區(qū)為例,認(rèn)為基坑施工對周邊環(huán)境的影響區(qū)域主要分為:Ⅰ區(qū)(主要影響區(qū))、Ⅱ區(qū)(次要影響區(qū))和Ⅲ區(qū)(無影響區(qū))。其中:Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的分界點(diǎn)距基坑邊緣的距離為0.75He,Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的分界點(diǎn)距基坑邊緣的距離為2.00He。本文根據(jù)實(shí)測結(jié)果,將基坑施工對周邊環(huán)境的影響區(qū)域劃分為1區(qū)(主要影響區(qū))、2區(qū)(次要影響區(qū))和3區(qū)(無影響區(qū))。其中:1區(qū)根據(jù)0.3倍土體最大變形等值線簡化而得,當(dāng)其超過2區(qū)后,基坑施工對周邊環(huán)境幾乎無影響。本工程中1區(qū)和2區(qū)的分界點(diǎn)距基坑邊緣的距離為0.75He,2區(qū)和3區(qū)的分界點(diǎn)距基坑邊緣的距離為2.50He,且2區(qū)和3區(qū)的分界點(diǎn)距基坑邊緣的距離大于GB 50911—2013和文獻(xiàn)[9]研究的最大影響區(qū)域(2.00He),究其原因?yàn)闃跺^圍護(hù)結(jié)構(gòu)加大了錨索、錨桿對周邊土體的影響,以及山體嚴(yán)重偏壓作用增大了基坑施工的影響區(qū)域。
1) 針對上軟下硬地層,圍護(hù)樁與土體水平位移曲線大致呈魚腹?fàn)?靠山側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移位于距地面4 m(0.22He)埋深處,遠(yuǎn)離山側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移位于距地面7 m(0.38He)埋深處。究其原因?yàn)榛又邢虏繛閹r層,抵抗變形能力較好,且柔性支撐控制變形弱于剛性支撐。
2) 圍護(hù)樁水平位移和土體水平位移大致呈線性關(guān)系,其關(guān)系曲線可采用y=kx(k取 1.30)來擬合。
3) 基坑周邊地面沉降大致呈漏斗狀;靠山側(cè)距圍護(hù)結(jié)構(gòu)約5 m處,地面沉降達(dá)到最大值,隨著距圍護(hù)結(jié)構(gòu)的距離增大,地面沉降逐漸減小,甚至出現(xiàn)隆起現(xiàn)象;遠(yuǎn)離山側(cè)距圍護(hù)結(jié)構(gòu)約13 m處,地面沉降達(dá)到最大值,隨著距圍護(hù)結(jié)構(gòu)的距離增大,地面沉降逐漸減小。
4) 基坑施工對周邊環(huán)境影響主要?jiǎng)澐譃?區(qū)(主要影響區(qū))、2區(qū)(次要影響區(qū)域)和3區(qū)(無影響區(qū)),其中,1區(qū)和2區(qū)的分界點(diǎn)距基坑邊緣的距離為0.75He,2區(qū)和3區(qū)的分界點(diǎn)距基坑邊緣的距離為2.50He。