城市地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律研究

謝裕春，張 潔，王 琦，占有名，高 虎

（1.北京城建勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，北京 100020；2.河南鑫亞地質(zhì)礦產(chǎn)有限公司，河南 鄭州 450000）

目前，地鐵深基坑工程已成為城市地鐵建設(shè)的主要組成部分[1-2]。鑒于地鐵深基坑開挖平面尺寸大、深度大、暴露時間長、風(fēng)險等級高等原因[3-4]，監(jiān)測已經(jīng)成為地鐵車站信息化施工的重要環(huán)節(jié)[5]。開展地鐵車站施工過程圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律研究對安全施工和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計有重要價值[6]。文章依托鄭州地鐵某車站明挖深基坑工程，完成了監(jiān)測方案設(shè)計，分析了該車站部分監(jiān)測項目現(xiàn)場數(shù)據(jù)，給出了地鐵車站施工過程中深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險最大的擴(kuò)大端陽角斷面的圍護(hù)樁水平位移、錨索受力及鋼支撐軸力等主要監(jiān)測項目的變化規(guī)律，目的是基本掌握本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)變化動態(tài)及安全情況，同時為鄭州地區(qū)類似深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 工程概況

車站主體結(jié)構(gòu)采用地下兩層五跨矩形框架結(jié)構(gòu)形式，長300m，寬39m，深12.5～13.5m?；硬捎谩皹跺^+鋼支撐”支護(hù)體系，車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ800@1200鉆孔灌注樁，豎向采用2排錨索，第1層錨索傾角20°、長24m、埋深3.5m，第2層錨索傾角18°、長25m、埋深8.5m。渡線段基坑采用Ф609（t=16mm）鋼管支撐，豎向設(shè)3道鋼支撐?；娱_挖過程穿越地層主要為雜填土、黏質(zhì)粉土及粉質(zhì)黏土，如圖1所示。本場地穩(wěn)定水位埋深為12.2～13.5m，本工程采用坑外降水方式進(jìn)行降水，施工過程確保地下水位處于底板下0.5～1.0m。

表1 基坑開挖穿越地層地質(zhì)

2 監(jiān)測方案

本次數(shù)據(jù)分析主要考慮樁樁體水平位移、支撐軸力及錨索拉力3個主要監(jiān)測項目，如表2所示。部分監(jiān)測點平面位置圖如圖1所示，基坑剖面監(jiān)測點布置剖面圖如圖2所示。

監(jiān)測頻率：（1）基坑開挖期間，1次/d；（2）結(jié)構(gòu)施工期間，1次/2～3d；（3）經(jīng)數(shù)據(jù)分析確認(rèn)達(dá)到基本穩(wěn)定后，1次/月。

表2 監(jiān)測項目、監(jiān)測儀器及布點原則

3 監(jiān)測結(jié)果分析

由于空間效應(yīng)的影響，基坑陽角部位受力情況復(fù)雜，此部位往往是基坑安全的風(fēng)險點。結(jié)合本基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)體系，選擇基坑?xùn)|側(cè)擴(kuò)大端北側(cè)陽角斷面為研究對象。本次監(jiān)測數(shù)據(jù)分析選擇時間段為基坑開挖至基坑主體結(jié)構(gòu)施工完成。

3.1 樁體水平位移

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，選取基坑陽角測點ZQT-18樁體水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其樁體水平位移隨施工過程變化曲線如圖3所示。

圖1 部分監(jiān)測點平面位置圖

圖2 基坑剖面監(jiān)測點布置剖面圖

圖3 ZQT-18樁體水平位移隨施工過程變化曲線

根據(jù)圖3分析如下：（1）2018年10月3日，基坑土方施工開挖至地表以下4.2m，現(xiàn)場第一道錨索施工完畢，基坑圍護(hù)樁處于懸臂樁受力狀態(tài)，樁頂水平位移為-2.10mm；樁體水平位移最大值為-2.9mm（3m處）；第一道錨索施工后，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形有明顯抑制作用；由于土方開挖深度較小，樁身水平位移的影響深度大約為8m。（2）2018年11月25日，基坑土方施工開挖至地表以下10.4m，現(xiàn)場第2道錨索及第3道鋼支撐施工完畢。樁體水平位移最大值為6.8mm（8m處）。（3）2018年12月30日，基坑土方開挖完成，樁體水平位移最大值9.9m（10.0m處），最底部樁體水平位移為5.2mm。（4）2019年3月3日，先后拆除第3道和第2道鋼支撐，由圖3中變形曲線可以看出當(dāng)不再進(jìn)行土方開挖時樁體水平位移蠕變增加量較小。

通過以上分析可以得到，土方開挖的過程中影響樁體最大水平位移的主要因素是開挖深度和基坑保羅時間。從圖3中變化曲線可以看出，鋼支撐及錨索安裝完后對圍護(hù)樁繼續(xù)向內(nèi)發(fā)展有一定抑制作用；樁體變形不僅發(fā)生在開挖面以上，也延伸到開挖面以下。

3.2 錨索拉力

測點MGL-18-1錨索于2018年9月27日完成安裝，于2018年9月28日正式量測；測點MGL-18-2錨索于2018年11月19日完成安裝，于2018年11月21日正式量測。具體MGL-18-1和MGL-18-2受力隨施工過程變化曲線如圖4所示。

圖4 MGL-18斷面錨索拉力隨施工過程變化曲線

由圖4可以看出：（1）受現(xiàn)場天氣變化、建材堆載及車輛運輸?shù)纫蛩赜绊?，錨索受力曲線呈輕微波狀變化。（2）第一道和第二道錨索所受拉力均不大，除預(yù)加拉力初期有部分損失外，錨索受力分別處在82～106kN及168～195kN。（3）第1階段錨索所受拉力受張拉伸長、輕微滑移及黏結(jié)體變形影響等原因，錨索預(yù)應(yīng)力有部分損失，但持續(xù)時間較短；第2階段錨索所受拉力隨土方開挖和內(nèi)支撐施作的變化呈不斷增大趨勢，這個階段一直持續(xù)到基坑開挖施工完成。

根據(jù)上述分析，建議在進(jìn)行基坑樁錨施工時，做好錨索拉拔試驗，避免預(yù)應(yīng)力損失過度，引起拉力大幅下降，造成基坑失穩(wěn)；另外，錨索施加預(yù)應(yīng)力務(wù)必要做好充分準(zhǔn)備以免引起錨桿索拉力不足。

3.3 支撐軸力

測點ZCL-17-2-1鋼支撐軸力計于2018年9月27日完成安裝，測點ZCL-17-2-2鋼支撐軸力計于2018年10月31日完成安裝，安裝完成后即進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。ZCL-17-2斷面鋼支撐軸力隨施工過程變化曲線如圖5所示。

圖5 ZCL-17-1斷面支撐軸力隨施工過程變化曲線

由圖5可知：（1）在鋼支撐完成最初階段，由于鋼支撐端部鋼板應(yīng)變、鋼圍檁與圍護(hù)結(jié)構(gòu)空隙填充的細(xì)石混凝土破壞以及預(yù)應(yīng)力到位錨固措施不到位等原因引起第一道和第二道鋼支撐預(yù)應(yīng)力分別損失了26.7%和9.4%（分別由197.2kN和298kN減少至144.6kN和270kN）。（2）隨著基坑開挖深度不斷加深，開挖土體陸續(xù)卸載，基坑主動土壓力不斷增加，基坑被動土壓力不斷減少，導(dǎo)致樁體水平位移向基坑內(nèi)發(fā)展。由于鋼支撐進(jìn)一步限制圍護(hù)結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)移動，從而造成鋼支撐支撐軸力不斷增大，其變化情況與相應(yīng)位置處樁體水平位移相對應(yīng)。（3）基底完成后，第一、二道支撐軸力逐漸趨于穩(wěn)定，受到現(xiàn)場材料堆載、施工機(jī)械擾動及天氣變化等影響，曲線存在波動現(xiàn)象，但總體趨勢基本保持穩(wěn)定。

以上分析，建議施工單位要關(guān)注鋼支撐安裝質(zhì)量，盡量減少預(yù)應(yīng)力損失過大；基坑周邊嚴(yán)禁堆載，減少基坑主動土壓力，確保基坑安全。

4 結(jié)論

（1）樁體水平位移、錨索拉力及支撐軸力是圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征的重要指標(biāo)，本工程在一定深度范圍內(nèi)黏性土地層采用“樁錨+鋼支撐”支撐體系，可以有效地確保基坑穩(wěn)定。

（2）基坑開挖過程影響樁體最大水平位移的因素主要有：基坑開挖深度及基坑暴露時間，樁體水平位移不僅發(fā)生在基坑開挖面以上，也會發(fā)生在開挖面以下，因此，要確保足夠的圍護(hù)樁入土深度。

（3）同一斷面上錨索和鋼支撐受力在施工過程中變化趨勢一致；基坑錨索和鋼支撐存在應(yīng)力松弛現(xiàn)象，施工過程中應(yīng)采取科學(xué)措施減小預(yù)應(yīng)力損失。

（4）現(xiàn)場監(jiān)測表明，本車站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足要求，但可對圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力進(jìn)行優(yōu)化。如何根據(jù)監(jiān)測結(jié)構(gòu)進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是下步主要工作。