異形基坑施工變形控制研究

□文/李東哲

隨著土地資源的消耗，大規(guī)模地下空間增多，造成許多地下工程緊鄰既有道路、地鐵、樓房等建（構(gòu)）筑物，形成尺度、形狀及地質(zhì)條件各異的深大基坑。基坑工程屬危險性較大的分部、分項工程，特別是深度大、面積大、形狀不規(guī)則的特殊基坑成為近年來的工程研究熱點[1～2]。工程實踐表明，不同尺度和形狀深基坑引起的地層變形性狀差異較大，給基坑設(shè)計、施工及影響控制帶來諸多困難[3]。目前，深基坑設(shè)計理念已由傳統(tǒng)的強度控制轉(zhuǎn)向變形控制，變形控制、監(jiān)測及預(yù)測工作成為基坑施工的重要組成部分。

對于傳統(tǒng)圓形和方形基坑的開挖方法、支護方案及變形特性，已有大量的研究成果。文獻(xiàn)[4]通過對上海地區(qū)不同直徑的圓形基坑、不同開挖面積的方形基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，認(rèn)為大尺寸的基坑將引發(fā)更大基坑圍護結(jié)構(gòu)變形。文獻(xiàn)[5]通過對北京地鐵30 個明挖車站現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，指出北京地鐵車站深基坑開挖引起的地表變形多表現(xiàn)為"凹槽形"。文獻(xiàn)[6]針對鄰近既有地鐵車站的基坑變形性狀進(jìn)行了研究，指出由于車站結(jié)構(gòu)剛度大，對基坑周圍上層位移傳遞具有一定的隔斷作用，因此靠近車站一側(cè)的地下連續(xù)墻最大側(cè)移量減小，另一側(cè)的地下連續(xù)墻最大側(cè)移量增加。

對于異形基坑工程的變形特性，也已有一些研究成果。Tan 等[7]研究了上海某順作法地鐵車站深基坑的變形性狀，發(fā)現(xiàn)長條形基坑的墻后土體沉降小于一般基坑；但由于長邊效應(yīng)，長邊墻后地表沉降影響范圍卻比一般基坑大。文獻(xiàn)[8]以某地鐵車站異形斷面基坑工程為例，采用二維有限元法對其施工進(jìn)行了模擬，重點分析了變形特性及圍護樁剛度、支撐形式、土層加固、土臺寬度對基坑圍護樁側(cè)向變形的影響。文獻(xiàn)[9]以上海某異形基坑為依托，對其變形特征進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明不同位置處的圍護結(jié)構(gòu)變形形態(tài)和規(guī)律有較大差異，基坑開挖引起的地表沉降在基坑的不同位置量值變化較大。由此看出，形狀因素對異形基坑變形的影響極為重要，會增大開挖和支護工程的難度。

隨著地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，天津地區(qū)出現(xiàn)了大量鄰近既有地鐵車站的深大基坑工程。天津地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，除北部基巖裸露外，其余地區(qū)均為第四系松散沉積層分布區(qū)，面臨著地表沉降、軟土地基和地基液化等問題，是典型的軟土地區(qū)之一[10]。文獻(xiàn)[11]以天津軟土地區(qū)地鐵5 號線和6 號線車站基坑工程為依托，對天津軟土地區(qū)基坑開挖過程中圍護結(jié)構(gòu)和坑外地層的變形規(guī)律、變形模式、變形影響因素等問題進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[12]收集了天津地區(qū)74項建筑基坑工程資料，對天津地區(qū)基坑支護設(shè)計影響較大的參數(shù)進(jìn)行了分析，給出了天津地區(qū)建筑基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計整體方案的參考。對近年來興起的鄰近地鐵的深大基坑工程，目前研究成果還較少，尤其對于這類基坑工程的變形性狀，包括圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移、墻后地表沉降最大值，目前工程界仍缺乏較好的認(rèn)識。

本文以天津某典型的深大、異形環(huán)繞地鐵的基坑為工程背景，針對其工程特征及所采用的圍護結(jié)構(gòu)和支護方案，對開挖過程中基坑本體及支護結(jié)構(gòu)的變形特征進(jìn)行了現(xiàn)場監(jiān)測，總結(jié)歸納了典型位置的一般變形規(guī)律及現(xiàn)場經(jīng)驗，以期為天津地區(qū)類似基坑工程提供參考。

1 工程概況

圖1 基坑平面布置

基坑支護方案為地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐形式。地下連續(xù)墻厚800 mm，止水深度32 m，墻頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁；三道混凝土內(nèi)支撐。此外，在裙樓局部電梯坑開挖較深處設(shè)置三軸水泥土攪拌樁，有效樁長為9.0 m。

2 工程地質(zhì)條件

地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層、新近組沉積層、第Ⅰ陸相層、第Ⅰ海相層、第Ⅱ陸相層、第Ⅲ陸相層、第Ⅱ海相層、第Ⅳ陸相層、第Ⅲ海相層、第Ⅴ陸相層、第Ⅳ海相層及第Ⅵ陸相層等。見圖2。

圖2 基坑工程地質(zhì)剖面

3 開挖方案

根基坑開挖遵循“先撐后挖、分區(qū)、分層、分步、對稱開挖、島式、退挖”的原則。

基坑開挖平面分東西側(cè)兩個區(qū)，兩個區(qū)分層、對稱開挖，確保兩側(cè)挖土部位和深度一致。豎向分四層，首先挖除水平支撐處土方，進(jìn)行水平支撐施工及養(yǎng)護；待支撐體系養(yǎng)護達(dá)到設(shè)計要求后，采用中心島退臺開挖方式進(jìn)行下層土方開挖，挖至基底標(biāo)高時預(yù)留30 cm，人工清槽。見圖3。

圖3 基坑開挖方案

4 變形監(jiān)測方案

由于基坑工程的復(fù)雜性，現(xiàn)有理論不能同時考慮復(fù)雜地層、環(huán)境、地下水變化、支護剛度變化、支護時機等因素對變形的影響。現(xiàn)場實測變形數(shù)據(jù)是施工過程中各種影響因素綜合作用結(jié)果的集中體現(xiàn)；因此，對基坑工程實測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，是為工程設(shè)計、施工提供指導(dǎo)的有效途徑。

監(jiān)測分為人工監(jiān)測與自動化監(jiān)測兩部分。人工監(jiān)測主要針對基坑典型部位變形，包括周邊地表沉降及裂縫，坑外水位，建筑物沉降、傾斜、裂縫，管線沉降；自動化監(jiān)測主要針對既有地鐵車站與既有隧道的典型部位變形，包括車站主體沉降、水平位移、裂縫和既有軌道收斂、隆沉。其中，地表沉降監(jiān)測初始值在地下連續(xù)墻施工前7 d采集。基坑監(jiān)測點布置見圖4。

圖4 基坑工程監(jiān)測點布置

5 結(jié)果分析

5.1 地表沉降變形

在基坑開挖的初始階段，由于開挖深度淺，地表變形相對較小，沉降基本為5 mm 以內(nèi)；同時，在第一層環(huán)形支撐體系的作用下，地表沉降會逐漸趨于穩(wěn)定。隨著開挖的進(jìn)行，沉降速率增大，累計沉降迅速增大，但是隨著內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施作完成，變形仍然會逐漸趨于穩(wěn)定。之后，隨著開挖深度的逐次加大以及基坑土體排水固結(jié)等的作用，沉降變形持續(xù)累積。開挖結(jié)束后，地表沉降基本趨于穩(wěn)定，保持在20 mm 范圍內(nèi)。見圖5。

圖5 地下連續(xù)墻后部地表沉降特征曲線

需要注意的是，由于分層分段開挖造成坑底土體高低不平，而且平面形狀不規(guī)則；受此影響，會導(dǎo)致基坑處于非對稱的受力狀態(tài)，各位置變形表現(xiàn)出不同的變形量。例如，DBC-10位于基坑長邊的邊角部位，相對于其他位置，支護剛度較小，因此沉降值較大。

中醫(yī)藥調(diào)節(jié)腫瘤轉(zhuǎn)移前微環(huán)境雖然已有學(xué)者提出[29-30]，但關(guān)于轉(zhuǎn)移前微環(huán)境的形成、功能、動力學(xué)等問題迄今尚未明確，需要進(jìn)一步研究。希望利用中藥多靶、微效、雙向調(diào)節(jié)等特點，通過對腫瘤功能基因網(wǎng)絡(luò)的影響，在腫瘤相關(guān)生物分子基因表達(dá)和組合上發(fā)揮整體調(diào)節(jié)作用。

同時可以看出，地表最終沉降值是小于開挖過程中最大沉降值的，但差值在5 mm 以內(nèi)。原因在于，開挖之后的環(huán)形支撐結(jié)構(gòu)施作需要一段時間，在這一支護真空階段，土體變形速率相對較大。環(huán)形支撐體系施作完成后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)具有了較大的剛度，可以有效承擔(dān)作用于地表側(cè)移的土壓力，從而使地表變形減小并趨于收斂。

圖6 為基坑地下連續(xù)墻后部土體DBC-01 沉降監(jiān)測斷面的變形特征曲線。

圖6 地表沉降模式特征曲線

由圖6可以看出，基坑周圍的地表變形模式為“凹槽形”，即最大沉降點距基坑邊尚有一定距離。原因在于，該基坑工程設(shè)置了良好的支護結(jié)構(gòu)，基坑邊緣土體受到支護結(jié)構(gòu)的約束作用較大，因此地表最大沉降點距離基坑邊緣有一定距離。隨著基坑開挖深度增加，沉降最大點向基坑方向靠近。同時，各測點沉降值隨開挖過程而持續(xù)累積增大，即地表受影響程度隨著開挖深度的增加而增大。

5.2 基坑側(cè)壁土體水平位移

根據(jù)基坑深孔水平位移實測數(shù)據(jù)，繪制典型深度-位移曲線，ZQT-01測斜孔的位移特征曲線見圖7。

圖7 測斜孔位移特征曲線

由圖7 可以看出，各深度處土體水平位移均隨著基坑開挖深度的增加而增大。測斜孔最大水平位移基本出現(xiàn)在基坑開挖至基底標(biāo)高，即開挖結(jié)束時，最大累計水平位移最大值為17.00 mm。隨著基坑開挖結(jié)束，坑底結(jié)構(gòu)和支護結(jié)構(gòu)施作完成，位移變化速率相應(yīng)減小并逐漸趨于穩(wěn)定。

水平位移在垂直方向呈“凸”字形特征，具體表現(xiàn)為中部大、上部和底部較小甚至無變形。同時，在基坑開挖的初始階段，水平位移最大處靠近上部，隨著開挖深度的增加，凸出部位逐漸下移，但基本保持在10～17.5 m深度范圍內(nèi)。

5.3 支護結(jié)構(gòu)水平位移

通過支護結(jié)構(gòu)表面水平位移可以及時了解支護結(jié)構(gòu)在開挖過程中的變形，見圖8。

由圖8 可以看出，基坑支護結(jié)構(gòu)表面的水平位移均指向坑內(nèi)。地下連續(xù)墻頂部的水平位移呈增大-減小-增大-收斂至穩(wěn)定狀態(tài)的規(guī)律，位移量值在20 mm范圍內(nèi)。

基坑開挖初期，在開挖卸荷作用下，地下連續(xù)墻后部土體的土壓力迅速增大，導(dǎo)致地下連續(xù)墻側(cè)移，基本在10 mm 范圍內(nèi)；之后，當(dāng)環(huán)形支撐體系施作后，地下連續(xù)墻在其支護作用下變形有所恢復(fù)；隨著開挖的繼續(xù)進(jìn)行，地下連續(xù)墻水平位移又出現(xiàn)顯著增大，但在環(huán)形支撐體系作用下，變形得到有效控制并逐步收斂至穩(wěn)定。

圖8 地下連續(xù)墻頂部水平位移特征曲線

本基坑的特點是形狀復(fù)雜，支護結(jié)構(gòu)布置不對稱；因此，地下連續(xù)墻各部位變形量也有所區(qū)別，基本上長邊中心附近的變形相對較大；而在支撐結(jié)構(gòu)相對密集的地方，變形相對較小。總體而言，基坑變形在地下連續(xù)墻和環(huán)撐支撐結(jié)構(gòu)作用下得到了有效控制。

5.4 軌道和鄰近構(gòu)筑物變形

基坑周圍環(huán)境復(fù)雜，環(huán)繞地鐵車站且周圍地表存在大量建筑物；因此，保證其地鐵隧道及地表建筑物的附加變形在安全標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，不會影響建(構(gòu))筑物的安全性，是變形控制的一個重點。圖9和圖10分別為地鐵隧道內(nèi)軌道結(jié)構(gòu)和基坑附近加油站典型位置的垂直位移特征曲線。

圖9 軌道結(jié)構(gòu)變形特征曲線

圖10 加油站變形特征曲線

由圖9 和圖10 可以看出，在基坑開挖的擾動下，鄰近建(構(gòu))筑物均出現(xiàn)了不同程度的變形。其中，由于地鐵隧道上部土體的開挖卸荷作用，軌道結(jié)構(gòu)的變形以隆起為主，隨著開挖深度的增大，變形逐步累積，在基坑工程施工結(jié)束時，變形量值基本控制在5 mm范圍內(nèi)，符合規(guī)定。對于基坑附近的加油站，其變形基本呈沉降-隆起-穩(wěn)定的變化規(guī)律，變形值在10 mm范圍內(nèi)。由于開挖初期地下連續(xù)墻后部土體的沉降影響，加油站建筑物的地基下沉，建筑物隨之出現(xiàn)沉降現(xiàn)象；之后，在環(huán)形支撐體系的支護作用下，沉降變形恢復(fù)并出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。隨著開挖工程及支護工程的連續(xù)進(jìn)行，建筑物變形速率逐漸減小并趨于收斂。

6 結(jié)論

1）本工程的基坑形狀復(fù)雜，土體開挖分層分塊，支撐逐步澆筑完成，相應(yīng)地基坑變形也表現(xiàn)出階段性特征。隨著開挖深度的增加，基坑地下連續(xù)墻后部的地表沉降逐漸增大，但沉降量控制在20 mm 范圍內(nèi)。同時，地表最終沉降值是小于開挖過程中最大沉降值的，但差值在5 mm 以內(nèi)。由于地下連續(xù)墻和環(huán)形支撐結(jié)構(gòu)的支護作用，基坑周圍的地表變形模式為“凹槽形”。

2）根據(jù)地下連續(xù)墻后部土體的深孔水平位移監(jiān)測結(jié)果，基坑側(cè)壁土體在垂直方向上的水平位移呈“凸”字形，最大水平位移為17.00 mm。隨著開挖深度的增加，凸出部位逐步向下移動，但基本保持在10～17.5 m 深度范圍內(nèi)。支護結(jié)構(gòu)表面的水平位移方向均指向坑內(nèi)。與開挖和支護過程相對應(yīng)，水平位移呈增大、后減小、再增大、然后收斂至穩(wěn)定狀態(tài)的規(guī)律，位移量值控制在20 mm 范圍內(nèi)。由于支護結(jié)構(gòu)的布置不對稱，地下連續(xù)墻各部位變形量有所區(qū)別，基本上長邊中心附近的地下連續(xù)墻變形相對較大。在基坑開挖行為的擾動下，基坑鄰近建(構(gòu))筑物均出現(xiàn)了不同程度的變形響應(yīng)，但均控制在安全值范圍內(nèi)。

3）通過地下連續(xù)墻和環(huán)形支撐支護體系，可以充分發(fā)揮各構(gòu)件的力學(xué)性能，安全可靠，經(jīng)濟合理，施工便利，能夠在穩(wěn)定性和控制變形方面滿足對周圍環(huán)境保護的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。□■