地中壁工法控制鄰近地鐵深基坑變形的機理及應用

劉 磊 賈 堅

(同濟大學地下建筑與工程系,200092,上海∥第一作者,碩士研究生)

近年來,城市建設快速發展,為緩解土地資源緊張、交通擁擠的狀況,市中心地下空間得到大力開發,出現了大量的深大基坑工程。這些位于城市中心的深大基坑通常四周密布各類地下管線,并鄰近運營地鐵及各類建筑,環境保護要求很高。因此,軟土地區深基坑的變形控制已經成為一個重要的研究課題。控制深基坑變形保護周邊環境主要從控制圍護墻體側向變形及坑內土體隆起入手。目前,控制墻體側向變形的方法主要有以下幾種:①加強支護體系剛度;②增大基坑抗隆起穩定性系數;③改善被動區土體抗力;④針對軟土流變特性,利用基坑空間效應和時間效應進行開挖支護。具體措施有增加支撐剛度、減小支撐間距、增大圍護墻厚度及入土深度、坑內土體加固、地中壁工法、分塊開挖、及時支撐等。其中,地中壁工法在軟土地區深基坑中逐漸被應用,但目前針對其在軟土地區深基坑中的變形控制機理及設計計算研究較少。本文以緊鄰上海軌道交通2號線運營隧道的“協和二期”深基坑為背景,研究地中壁工法控制深基坑變形的機理、設計計算方法,以及工程實踐的效果。

1 地中壁工法控制深基坑變形的機理

地中壁是基坑開挖前采用地下連續墻的施工工藝施作的一道素混凝土墻。它橫置于開挖區域,且兩側與圍護地下連續墻垂直銜接;隨著基坑開挖,在挖除土層的同時鑿除露出的墻體,然后施工支撐體系。地中壁工法平面及剖面示意圖如圖1所示。

圖1 地中壁工法平面及剖面示意圖

地中壁工法控制基坑變形的機理類似于“地中梁”的作用,通過對其作用斷面及附近一定范圍內圍護地下連續墻側向變形的控制,達到控制基坑及周圍地層變形的目的。地中壁的作用可視為基坑開挖前預先施作于坑內的具有一定剛度的支撐或是坑內加固體。文獻[1]提出,坑內加固可以有效控制其作用斷面的地墻最大側向變形值,同時可以使該斷面基坑下部的地墻變形形態為收斂的凹狀。采用坑內加固后產生的基坑最大變形部位要高于不加固的情況。圖2為實際工程考慮加固與不加固的計算曲線對比情況。圖中曲線上的編號為工況號(如曲線1為工況一)地中壁對其作用斷面的墻體變形的控制作用和坑內加固相同,由于其剛度比加固體大,控制變形效果也更明顯。

圖2 某深基坑工程北坑計算變形曲線

在深基坑工程中,由于頂圈梁與各道支撐的作用,相鄰圍護樁墻緊密地結合在一起,基坑變形呈現出坑角空間效應[2-3];同時,與坑角圍護墻體作用相似,地中壁的約束作用抑制了其鄰近區域的土壓力和土體位移的發展[4-6]。因此,地中壁對其附近一定范圍內的基坑及地層變形有控制作用。

綜合上海地區大量深基坑工程圍護墻變形、地表沉降的計算值和實測值,以及周邊建筑物、構筑物、地下管線的變形特征和保護要求后,文獻[7]將基坑變形控制標準分為四個保護等級。《地基基礎設計規范》(GB J-11—1999)提出按基坑變形分級控制標準來設計施工基坑的要求,并將保護等級分為三級。同時文獻[7-8]對各級標準做出了詳述。在工程實踐中,控制深基坑變形通常采用增加圍護結構剛度、坑內加固等措施。而針對更加嚴格的變形控制要求,可在以上措施基礎上,采用地中壁工法進一步控制基坑變形,以達到保護周邊環境的目的。

2 工程概況

“協和二期”位于上海市長寧區永源路以北,基坑東西方向約171 m,南北方向約38 m,占地面積約7 600 m2,平均開挖深度為17 m?；涌偲矫鎴D見圖3,基坑與地鐵隧道相對關系剖面圖見圖4。

圖3 基坑總平面圖

圖4 基坑與地鐵隧道的相對關系剖面圖

本工程基坑南側緊鄰軌道交通2號線運營隧道,離隧道最近處為7.3 m。隧道埋置深度處于基坑開挖引起的最大側向墻體及土層位移區段,基坑開挖對隧道位移影響較大?；訓|側、北側及西側鄰近多幢20世紀20～40年代的磚木結構建筑,最近處僅為5.8 m。這些建筑中部分為優秀歷史保護建筑,建筑層數為3層,為大放腳基礎,埋深不超過1.5 m,基礎對地基沉降較敏感。因此,必須嚴格控制開挖引起的基坑及地層變形,減少對鄰近軌道交通及建筑物的影響。

依照文獻[7-8]對各級標準做出的詳述,本基坑屬一級基坑。為減少對周邊環境的影響,基坑采取分區開挖、地下連續墻及4道支撐的支護形式,并對坑內土體進行了裙邊加固。此外,為了減少地下連續墻施工時槽壁坍塌,以及基坑開挖時滲漏水對周圍環境的影響和危害,鄰近保護建筑及運營軌道交通線路側施工地下連續墻前,先在擬施工的地下連續墻內外兩側各施工了一排 Φ850的勁性水泥土墻(SMW)工法攪拌樁加固。

文獻[9]研究了自1995年起,近5年內上海軌道交通1號線隧道結構安全保護區內建筑活動對隧道結構的影響,指出“凡是在已建地鐵安全保護區內進行的建筑活動,都不同程度地引起地鐵結構的沉降、位移、變形”。此外,地質條件也是影響隧道結構安全的重要因素。文獻[9-10]指出上海軟土地區淤泥質軟黏土具有高壓縮性和大流變性,擾動后強度明顯降低,而且會在較長時間內發生固結沉降。

深基坑開挖引起的地層變形一方面會對施工影響范圍內的地鐵隧道結構產生破壞,另一方面加速了局部區段地鐵隧道的不均勻沉降及隧道變形,造成道床與管片開裂,影響了地鐵運營安全。針對軟土地區特殊的地鐵保護要求,為進一步控制基坑變形,保護鄰近地鐵安全運營,本工程基坑均采用了地中壁工法。

基坑場地主要土層物理力學性質見表1。

表1 基坑主要地層物理力學性質表

3 三維有限元預估分析

深基坑工程的變形具有三維空間特性。在理論分析中要較全面地反映地中壁工法對開挖基坑變形的影響和控制作用,還需要考慮圍護結構及土體變形的三維空間特性。文獻[11]提出應該采用三維有限元預測分析采用地中壁工法的基坑變形情況。因此,本文采用Z-Soil三維巖土有限元軟件進行建模計算,分析“協和二期”基坑在不采用及采用地中壁工法開挖情況下基坑的變形情況,研究地中壁工法對圍護墻體變形、坑外地表沉降以及鄰近地鐵隧道變形的控制作用。

3.1 不采用地中壁工法的深基坑開挖有限元分析

考慮基坑開挖對周圍土體及建筑物的影響范圍,三維計算模型選取270 m×170 m×70 m。先對基坑不采用地中壁工法開挖進行預測分析。地下連續墻采用Shell單元模擬,支撐、立柱采用Beam單元模擬,土體采用Continuum 3D單元模擬。土體材料模型采用了Drucker-Prager模型。土體計算參數詳見表1,部分計算參數由以往同類工程實測數據反分析獲得。

通過先挖土后支撐的分層開挖模擬,可以得出基坑在不采用地中壁工法開挖施工時的地下連續墻及地鐵隧道的變形情況。圖5和圖6為三維計算模型圖,圖7為計算結果。

圖5 模型網格圖

圖6 圍護墻和地鐵隧道模型圖

圖7 不采用地中壁工法開挖圍護墻及隧道總位移云圖

通過三維預測分析,不采用地中壁工法開挖,大坑北側圍護墻最大側向變形為42 mm,坑外最大地表沉降為31 mm,窄坑南側圍護墻最大側向變形為22 mm,隧道最大豎向位移為9 mm,最大水平位移為10.3 mm,難以滿足周圍建筑物和地鐵隧道的保護要求。此外,由于上海軟土地區特殊的地質條件,基坑開挖不僅在施工階段引起鄰近地鐵隧道結構變形,施工完成后受擾動土層產生的固結沉降也會影響隧道結構安全。因此,為保護鄰近運營地鐵安全,應采取措施進一步控制基坑變形。

3.2 采用地中壁工法的深基坑開挖有限元分析

采用Shell單元來模擬地中壁工法在基坑開挖中的作用,通過先挖土后支撐的分層開挖模擬,可以得出基坑在采用地中壁工法開挖施工下的變形情況。圖8為地中壁工法、圍護墻及隧道模型圖,圖9為計算結果。

圖8 地中壁、圍護墻及地鐵隧道模型圖

圖9 采用地中壁工法開挖圍護墻及隧道總位移云圖

通過三維預測分析,采用地中壁工法情況下,基坑開挖完成時,大坑北側圍護墻最大側向變形為27 mm,坑外最大地表沉降為19 mm,大坑南側圍護墻最大側向變形為15 mm,窄坑南側圍護墻最大側向變形為9 mm,隧道最大豎向位移為4.6 mm,最大水平位移為5.5 mm,可基本滿足鄰近地鐵運營保護要求。

3.3 計算結果對比分析

對比圖7與圖9可以看出,地中壁作用斷面地墻變形得到一定的控制,基坑角部墻體位移表現出空間效應,同時,地中壁的附近區域地墻變形也呈現出空間效應。因此,采用地中壁工法可有效控制深基坑變形。

圖10和圖11為窄坑開挖完成緊鄰的地鐵隧道位移計算結果對比。從中可以看出,采用地中壁工法可以進一步減少基坑開挖對鄰近隧道的影響。

圖10 下行線隧道豎向位移計算結果對比

圖11 下行線隧道水平位移計算結果對比

4 工程實測與計算預測比較

根據有限元分析結果,“協和二期”工程采用了地中壁工法進一步控制基坑變形,并在施工中實施信息化的監測監控,動態設計管理。在整個工程施工過程中,大坑開挖至坑底時北側圍護墻最大側向變形為28.3 mm,大坑南側圍護墻最大側向變形為16.8 mm,坑外地表沉降最大值19.4 mm;窄坑開挖至坑底時,窄坑南側圍護墻最大側向變形為10.5 mm,隧道最大豎向位移為4.8 mm。圖12和圖13為實測與計算結果對比情況。

通過工程實測與計算預測結果對比可知,利用以往工程實測反分析得出的計算參數,采用三維有限元分析的方法,可以有效地計算預測基坑開挖產生的墻體變形及鄰近地鐵隧道的變形;同時,有限元分析及工程實測均表明,在采取了加強圍護結構剛度、分區開挖、及時支撐、坑內加固等措施后,采用地中壁工法可進一步控制深基坑開挖變形,減少對鄰近地鐵隧道的影響。

圖12 地墻側向變形計算與實測結果對比

圖13 下行線隧道豎向位移計算與實測結果對比

5 結語

本文通過計算分析及工程實踐,研究分析了地中壁工法控制深基坑變形的機理和作用,并得出以下結論:

(1)地中壁工法可有效控制其作用斷面墻體變形,并對兩側鄰近的地墻側向位移有一定的控制作用,進而達到控制周圍地層變形的作用。對于鄰近地鐵的深基坑開挖,在采取加強圍護結構剛度、分區開挖、及時支撐、坑內加固等措施后,可采用地中壁工法來進一步控制深基坑變形。

(2)利用以往工程實測反分析得出的計算參數,采用三維有限元的分析方法,可有效預測深基坑開挖產生的墻體變形及對鄰近地鐵隧道和周邊建筑物的影響。

本文研究的地中壁工法機理和設計計算方法以及工程實踐,可為類似緊鄰地鐵隧道的深基坑工程提供參考。

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