近接高鐵橋墩車站基坑地連墻變形及彎矩分布規律

彭旸 段志宏 陸志明 張凱

【摘要】

文章依托深圳市城市軌道交通12號線和平站基坑工程，提出5種鄰近橋墩的地下連續墻變形模式：直線型、拋物線型、上反彎型、下反彎型和凹凸型。基于施工實測數據，對不同開挖深度下地下連續墻的變形特性進行了研究。研究表明：隨著下穿段開挖深度的增大，地下連續墻最大變形的方向存在由向坑內到向坑外的轉變;最大坑內變形主要發生于地下連續墻中部范圍內，最大坑外變形主要發生于地下連續墻鄰近地表處;最大日變形量大多都小于1mm。

【關鍵詞】地鐵車站; 變形分類; 彎矩反分析

【中國分類號】U231.3【文獻標志碼】A

1976年，Goldberg等[1]對大量的工程案例進行研究，基坑圍護結構的變形主要由四種基本變形模式組合而成：平動、繞墻趾轉動、繞墻頂轉動和近似拋物線的變形，見圖1。其中前3種變形主要發生在剛性圍護結構中，第4種主要發生在柔性圍護結構中。

1990年，Clough與O’Rourker[2]將帶內支撐或拉錨體系的圍護結構的變形類型劃分為懸臂型、內凸型和復合型，見圖2。懸臂型一般發生于基坑開挖后尚未設置頂部支撐的情況;當頂部支撐施作后，圍護結構頂部位移受到約束，最大變形發生于中部，表現為內凸型;復合型則是兩種情況的組合。

龔曉南[3]在大量工程經驗基礎上，將基坑圍護結構的變形分為4種類型：弓形、深埋型、前傾型與踢腳型，見圖3。其中弓形與踢腳型發生于深厚軟土、且埋深較淺的地層條件下，深埋型適用于圍護結構插入地層較深的情況，前傾型則存在于未設置支撐的基坑中。

李煒明等[4]對某城市地鐵車站異形深基坑地下連續墻的測斜結果進行了統計，將異形基坑地下連續墻的變形類型分為往復型、懸臂型和反彎型三種，并根據坑內、坑外位移的相對大小，將反彎型細分為a、b、c三種類型，見圖4。往復型主要分布于基坑短邊及拐角附近，懸臂型主要分布于標準段未進行土體加固的區域中。

1 依托工程

1.1 基本概況

深圳市城市軌道交通12號線和平站位于橋和路與松福大道交叉口，車站沿橋和路呈東西方向敷設。車站屬于地下兩層島式車站，主體結構采用單柱雙跨框架式結構形式，以明挖順作的方式開展施工。由于松福大道上跨新建成的穗莞深城際鐵路四線高架橋，導致該高架橋30#橋墩和31#橋墩緊鄰和平站主體結構，和平地鐵站圍護結構到30#和31#墩承臺最近距離分別為7.8 m、19.6 m。車站與兩橋墩的相對位置見圖5。

1.2 工程地質條件

和平站原始地貌為濱海灘涂，現已被人工堆填整平為市政道路，地面高程一般在 3.16～3.85 m之間。車站范圍內地層主要包括素填土、填塊石、淤泥、粉質黏土、淤泥質黏土、砂質黏性土、全風化混合花崗巖等。由于本工區車站、區間地段分布了具有軟土性質的淤泥，其結構松軟，承載力低，含水量高，孔隙比大，滲透性低，承載力低，容易產生觸變、流變，容易引起地基變形和失穩。

1.3 支護結構及橋墩保護方案

下穿穗莞深段采用1 200 mm厚地下連續墻，基坑橫斷面共設置五道支撐+一道換撐，第一道為“米”字混凝土撐+中立柱的形式;第二至第五道支撐采用“一”字鋼支撐+中立柱的形式，并設置了鋼圍檁和鋼支撐軸力伺服系統。鋼支撐軸力伺服系統可以通過實施監測并調整鋼支撐軸力的大小來控制圍護結構變形，進而達到保護坑外鄰近建筑物的目的，其安裝于鋼支撐兩端的支撐頭總成見圖6。

下穿穗莞深段橫剖面見圖7。為對穗莞深城際鐵路高架橋進行保護，在基坑圍護結構與高架橋基礎之間采用了隔離樁+旋噴樁的保護方案。

1.4 監測點布置

在和平站基坑施工過程中，工程人員在地下連續墻中埋設了測斜孔以監測施工期間地下連續墻水平位移。地下連續墻測斜（ZQT）的監測點布置見圖8，圖中劃線表示實際施工中該測點的數據缺失。

2 地下連續墻變形模式

基于和平站基坑開挖過程中各地下連續墻測斜數據的統計結果，參考前述各研究人員關于地下連續墻變形的分類思路，將軟土地層中鄰近橋墩的基坑地下連續墻變形分為五種模式：直線型、拋物線型、上反彎型、下反彎型和凹凸型，見圖9。

直線型和拋物線型的主要特征十分明顯，無需贅述。上反彎型由下部的拋物線與上部的反彎的單調曲線組成;下反彎型則由上部的拋物線和下部的反彎的單調曲線組成;凹凸型則由上下兩段拋物線組成。

3 地下連續墻變形規律分析

和平站采取了多種地層變形控制措施，下穿段為整個基坑工程的控制段，非下穿段為標準段。本節將針對控制段地下連續墻在基坑開挖過程的變形規律進行分析探究。

3.1 最大變形幅值分布

下穿段地下連續墻最大坑內位移δi、最大坑外位移δo與基坑開挖深度He的關系，分別如圖10、圖11所示。

由圖可知：直線型僅發生在初始開挖，開挖深度為0.5 m的工況中;拋物線型在開挖深度在11.5 m以內的工況中都有出現;上反彎型在除0.5 m深度以外均有所分布;下反彎型出現在開挖深度為14.5 m和17 m的工況中;凹凸型分布在11.5 m和17 m深的工況中。因此，引起下穿段各類地下連續墻變形模式的平均開挖深度大體上存在如下大小關系：直線型<拋物線型<上反彎型<凹凸型<下反彎型。

由圖10可知，下穿段地下連續墻最大坑內變形不超過開挖深度的0.740 %。由圖11可知，最大坑外變形不超過開挖深度的0.26 %。下穿段各類型地下連續墻的最大坑內（外）變形δi（δo）與開挖深度He之比值的均值，如表 1所示。

通過對地下連續墻最大坑內（外）變形δi（δo）與開挖深度He的分析可知，對于不同的地下連續墻變形類型，最大坑內坑外變形有明顯的不同。對于在開挖深度較淺處發生概率較大的直線型和拋物線型，基坑內外變形的最大值較大，且呈現出坑內變形大于坑外變形的規律;對于在開挖深度較深處發生概率較大的上反彎型、下反彎型和凹凸型，基坑內外變形相對較小，且呈現出坑內變形小于坑外變形的規律。由此可見，隨著下穿段開挖深度的增大，地下連續墻最大變形的方向存在由坑內向坑外的轉變。

3.2 最大變形值的深度分布區間

下穿穗莞深段地下連續墻的最大坑內變形對應深度Himax、最大坑外變形對應深度Homax與開挖深度He的關系，分別如圖12、圖13所示。

由圖可知，直線型僅出現在開挖深度1 m處，其最大坑內（外）位移對應深度僅分布在0.5 m、18 m和墻底處。

由圖12可見，對于下穿段地下連續墻，拋物線型、上反彎型、下反彎型、凹凸型的最大坑內位移對應深度分別位于[He+1.5，He+15.5]m、[He-3.5，He+7.5]m、[He+6.5，He+9.0]m、[He+4.5，He+7.5]m的區間范圍內。這4種類型的最大坑內位移基本分布在基坑開挖面以上。由上述區間的寬度可知，拋物線型、上反彎型的區間寬度較大，數據的離散性較大;下反彎型和凹凸型的區間寬度較小，這說明下反彎型和凹凸型的最大坑內位移對應深度與開挖深度間存在明顯關聯。

由圖13可知，最大坑外位移對應的深度大部分在0～6.5 m的范圍內。拋物線型和上反彎型最大坑外位移對應深度與開挖深度無明顯關系，拋物線型的最大坑外位移主要出現在地下1 m以內，而上反彎型最大坑外位移只存在于地表（地下0.5 m）;下反彎型和凹凸型，最大坑外變形對應深度分別位于[He-12.0，He-8.0]m、[He-11.0，He-6.0]m區間中，不考慮與開挖深度的關系則分別位于[5.0，6.5] m、[3.0，6.0] m的區間內。不考慮開挖深度的情況區間寬度較小，這說明下反彎型和凹凸型最大坑外位移對應深度可能與開挖深度間無明顯聯系。

下穿段各地下連續墻測斜孔最大坑內（外）變形對應深度所在區間的分布情況，如圖14所示。由圖可知，最大坑內變形的出現次數，隨著深度的增加，先增加后減少，最大坑內變形主要發生于（10，20] m（地表以下2/5～4/5地下連續墻高度范圍），占比超過了2/3;最大坑外變形僅出現在（0，5] m、（5，10] m、（20，25] m，最大坑外變形主要發生于（0，5] m（地表以下0～1/5地下連續墻高度范圍）中。

下穿段基坑開挖工況，如表2所示。下穿段坑內、坑外最大日變形量在各工況下的分布，分別如圖15、圖16所示。

由圖可知，下穿段地下連續墻坑內、坑外最大日變形量主要在3 mm、4 mm以內。坑內和坑外的日變形量，都在工況V時達到最大值6.9 mm，對應類型均為上反彎型。工況V開挖的地層為淤泥地層，因淤泥極其軟弱且具有蠕變性，故該工況下地下連續墻變形發展很快。

下穿段地下連續墻最大日變形的分布情況，如圖17所示。由圖可知，絕大部分最大日變形量都位于[0，1） mm區間內，其中，該區間坑內最大日變形占比為78.5 %，坑外則為64.8 %。每日最大日變形量在3 mm以上的占比，坑內為4.4 %，坑外為6.7 %。這說明下穿段較好的控制了地下連續墻的變形，但若最大日變形在3 mm以上時，應保持足夠的警惕。

3.4 地下連續墻變形模式的彎矩分析

基于地下連續墻水平位移監測數據，計算地下連續墻的內力的彎矩反分析方法，理論已經較為成熟，能很好的反映地下連續墻所受到的彎矩。彎矩反分析的關鍵在于擬合函數的選取，本文將采用六次及以上的多項式，利用最小二乘法擬合地連墻變形曲線，具體計算過程參照吳小將等[5]的研究。

5種下連續墻變形模式的彎矩最大值及最大值所在深度的平均值，如表 3所示。由表可知，地下連續墻所受到的最大彎矩主要分布在基坑上部;在開挖深度較淺時，引起的直線型與拋物線型，所受彎矩較小;在挖開深度較深時，引起的其他3類地下連續墻變形類型，所受彎矩較大。其中，上反彎型所受的平均最大彎矩最大，約為最小的直線型的14倍。

4 結論

（1）根據和平站基坑地下連續墻的測斜結果，將近接基坑的地下連續墻變形模式分為：直線型、拋物線型、上反彎型、下反彎型和凹凸型。引起各地下連續墻變形類型的平均開挖深度從小到大為：直線型<拋物線型<上反彎型<凹凸型<下反彎型。

（2）直線型和拋物線型的最大坑內變形整體上大于最大坑外變形，且變形較大，其余三種類型的最大坑內變形整體上小于最大坑外變形，且變形較小，其中，凹凸型的最大變形平均值最小。

（3）地下連續墻最大坑內變形主要位于地表以下約2/5～4/5的地連墻高度的范圍內，最大坑外位移主要分布于地下1/5倍基坑深度范圍內。下反彎型和凹凸型的最大坑內位移對應深度與開挖深度間存在明顯關聯，其余3種類型并不存在這種關聯。

（4）最大日變形量大多小于1 mm。這說明下穿段較好地控制了地下連續墻的變形，但若最大日變形在3 mm以上時，應保持足夠的警惕。

（5）地下連續墻所受到的最大彎矩主要分布在基坑上部;在開挖深度較淺時，引起的直線型與拋物線型，所受彎矩較小;在挖開深度較深時，引起的其他3類地下連續墻變形類型，所受彎矩較大。

參考文獻

[1] Goldberg D， Jaworski W， Gordon D. Lateral Support Systems And Underpinning. Volume II. Design Fundamentals[R]. Washington DC： Federal Highway Administration. 1976： 6-27.

[2] Clough G W， O’Rourke T D. Construction induced movements of in situ walls [C] Proceedings， ASCE Conference on Design and Performance of Earth Retaining Structures Special Publication Geotechnical Special Publication， ASCE， New York， 1990， 25， 439-470.

[3] 龔曉南， 高有潮. 深基坑工程施工設計手冊[M]. 北京：中國建筑工業出版社， 1998.

[4] 李煒明，姚成毅，任虹，等.地鐵車站異形狹長基坑地連墻變形分類及規律研究[J].中國鐵道科學，2019，40（4）：17-26.

[5] 吳小將， 劉國彬， 盧禮順. 基于深基坑工程測斜監測曲線的地下連續墻彎矩估算方法研究 [J]. 巖土工程學報， 2005（9）： 1086-1090.