膨脹土深基坑工程對(duì)臨近地鐵變形影響研究

魏金勝, 鄭立寧

(1. 重慶兩江新區(qū)蔡家組團(tuán)管委會(huì)，重慶 401147; 2. 中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610052； 3. 中建地下空間有限公司, 四川成都 610073)

城市建筑用地緊張化與地鐵建設(shè)的趨勢(shì)化是制約我國(guó)城市規(guī)模急需擴(kuò)大的一大矛盾。城市基坑開(kāi)挖深度可達(dá)20～30 m，基坑場(chǎng)地緊湊，甚至緊貼用地紅線(xiàn)，經(jīng)常會(huì)在已建地鐵周?chē)M(jìn)行深基坑開(kāi)挖工程[1]。而膨脹土作為廣泛分布且工程危害嚴(yán)重的特殊土，臨地鐵側(cè)膨脹巖土深基坑工程則更為常見(jiàn)。如武漢地鐵二號(hào)線(xiàn)光谷廣場(chǎng)站深基坑工程，基坑鄰近地鐵僅6 m[2]；又如本文所述基坑，開(kāi)挖深度約23 m，距離地鐵最近2 m。鄰近地鐵的基坑工程施工必然會(huì)對(duì)已有地鐵工程造成一定的影響，需在工程建設(shè)期重點(diǎn)關(guān)注此類(lèi)問(wèn)題[3]。

目前，學(xué)者對(duì)一般性深基坑開(kāi)挖時(shí)對(duì)既有地鐵設(shè)施的影響開(kāi)展了較多的研究，采用的方法為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算等手段，分別分析了上海軟土地區(qū)不同施工因素對(duì)在運(yùn)營(yíng)車(chē)站變形的影響[4]、蘇州軟土地區(qū)深基坑施工影響下地鐵車(chē)站的變形與受力情況[5]、廣州地區(qū)軟土基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵隧道的影響[6]；但是，針對(duì)膨脹土地區(qū)的基坑邊坡的研究，目前關(guān)注點(diǎn)仍只為工程地質(zhì)特性及其評(píng)價(jià)[7]、失穩(wěn)機(jī)理[8]、考慮膨脹壓力分布的基坑設(shè)計(jì)計(jì)算方法[9]等。針對(duì)臨地鐵側(cè)膨脹土深基坑邊坡變形控制方面，GB 50112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)程》[10]、DB 45T396-2007《廣西膨脹土地區(qū)勘察設(shè)計(jì)施工技術(shù)規(guī)程》[11]、DBJ 53T83-2017《云南膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)程》[12]中均未見(jiàn)到明確體現(xiàn)或相關(guān)要求，亦未明確臨地鐵側(cè)膨脹土深基坑邊坡變形規(guī)律。

本文針對(duì)臨地鐵側(cè)膨脹土深基坑邊坡工程，以“綠地中心·蜀峰468超高層項(xiàng)目”深基坑工程為例，在施工期間對(duì)基坑及周邊地鐵設(shè)施進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。考慮膨脹土深基坑分層開(kāi)挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及其鄰近地鐵設(shè)施的變形影響進(jìn)行分析，同時(shí)開(kāi)展數(shù)值模型計(jì)算分析膨脹土深基坑工程對(duì)臨近地鐵變形影響范圍，研究旨為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

工程位于成都市驛都大道地鐵2號(hào)線(xiàn)洪河站A1和A2出口南側(cè)。基坑邊界近乎與地鐵線(xiàn)路走向平行，與A1出口相距僅2.0 m，與A2出口相距15.5 m，與通風(fēng)口相距10.52 m，與地鐵隧道相距約34 m(圖1)，該側(cè)基坑長(zhǎng)約120 m，開(kāi)挖深度為23.0～26.0 m。

D：樁身位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)；DB：地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)；S：地鐵隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)圖1 基坑與地鐵位置關(guān)系

基坑支護(hù)方案采用排樁+三層內(nèi)支撐的復(fù)雜支護(hù)體系。第一層(開(kāi)挖深度0 m)內(nèi)支撐采用兩種截面設(shè)計(jì)，分別為900 mm×700 mm與700 mm×700 mm，第二層(開(kāi)挖深度8 m)與第三層(開(kāi)挖深度16 m)內(nèi)支撐采用兩種截面設(shè)計(jì)，分別為1 400 mm×800 mm與800 mm×800 mm，整個(gè)內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)互相連接成為一個(gè)整體；基坑周?chē)植笺@孔灌注支護(hù)樁共200根，樁長(zhǎng)為30～34 m，樁徑1.2 m，樁間距1.5 m(圖2)。膨脹土深基坑工程對(duì)臨近地鐵變形影響研究2

圖2 基坑支護(hù)示意(單位：mm)

1.2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地巖土體自上而下為第四系全新統(tǒng)人工填土(Q4ml)、第四系中、下更新統(tǒng)冰水沉積層(Q2-1fgl)和白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)泥巖構(gòu)成。場(chǎng)地巖性物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。需要說(shuō)明的是，成都地區(qū)降雨集中6～10月，膨脹土的濕度系數(shù)取0.89，大氣影響深度為3 m，大氣影響急劇深度為1.35 m。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

2 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

地鐵A1出入口位置距離基坑僅2.0 m，故在此側(cè)布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面A-A，針對(duì)基坑開(kāi)挖時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律、基坑開(kāi)挖時(shí)地鐵及其附屬結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律開(kāi)展相關(guān)監(jiān)測(cè)工作，主要為：(1)地鐵及其附屬設(shè)施的變形控制監(jiān)測(cè)，包括：地表沉降監(jiān)測(cè)，地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)；(2)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)，為樁身位移監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布設(shè)位置見(jiàn)圖1，監(jiān)測(cè)頻率見(jiàn)表2。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

試驗(yàn)樁施工完成后，在監(jiān)測(cè)年4月開(kāi)始基坑施工第一層內(nèi)支撐，到監(jiān)測(cè)年12月底第三層內(nèi)支撐基本施工完畢。監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)間為次年的11月份，A-A斷面共計(jì)監(jiān)測(cè)77次。

3.1 樁身水平位移

剖面A-A監(jiān)測(cè)樁樁身變形曲線(xiàn)如圖3所示，監(jiān)測(cè)樁樁身位移隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖4所示。

圖3 樁身水平位移-深度曲線(xiàn)

圖4 樁身位移-開(kāi)挖時(shí)間曲線(xiàn)

由圖3、圖4可見(jiàn)，開(kāi)挖對(duì)樁身的變形影響較為顯著，第一次開(kāi)挖8 m時(shí)最大變形達(dá)到5.86 mm，之后樁身變形由于降雨以及施工影響，處于總體緩慢增加的過(guò)程。當(dāng)?shù)诙油灵_(kāi)挖時(shí)，樁頂總位移為11.03 mm，開(kāi)挖120 d后達(dá)到16.24 mm，之后變形趨于穩(wěn)定。當(dāng)?shù)谌龑油灵_(kāi)挖結(jié)束后樁頂位移達(dá)到24.72 mm，最大位移出現(xiàn)在15 m處，達(dá)到25.44 mm。顯而易見(jiàn)的是，第三層開(kāi)挖的過(guò)程中，樁身24 m處由于土體開(kāi)挖，出現(xiàn)明顯的變形增大趨勢(shì)。

值得注意的是，第三層開(kāi)挖后，第二層內(nèi)支撐所在位置(樁身15 m)處變形也顯著增大，到開(kāi)挖結(jié)束后的變形調(diào)整階段，其變形逐漸與樁頂位移接近。分析認(rèn)為：由于有第一層與第二層內(nèi)支撐的存在。對(duì)于樁身位移具有一定約束作用，使該處樁身位移不再具有至樁頂位移越來(lái)越大的規(guī)律，而是第二層內(nèi)支撐以下呈現(xiàn)該規(guī)律，而第二層內(nèi)支撐與第一層內(nèi)支撐之間位移則逐漸接近。

3.2 基坑周?chē)乇砦灰?/h3>

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的地表位移數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3可見(jiàn)，第一層開(kāi)挖后大部分地表位移并不大，隆起位移占多數(shù)，地鐵A1出口位置，最大沉降位移為2.4 mm。除個(gè)別位置外，大部分位置位移并不明顯。第二層開(kāi)挖后，大部分位移在第一層開(kāi)挖的基礎(chǔ)上有一定增大，地鐵A1出口位置，最大沉降位移為7.1 mm，位于基坑右下側(cè)轉(zhuǎn)角外。第三層開(kāi)挖后，地鐵A1出口位置，最大沉降位移為8.3 mm。

值得注意的是，在第二層與第三層開(kāi)挖后，均有部分位移在隆起與沉降之間變化，也有位移隨著基坑開(kāi)挖深度加深而減小，說(shuō)明基坑實(shí)際地表位移并不是隨著開(kāi)挖深度的加大而加大，實(shí)際地表位移的影響因素較多，受環(huán)境影響較大，如施工、荷載等，所以變化也較為復(fù)雜。但從總體變化規(guī)律可以看出，隨著基坑開(kāi)挖深度的加深，地表位移逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橐猿两滴灰茷橹鳎掖蟛糠蛛S著開(kāi)挖越深，沉降位移越大。

表3 基坑周?chē)乇沓两抵?每次開(kāi)挖沉降量) mm

3.3 地鐵隧道位移

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試軌道位移見(jiàn)圖5。可見(jiàn)地鐵軌道的沉降變形隨著基坑開(kāi)挖深度的加大而增大，為0.28～1.42 mm。基坑第三層開(kāi)挖完后，地鐵軌道最大沉降位移為 1.42 mm，小于地鐵結(jié)構(gòu)變形的控制標(biāo)準(zhǔn) 20 mm，可見(jiàn)基坑開(kāi)挖變形對(duì)地鐵結(jié)構(gòu)的影響較小，基坑開(kāi)挖并未引起地鐵軌道結(jié)構(gòu)發(fā)生較大位移，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)地鐵軌道的變形控制作用明顯。

圖5 地鐵隧道位移-開(kāi)挖階段曲線(xiàn)

4 基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境影響范圍探討

通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法開(kāi)展分析膨脹土深基坑分層開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響范圍。

4.1 數(shù)值模型的建立

4.1.1 建立模型

根據(jù)工程條件，所建模型長(zhǎng)×寬×高分別為225 m×187.4 m×50 m，其中基坑規(guī)模為105.8 m×123 m。模型自上而下有三層地層，其中0～12 m為黏土層，12～34 m為強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，34～50 m為中風(fēng)化泥巖層。模型支護(hù)結(jié)構(gòu)依據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模型。模型邊界向外擴(kuò)展50 m，滿(mǎn)足一般數(shù)值模型中模型邊界距離計(jì)算基坑邊坡邊緣3倍以上樁徑的要求。模型大部分結(jié)構(gòu)采用實(shí)體單元，鉆孔灌注支護(hù)樁采用實(shí)體單元建立，所見(jiàn)基坑模型的平面圖參見(jiàn)圖1，地鐵隧道模型參見(jiàn)圖6。

圖6 地鐵隧道計(jì)算模型

模型中不同地層的物理力學(xué)指標(biāo)按照表1選取。

4.1.2 邊界條件

模型施加的邊界條件為：(1)約束模型底部邊界上所有節(jié)點(diǎn)Z方向的變形；(2)約束模型Y方向兩側(cè)邊界面上的所有節(jié)點(diǎn)Y方向的變形；(3)約束模型X方向兩側(cè)邊界面上的所有節(jié)點(diǎn)X方向的變形。

4.1.3 計(jì)算過(guò)程

(1)采用天然狀態(tài)巖土體參數(shù)生成天然應(yīng)力；(2)采用強(qiáng)度折減巖土體參數(shù)，建立排樁、第一道內(nèi)支撐后開(kāi)挖至第二道支撐底部 8.0 m 計(jì)算工況；建立第二道內(nèi)支撐后開(kāi)挖至第三道支撐底部 15.5 m 計(jì)算工況；建立第三道內(nèi)支撐后開(kāi)挖至基坑底部 23.5 m 計(jì)算工況。

4.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果可靠性分析

對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的差異性進(jìn)行分析(表4)，兩者對(duì)考察點(diǎn)所得的最終數(shù)據(jù)較為接近，只是地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)有較大的差異。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)由于實(shí)體施工的影響會(huì)使周?chē)乇砦⑽⒙∑穑绊懣傮w沉降，但是總體上以沉降為主，對(duì)比兩者可以見(jiàn)差異亦不顯著，差異多小于20 %，可以認(rèn)為數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果效果較好，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可以用于后續(xù)對(duì)于開(kāi)挖影響范圍的探討。

4.3 開(kāi)挖影響范圍初探

提取基坑分層開(kāi)挖過(guò)程中基坑周?chē)乇硭絏向、水平Y(jié)向發(fā)生位移10 mm時(shí)的等直線(xiàn)圖，以明確膨脹土深基坑分層開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響情況。

4.3.1 水平X向位移

每次開(kāi)挖后，位移均集中在與X軸近乎垂直的臨空面附近(圖7)，呈現(xiàn)臨近開(kāi)挖面較大，往遠(yuǎn)處較小的特征，較大位移位于臨空面中部及中下部，呈發(fā)散放射狀。

第一層開(kāi)挖后地表位移很小，位移集中區(qū)在15 m以?xún)?nèi)；第二層開(kāi)挖大部分區(qū)域位移集中在10 m以?xún)?nèi)，較大位移仍集中在靠近地鐵側(cè)；第三層開(kāi)挖后部分區(qū)域位移集中在5～10 m范圍內(nèi)，局部位移較大的趨勢(shì)仍然比較明顯，仍集中在靠近地鐵側(cè)。

表4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的差異對(duì)比 mm

圖7 開(kāi)挖過(guò)程中地表水平X向位移云圖(10mm處)

三次開(kāi)挖過(guò)程中地鐵始終處于影響范圍內(nèi)，但是由于地鐵本身的支護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)開(kāi)挖的影響有一定抵御能力，發(fā)生變形并不明顯，使其保持在合理的范圍之內(nèi)。

4.3.2 水平Y(jié)向位移

由于開(kāi)挖產(chǎn)生臨空面，受開(kāi)挖面后土體的影響，Y方向主要位移出現(xiàn)在與Y軸垂直的臨空面上，呈現(xiàn)拋物線(xiàn)狀，中間大，向周?chē)鷶U(kuò)散越來(lái)越小，符合開(kāi)挖變形規(guī)律(圖8)。第二層開(kāi)挖完成后變形10 mm區(qū)域集中鄰近地鐵5 m以?xún)?nèi)，且位于基坑下方，第三層開(kāi)挖后變形區(qū)域集在基坑上方亦有出現(xiàn)。但是，由于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的控制，地鐵位置沒(méi)有明顯變形與位移。

圖8 開(kāi)挖過(guò)程中地表水平Y(jié)向位移云圖(10mm處)

5 結(jié)論

本文對(duì)緊鄰地鐵側(cè)膨脹土深基坑分層開(kāi)挖過(guò)程對(duì)已建地鐵設(shè)施的影響開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，研究結(jié)果顯示：

(1)深基坑開(kāi)挖采用的支護(hù)形式為排樁+三層內(nèi)支撐的復(fù)雜支護(hù)體系。支護(hù)樁樁身位移最大值隨開(kāi)挖深度的增加而變大，三層開(kāi)挖后最大值在20 mm左右，小于預(yù)警值，支護(hù)效果良好。

(2)距離基坑最近處(約2 m)的出入口A，其地表沉降最大值僅為8.3 mm，并未超過(guò)預(yù)警值；深基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵附屬設(shè)施的影響相對(duì)較小。

(3)地鐵軌道的沉降變形隨著基坑開(kāi)挖深度的加大而增大，在 0.28～1.42 mm 之間，遠(yuǎn)小于地鐵結(jié)構(gòu)變形的控制標(biāo)準(zhǔn)(20 mm)。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)地鐵軌道的變形控制作用十分明顯。

(4)膨脹土深基坑分層開(kāi)挖對(duì)與其平行一側(cè)的地鐵及其附屬設(shè)施(本例為水平X方向)影響較為明顯。三次開(kāi)挖過(guò)程中地鐵始終處于影響范圍內(nèi)，呈現(xiàn)臨近開(kāi)挖面較大，往遠(yuǎn)處較小的特征，較大位移位于臨空面中部及中下部，呈發(fā)散放射狀。但是由于地鐵本身的支護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)開(kāi)挖的影響有一定抵御能力，發(fā)生變形并不明顯，使其保持在合理的范圍之內(nèi)。