杭州地鐵彭埠站基坑計(jì)算與監(jiān)測結(jié)果分析

雷 崇

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 工程概況

1.1 工程簡介

彭埠站位于規(guī)劃的彭埠路與錢潮路十字路口,沿彭埠路東西方向置于道路下方；車站總長443.9 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬44.5 m；整個(gè)地鐵車站由地下車站主體、8個(gè)出入口(包括4個(gè)資源開發(fā)出入口)和風(fēng)亭三部分組成。

車站主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻加鋼支撐形式。標(biāo)準(zhǔn)段基坑深16～17 m,端頭井17～18 m,地連墻插入比0.9～1.0。車站形狀不規(guī)則,且為長條形基坑,設(shè)計(jì)時(shí)將車站沿長度方向分為A、B、C 3個(gè)區(qū),依次分別開挖施工。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

本場地淺層地下水屬潛水類型,主要賦存于上部填土層及粉土、砂土層中,補(bǔ)給來源主要為大氣降水及地表水,并隨季節(jié)而變化,其靜止水位埋深一般在0.5～3.4 m；第二層為承壓水,主要分布于深部的(12)4、(14)2圓礫層中。本場地各土層的分層描述及土層物理力學(xué)參數(shù)見表1[1]。

2 基坑計(jì)算模型及監(jiān)測方案

2.1 基坑計(jì)算原則及模型

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)按平面問題進(jìn)行分析,取“荷載-結(jié)構(gòu)”模式,采用“增量法”原理，進(jìn)行開挖與回筑階段各工況結(jié)構(gòu)計(jì)算。圍護(hù)結(jié)構(gòu)按“m”法進(jìn)行內(nèi)力和位移的計(jì)算：在施工階段,按施工過程進(jìn)行受力計(jì)算,開挖期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)作為支擋結(jié)構(gòu),承受全部的水土壓力及地面荷載。其受力分析模擬了施工過程,遵循“先變位,后支撐”的原則,在計(jì)算中計(jì)入結(jié)構(gòu)的先期位移值及支撐變形。連續(xù)墻按彈性地基梁計(jì)算,在開挖面以下的土體以彈簧模擬,鋼支撐作為彈性壓縮的桿件。基坑采用明挖順作法施工,各施工階段結(jié)構(gòu)荷載工況模型示意如圖1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

在建筑深基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)中,往往需要多道支撐方能保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的合理受力和穩(wěn)定,而支撐的設(shè)置一般是在開挖到相應(yīng)的位置后及時(shí)施設(shè),以利基坑的穩(wěn)定。在施工的不同階段,圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐體系和土體所形成的結(jié)構(gòu)體系不斷變化,土壓力也隨著開挖的進(jìn)行而不斷變化,增量法計(jì)算真實(shí)地模擬了施工開挖各階段的結(jié)構(gòu)受力形式,對變化了的結(jié)構(gòu)形式施加相應(yīng)開挖階段的增量荷載,并計(jì)算由增量荷載所產(chǎn)生的增量內(nèi)力和變形,與前階段已經(jīng)產(chǎn)生的內(nèi)力和變形疊加形成各階段計(jì)算內(nèi)力和變形值。這樣的計(jì)算模式符合實(shí)際的開挖進(jìn)程,比較科學(xué)合理。“增量法”圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析過程[2-5]如下。

(1)開挖至第一道支撐處(工況1),被動(dòng)側(cè)基坑以下為土體彈性支點(diǎn)。內(nèi)力變形分析得出本開挖階段所產(chǎn)生的計(jì)算內(nèi)力和變形值。

(2)安裝第一道支撐,基坑開挖至第二道支撐處(工況2),墻背施加本開挖階段的水土壓力增量及開挖土體部分卸載(拆掉土體彈簧反加抗力模擬),被動(dòng)側(cè)基底以下為土體彈性支點(diǎn)。將本階段內(nèi)力變形值與第一階段所產(chǎn)生的內(nèi)力變形值疊加后即得本階段的計(jì)算內(nèi)力和變形值。

(3)其他幾個(gè)工況分析計(jì)算原理同(2)。

2.2 基坑監(jiān)測方案

為使開挖工作順利進(jìn)行,驗(yàn)證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量,對基坑進(jìn)行開挖過程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。主要監(jiān)測內(nèi)容有：地下連續(xù)墻側(cè)向位移、地下連續(xù)墻鋼筋應(yīng)力、鋼支撐軸力、坑外地下水位、地表沉降、坑底隆起。基坑A區(qū)形狀較為規(guī)則,長、寬、深都較大,為了分析的方便,本文只給出A區(qū)的監(jiān)測結(jié)果。A區(qū)監(jiān)測點(diǎn)平面布置如圖2所示。

圖1 各施工階段荷載工況模擬示意

圖2 A區(qū)監(jiān)測點(diǎn)平面布置

(1)地下連續(xù)墻側(cè)向位移。共設(shè)19個(gè)測斜孔,編號CX01～CX19。測斜管長度與地下連續(xù)墻深度相同。

(2)地下連續(xù)墻鋼筋應(yīng)力。共設(shè)4組鋼筋應(yīng)力計(jì),編號GA01～GA04。每組5支,迎土面2支,背土面3支。

(3)鋼支撐軸力。共設(shè)10組軸力計(jì),編號ZL1～ZL10。其中端頭井每組5支,標(biāo)準(zhǔn)段每組4支。

(4)坑外地下水位。共設(shè)9個(gè)水位觀測孔,編號W01～W09,孔深25 m。

(5)地表沉降。共設(shè)8組沉降觀測點(diǎn),編號CJ1～CJ8,每組5個(gè)測點(diǎn),每個(gè)測點(diǎn)離基坑邊緣的距離分別是2、6、14、24、36 m。

(6)坑底隆起。共設(shè)9組回彈觀測點(diǎn),編號HT1～HT9。

3 計(jì)算與實(shí)測結(jié)果對比分析

3.1 地連墻側(cè)向位移(備注：“-”表示變形向基坑內(nèi),“+”表示變形向基坑外)

3.1.1 側(cè)向位移的監(jiān)測結(jié)果分析

為了比較端頭井和標(biāo)準(zhǔn)段連續(xù)墻側(cè)向位移的異同,選取CX01、CX06兩個(gè)測點(diǎn)。同時(shí)因?yàn)镃X01為斜撐,CX06為對撐,又選取相應(yīng)的CX19、CX12作為對比。從圖3、圖6可以看到位移隨著開挖深度的增加而增加。在未加鋼支撐之前,圍護(hù)結(jié)構(gòu)是懸臂梁形式,位移呈上大下小。在有預(yù)應(yīng)力的鋼支撐加上之后,連續(xù)墻頂端逐漸向坑外移動(dòng),開挖面附近由于卸荷的作用向坑內(nèi)移動(dòng),位移呈單調(diào)彎曲的弓形,最大位移一般出現(xiàn)在開挖面下1～2 m處,隨著開挖的進(jìn)行,最大位移點(diǎn)逐漸向下移動(dòng)。在開挖完成,澆筑墊層時(shí)位移達(dá)到最大值,隨著墊層的硬化和主體結(jié)構(gòu)各層板的澆筑,位移逐漸穩(wěn)定,甚至有所減少。

變形曲線呈單調(diào)彎曲的弓形,對于單撐的支護(hù)墻來說,是可以想象的。但是此基坑采用4道或5道預(yù)加應(yīng)力的鋼支撐,在中間支撐點(diǎn)處按理論應(yīng)出現(xiàn)反向彎曲,但是這里的實(shí)測曲線表明并非如此,曲線均仍呈單調(diào)彎曲的弓形。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因,是因?yàn)榈诙乐我话憧偸窃陂_挖到第二道支撐的底高程以下才設(shè)置。因此,第二道支撐作用的滯后延續(xù)時(shí)間較長。在這一過程中,按傳統(tǒng)的方法計(jì)算的第二道支撐的支撐力,部分將由第一道支撐與坑底以下的被動(dòng)土壓力承擔(dān),第二道支撐實(shí)際受力不僅滯后而且小得多,因此大大改變了支護(hù)墻的理論受力情況。至第二道支撐真正發(fā)揮作用時(shí),連續(xù)墻已產(chǎn)生較大的拱出變形。下面幾道撐的機(jī)理與上述描述的相同,由此可見這種現(xiàn)象具有一定的普遍性。

圖3的CX01與圖4的CX19為同一斜撐測斜對應(yīng)測點(diǎn)。從圖中可以看到二者曲線形式相同,變形位移對稱,最大位移量差別不大,都小于設(shè)計(jì)值。最大位移點(diǎn)都在19 m左右,即基坑底面下2 m處。

圖3 CX01的位移變化曲線

圖4 CX19的位移變化曲線

3.1.2 設(shè)計(jì)與監(jiān)測結(jié)果的差異分析

盡管端頭井的位移和設(shè)計(jì)值差別不大,但是從表2中我們可以發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)段處的位移與計(jì)算值比較均偏大,最大為CX15(-85.52 mm),遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值。為了探討這種差異的原因,給出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段的一個(gè)斷面(CX06-12斷面)處的位移、軸力、彎矩、剪力理論計(jì)算包絡(luò)圖(圖5)。

表2 測斜孔最大位移匯總

從位移包絡(luò)圖可以看到,位移曲線呈弓形,最大位移出現(xiàn)在基坑底面下1～2 m處。這與圖6中CX12的實(shí)測結(jié)果吻合。但是也存在一些異同：(1)計(jì)算結(jié)果在地連墻底端存在10 mm左右的位移,但實(shí)測值為0。這是因?yàn)闇y斜儀假定地連墻底端固定不動(dòng),位移為0,即置于地連墻中的測斜儀本身是無法測量墻底位移的。(2)實(shí)測位移要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于計(jì)算值。計(jì)算最大值為39.8 mm,而實(shí)測最大值接近70 mm。如果考慮到地連墻底端還存在部分位移,實(shí)測結(jié)果會(huì)更大。究其原因分析如下。

注：“+”表示變形向基坑內(nèi),“-”表示變形向基坑外。圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu) CX06-12斷面計(jì)算內(nèi)力位移包絡(luò)圖

(1)從計(jì)算理論上來說,計(jì)算結(jié)果采用“增量法”,遵循“先變位,后支撐”。“增量法”是一種彈性方法,故計(jì)算得來的位移也應(yīng)屬于彈性位移。但是實(shí)際上,土是一種復(fù)雜的黏彈塑性體。特別是對于本工程區(qū)域內(nèi)的砂質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)黏土的地層,土的流變性很大,變形隨時(shí)間的發(fā)展很明顯,而不僅僅是彈性位移。從比較中可以看到,“增量法”算得的位移會(huì)比實(shí)際位移偏小。

(2)基坑周邊的超載過大。本站基坑范圍分布著深厚淤泥質(zhì)黏土,土層靜止側(cè)壓力系數(shù)較大(達(dá)到0.6),圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壓力及變形對地面超載特別敏感；這可以從圖7中CX06的變化曲線看出。CX06的最大位移不再是向坑內(nèi),而是向坑外,最大位移點(diǎn)處在地連墻的最上端。整個(gè)地連墻14 m以上向坑外傾斜。這是因?yàn)镃X12測點(diǎn)處于車站臨時(shí)出入口附近,此處堆載有大量的鋼筋而且有2臺(tái)50 t吊車也放置于此,運(yùn)輸土方的車輛也從此經(jīng)過。過大超載使CX12附近地連墻位移向坑內(nèi)過快發(fā)展,支撐架設(shè)之后,通過支撐力的傳遞,此測點(diǎn)對面對應(yīng)的CX06附近地連墻則向坑外變形。在開挖至基坑底附近時(shí),正趕上杭州地鐵某車站基坑垮塌事故,所有地鐵車站被停工檢查,導(dǎo)致當(dāng)時(shí)鋼支撐也未能及時(shí)架設(shè),由于時(shí)間效應(yīng),造成了此處的位移過大。

圖6 CX12的位移變化曲線

圖7 CX06的位移變化曲線

(3)基坑的空間效應(yīng)。在端頭井,支撐設(shè)置較密,側(cè)向位移受到剛度很大的端墻約束,從而抑制側(cè)向位移的發(fā)展。在標(biāo)準(zhǔn)段越是靠近基坑中部的位置,側(cè)向位移越大[6]。

(4)支撐架設(shè)不及時(shí),有滯后現(xiàn)象。日本東京某工程對支撐的及時(shí)性效果做過試驗(yàn),試驗(yàn)表明未及時(shí)架設(shè)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu),最大水平位移為30 mm,而及時(shí)支撐的結(jié)構(gòu)其最大水平位移只有10 mm。

(5)實(shí)際巖土力學(xué)參數(shù)與計(jì)算值的差異。在勘測取值時(shí),由于軟黏土靈敏度很高,土很容易受到擾動(dòng),這就造成了力學(xué)參數(shù)取值的偏差。

3.2 支撐軸力

圖8給出了ZL7(CX06-12斷面)的軸力變化曲線。從曲線上可以看出,鋼支撐在架設(shè)時(shí)由于施加有預(yù)加軸力,所以起初軸力并不為零。隨著開挖的進(jìn)行,第一道支撐軸力逐漸增大,在施加完第二道支撐后軸力逐漸減小而后趨于穩(wěn)定。二、三、四道撐的變化規(guī)律基本上和第一道撐相似。總體上來說從上往下,軸力值依次增加。

注：“+”表示壓力。圖8 ZL7的軸力變化曲線

比較圖5中支撐最大軸力和圖8的軸力曲線可以發(fā)現(xiàn),計(jì)算結(jié)果和實(shí)測值變化規(guī)律基本相同,最大軸力值也比較接近。這說明用“增量法”計(jì)算,內(nèi)力值和實(shí)際相差不大。

3.3 地表沉降(注：“-”表示回彈,“+”表示下沉)

圖9給出了CJ1、CJ3、CJ6三組測點(diǎn)的地面橫向沉降曲線,每組5個(gè)測點(diǎn),每個(gè)測點(diǎn)離基坑邊的距離分別為2、6、14、24、36 m。測量范圍約為2倍的基坑開挖深度。從圖中可以看到CJ1、CJ6曲線形式相同,均為漏斗狀,由于地連墻外側(cè)與土體的摩擦力可以約束土體下沉,故靠近支護(hù)墻處的沉降量并不大,沉降最大值通常出現(xiàn)在距基坑邊1倍開挖深度附近。CJ1處于端頭井段,而CJ6處于標(biāo)準(zhǔn)段,由于空間效應(yīng),CJ6的值要大于CJ1；CJ3的曲線有所不同,可以看到地表有部分回彈情況,這也印證了墻體測斜中此處CX05、CX06點(diǎn)墻體位移為正值(即向坑外發(fā)生位移),CJ6的曲線反映地表沉降較大,這與墻體測斜中CX12、CX13的位移值-66 mm正好對應(yīng)(向坑內(nèi)發(fā)生位移)。

圖9 坑側(cè)地面橫向沉降曲線

圖10給出了坑側(cè)縱向沉降曲線。測點(diǎn)分別為CJ5-3、CJ6-3、CJ7-3、CJ8-3,測點(diǎn)距所對應(yīng)的基坑邊緣均為14 m。從圖中可以看到,縱向曲線也為漏斗狀。如前所述,這也是由基坑的空間效應(yīng)造成的。地層縱向不均勻沉降對平行于基坑側(cè)墻地下管線的影響至關(guān)重要,對此問題的研究和治理,在國內(nèi)外文獻(xiàn)中尚少見聞[6]。

圖10 坑側(cè)地面縱向沉降曲線

3.4 坑底隆起

圖11為坑底橫向回彈曲線,測點(diǎn)分別為HT1、HT2、HT3、HT4、HT5、HT6。從曲線上看,回彈曲線仍為漏斗狀。其中端頭井處的回彈值小于標(biāo)準(zhǔn)段的回彈值,原因如前述。回彈曲線呈漏斗狀即兩邊大中間小的形式,產(chǎn)生這種現(xiàn)象機(jī)理在于：坑底隆起是垂直向卸荷而改變坑底土體原始應(yīng)力狀態(tài)的反應(yīng)。在開挖深度不大時(shí),坑底土體在卸荷后發(fā)生垂直的彈性隆起。坑底彈性隆起的特征是坑底中部隆起最高,而且坑底隆起在開挖停止后很快停止。這種坑底隆起基本不會(huì)引起支護(hù)墻外側(cè)土體向坑內(nèi)移動(dòng)。隨著開挖深度的增加,基坑內(nèi)外的土面高差不斷增大,當(dāng)開挖到一定深度,基坑內(nèi)外土面高差所形成的加載和地面各種超載的作用,就會(huì)使支護(hù)墻外側(cè)土體產(chǎn)生向基坑內(nèi)移動(dòng),使基坑坑底產(chǎn)生向上的塑性隆起,同時(shí)在基坑周圍產(chǎn)生較大的塑性區(qū),并引起坑外地面沉降。這種塑性隆起的特征是兩邊大中間小。

注：“+”表示回彈。圖11 坑底橫向回彈曲線

4 結(jié)語

(1)從本工程的計(jì)算值與實(shí)測值對比分析可以看出,用“增量法”計(jì)算的變形值與實(shí)測值相比偏小,內(nèi)力值與實(shí)測值相差不大。

(2)基坑的時(shí)空效應(yīng)對變形的影響是非常大的。時(shí)空效應(yīng)對于地層自穩(wěn)性差、需要支護(hù)(內(nèi)支撐和錨桿等)的基坑影響尤為顯著,特別是具有流變性的軟黏土地層中的基坑工程[6～8]。在具有流變性的地層中進(jìn)行基坑開挖,當(dāng)施工進(jìn)行到某一階段因某種原因暫停一段時(shí)間,變形會(huì)隨著時(shí)間不斷增長(實(shí)際上在施工期間,土體也具有這種流變性,只是由于時(shí)間較短相對而言不明顯罷了)。為了盡量減少時(shí)空效應(yīng)對基坑工程的影響,這有待施工工藝的提高。比如盡量減少停工時(shí)間,盡快添加鋼支撐。在基坑開挖過程中,有計(jì)劃地對基坑內(nèi)的土體進(jìn)行各種形式的劃分,分段、分層進(jìn)行開挖,以期在每一時(shí)刻都利用坑內(nèi)被動(dòng)土壓力形成的空間作用,形成對支護(hù)墻可靠的支撐。利用土體空間效應(yīng)的方式有多種,有分段、分層開挖,有盆式和島式開挖等。

(3)軟弱土地基對于超載很敏感,施工中要盡量減小基坑周邊的超載量及堆載范圍。

[1] 杭州市勘測設(shè)計(jì)研究院.杭州市地鐵1號線工程一、二期工程市區(qū)段詳勘階段巖土工程勘察報(bào)告[R].杭州：杭州市勘測設(shè)計(jì)研究院, 2007.

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