濟(jì)南土巖組合地層地鐵車站深基坑變形特性研究*

孫連勇，段淑倩，李明宇，門燕青，周明祥，盧 途

(1.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250101； 2.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，北京 100020； 4.山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250061)

0 引言

地鐵車站深基坑工程平面尺寸和開挖深度往往較大，所處區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，且緊鄰周邊建筑物或構(gòu)筑物、地下管線及周邊道路，開挖過程中，基坑巖土體、圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身以及周圍建筑物的變形和安全都會受到嚴(yán)重威脅，從而導(dǎo)致一系列工程結(jié)構(gòu)存在破壞和失穩(wěn)問題(如基坑土體大變形、周圍地表及地下管線沉降、周圍建筑物傾斜開裂等)[1-2]。

在建濟(jì)南地鐵車站深基坑工程部分標(biāo)段處于地質(zhì)條件復(fù)雜特殊的“上土下巖”軟硬復(fù)合地層[3]，會出現(xiàn)吊腳樁、剛性與柔性圍護(hù)結(jié)構(gòu)非協(xié)調(diào)受力及變形等問題，僅采用數(shù)值模擬手段很難進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測和把握基坑的變形問題。因此，為確保重大深基坑工程施工及周邊建筑安全，實(shí)現(xiàn)基坑及周邊環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測反饋，通過對土巖組合深基坑開挖全過程中巖土體變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，探究時(shí)空演化特征，以達(dá)到指導(dǎo)信息化施工和支護(hù)設(shè)計(jì)的目的。

目前在土巖組合地層深基坑開挖變形與安全穩(wěn)定性分析方面，專家學(xué)者們多采用有限元法和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析展開研究[4-19]，主要涉及吊腳樁支護(hù)方案選擇和支護(hù)效果優(yōu)劣，土巖組合地層深基坑施工中的難點(diǎn)和處理對策，采用不同支護(hù)結(jié)構(gòu)形式時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和巖土體的變形特點(diǎn)與規(guī)律基坑位移發(fā)生位置與土層厚度的關(guān)系與外荷載與既有建筑物埋深對坑外土體變形的影響，支護(hù)樁的變形模式與坑外土體沉降關(guān)系等方面。以上研究成果可為濟(jì)南地鐵車站土巖組合基坑巖土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)分析提供一定借鑒，但由于基坑工程區(qū)域性特點(diǎn)，該地區(qū)以黏土、黃土-灰?guī)r為主的二元復(fù)合地層結(jié)構(gòu)中，深基坑變形無大量相對成熟的特征和經(jīng)驗(yàn)可循，作為研究和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)測變形在基坑施工期的時(shí)空演化規(guī)律仍不清晰，限制了濟(jì)南地區(qū)土巖組合基坑設(shè)計(jì)理論、變形控制標(biāo)準(zhǔn)以及各類風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施的研究與進(jìn)展。

因此，以濟(jì)南CBD地鐵車站深基坑工程為依托，選取中心節(jié)點(diǎn)綢帶公園站和北節(jié)點(diǎn)工業(yè)南路站基坑變形實(shí)測數(shù)據(jù)，探究土巖組合地層中深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形時(shí)空演化規(guī)律，揭示基坑變形對分層開挖施工工序、地質(zhì)條件和不同圍護(hù)體系的時(shí)空響應(yīng)特征，并與有限元數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，對土巖組合地層的地面沉降模式進(jìn)行規(guī)律性總結(jié)，給出典型濟(jì)南深基坑圍護(hù)方案的開挖影響分區(qū)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況與地質(zhì)條件

綢帶公園站位于濟(jì)南CBD中心節(jié)點(diǎn)處，是環(huán)線與M1線換乘車站，環(huán)線車站總長278m，標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)基坑凈寬為24.7m，開挖深度約17.6m，覆土厚約2.9m；M1線車站總長321m，標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)基坑凈寬為24.7m，開挖深度為25.3m，車站范圍無地下構(gòu)筑物及管線(見圖1)。工業(yè)南路站位于中軸線北端，工業(yè)南路南側(cè)為環(huán)線車站，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度為17.5～22.4m。地勢南高北低，高差較大，覆土厚度為2.6～5.9m，工程場地施工期間抗浮設(shè)防水位標(biāo)高按52.000m考慮，二者皆為典型的深大基坑工程。

由圖1可知，本工程場地位于濟(jì)南典型土巖組合地層之中。兩基坑土層層序相對清晰，主體基坑內(nèi)主要有雜填土、黃土、粉質(zhì)黏土、碎石土、全風(fēng)化/強(qiáng)風(fēng)化/中風(fēng)化灰?guī)r和閃長巖，典型的巖土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 基坑場區(qū)主要巖土層物理力學(xué)參數(shù)[3]

圖1 工程環(huán)境和典型工程地質(zhì)剖面

1.2 基坑支護(hù)情況

綢帶公園站支護(hù)結(jié)構(gòu)依地質(zhì)條件進(jìn)行分段處理，環(huán)線采用上部明挖放坡法，下部西側(cè)采用φ800@1 500鉆孔灌注樁(嵌巖樁)加錨索形式，東側(cè)與地下空間一體化施工采用全放坡開挖。M1線上部采用明挖放坡，下部采用φ800@1 200或φ900@1 200鉆孔灌注樁加錨索形式，西端局部采用全放坡。本文選取的典型綢帶公園環(huán)線～軸土巖組合基坑深度為17.4m，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)右側(cè)為三級放坡，噴錨支護(hù)。左側(cè)嵌巖樁施工工序如下：①上部放坡并進(jìn)行噴錨支護(hù)，隨后施工直徑800mm、樁距1 500mm的嵌巖樁(樁底部嵌入中風(fēng)化泥灰?guī)r)、冠梁和第1道預(yù)應(yīng)力錨索(對應(yīng)圖2的第1層開挖)；②向下開挖至第2道錨索以下50cm后，施工第2道預(yù)應(yīng)力錨索(對應(yīng)圖2的第2層開挖)；③待錨索完成張拉后，開挖剩余土石方，直至基底以上30cm，后人工配合小型挖掘機(jī)清底(對應(yīng)圖2第3層開挖)，直至開挖完成。

圖2 綢帶公園站基坑～軸放坡+嵌巖樁支護(hù)剖面

工業(yè)南路站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用明挖法施工，本文選取的①～③軸基坑斷面左側(cè)為三級放坡，前兩級放坡都位于土層中，按1∶0.5放坡，最后一級位于巖層中，按1∶0.3放坡，放坡采用噴錨支護(hù)，如圖3a所示。右側(cè)為典型的吊腳樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑深度為23.48m，分4層開挖。樁體采用φ800mm灌注樁，間距為1 200mm，前兩排錨索間距4.5m，最后1排錨索位于土巖結(jié)合面附近；基巖以下深度范圍內(nèi)(第4層)采用放坡噴錨支護(hù)，下部錨桿呈梅花形布置，錨桿水平間距為1.2m(見圖3b)。

工業(yè)南路站③～⑦軸基坑深度23.48m，左側(cè)為三級放坡，右側(cè)土層厚約16m，分5層開挖，采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式與綢帶公園站～軸基坑斷面左側(cè)支護(hù)相似，亦為放坡+嵌巖樁支護(hù)，樁體采用φ800mm灌注樁，樁距1 200mm，錨索間距為4.5m，最后1排錨索位于土巖結(jié)合面附近(見圖3c)。

圖3 工業(yè)南路站典型深基坑支護(hù)剖面

1.3 基坑監(jiān)測方案

本文重點(diǎn)分析探討基坑周邊地表沉降和圍護(hù)樁體深層水平位移的時(shí)空演化規(guī)律，代表性的監(jiān)測項(xiàng)目與監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 綢帶公園站和工業(yè)南路站基坑監(jiān)測項(xiàng)目和控制標(biāo)準(zhǔn)

綢帶公園站基坑右側(cè)放坡+嵌巖樁代表性監(jiān)測地表沉降點(diǎn)為DBC1+323-(1～9)，其中DBC1+323-(1,3,5,7,9)分別距基坑邊緣1，4，9，14，24m。圍護(hù)樁體深層水平位移代表測點(diǎn)為CX-15-21。工業(yè)南路站①～③軸左側(cè)監(jiān)測地表沉降點(diǎn)DBC1+950-(1,3,5,7,9)分別距基坑左側(cè)邊緣1，4，9，14，24m。工業(yè)南路站①～③軸右側(cè)吊腳樁DBC1+950-(2,4,6,8,10)，③～⑦軸右側(cè)嵌巖樁DBC1+970-(2,4,6,8,10)分別距基坑右側(cè)邊緣1，4，9，14，24m。圍護(hù)樁體深層水平位移監(jiān)測代表點(diǎn)為CX-1-3，CX-3-7。2個(gè)典型地鐵車站各監(jiān)測點(diǎn)位置如圖4所示。

圖4 基坑平面監(jiān)測點(diǎn)布置及坑周監(jiān)測示意

2 基坑實(shí)測變形時(shí)空演化分析

2.1 土巖組合基坑圍護(hù)樁變形分析

監(jiān)測圍護(hù)樁體結(jié)構(gòu)變形有助于把握圍護(hù)樁體自身的強(qiáng)度、穩(wěn)定性，及其對周圍土體變形的影響，圍護(hù)樁深層位移控制是深基坑施工安全的基礎(chǔ)和保障。30個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的圍護(hù)樁樁體最大水平位移與基坑開挖深度關(guān)系如圖5所示，不同開挖深度下，土巖組合基坑圍護(hù)樁體典型深層水平位移時(shí)空響應(yīng)如圖6所示。

CNKI中，以關(guān)鍵詞白花前胡(模糊)和作者欄輸入第一作者名稱，檢索發(fā)表于2008年1月1日—2017年12月31日的文獻(xiàn)。發(fā)表文獻(xiàn)量≧3篇的有3位(表7)。

圖5 樁體最大水平位移與基坑開挖深度的關(guān)系

1)樁體最大水平位移主要發(fā)生在土巖結(jié)合面以上，這是由于土巖結(jié)合面上部為易變形土層，基巖部分為強(qiáng)風(fēng)化～中風(fēng)化灰?guī)r，具有相對較好的抗變形能力(見圖6)。當(dāng)樁腳土體尚未開挖時(shí)，樁腳處水平位移基本為0，而后隨著開挖深度增大而增加，水平位移最大點(diǎn)的位置也不斷下移，但最大值基本都位于土巖結(jié)合面以上的土體范圍內(nèi)。開挖完成后，向基坑內(nèi)最大變形值分別為9，6，6mm(見圖6)?？傮w而言，樁體位移一般小于0.070%H，樁體最大水平位移平均值為0.042%H，小于控制標(biāo)準(zhǔn)的0.14%H(見圖5和表2)，說明開挖支護(hù)設(shè)計(jì)相對合理，樁體水平位移可控。

圖6 不同開挖深度下土巖組合基坑圍護(hù)樁體側(cè)向位移(“+”為向坑內(nèi)，“-”為向坑外)

2)對于放坡+嵌巖樁樁體，無論是綢帶公園環(huán)線CX-15-21嵌巖樁，還是工業(yè)南路站CX-3-7嵌巖樁，由于樁腳嵌固在基坑開挖面以下的巖層中，開挖過程中都會導(dǎo)致樁底出現(xiàn)背離基坑方向的微小水平位移。隨著第2，3層開挖，CX-15-21嵌巖樁樁體變形從土巖結(jié)合面向上基本呈逐漸增大趨勢，位移最大值發(fā)生在距離圍護(hù)樁頂部0～3m的自穩(wěn)性較差的粉質(zhì)黏土范圍內(nèi)，變形呈現(xiàn)輕微“鼓肚”形。預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)置，一定程度上削弱了樁體向坑內(nèi)水平位移的發(fā)展，如在12m深度處設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索(見圖2)，樁體位移有明顯的恢復(fù)趨勢(見圖6a)。但由于土體軟弱，抗變形能力較差，當(dāng)一次性開挖深度較大時(shí)，土體卸荷強(qiáng)烈，導(dǎo)致樁身上部仍有向坑內(nèi)的變形。

3)工業(yè)南路站③～⑦軸基坑右側(cè)分5層開挖，一次性開挖深度均小于綢帶公園環(huán)線～軸基坑。在第2，3層開挖過程中，由于開挖深度僅4m左右，且預(yù)應(yīng)力錨索及時(shí)施工(見圖3c)，整個(gè)樁體水平位移雖有變化，但基本得到控制(見圖6b)。而后在第4層下挖過程中，由于嵌巖樁樁身中部(12m左右)位于碎石土層中(見圖3c)，且土壓力逐步增大，即使施加預(yù)應(yīng)力錨索，樁身向坑內(nèi)的水平位移仍會增大，呈明顯的“鼓肚”形變形模式。由于樁頂土壓力較小，且樁上部2排長預(yù)應(yīng)力錨索錨固作用較強(qiáng)，在樁體上部0～6m范圍內(nèi)出現(xiàn)向基坑外的變形趨勢。當(dāng)基坑開挖至第5層后，樁體中部水平位移不再明顯增大，說明樁身中部變形基本穩(wěn)定。

4)工業(yè)南路站CX-1-3吊腳樁樁體變形與放坡+嵌巖樁變形趨勢有差異(見圖6c)。首先，由于吊腳樁支護(hù)未受到上部放坡的影響，樁頂附近土壓力更小，且設(shè)置較強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨索，開挖過程中，樁體上部出現(xiàn)輕微向基坑外的位移，而樁底位于13～16m以下、基坑開挖面以上的巖肩部分，樁底水平位移基本為0。隨著逐層開挖的推進(jìn)，樁體最大水平位移基本位于距離地表10m左右的黏土地層中。

2.2 土巖組合基坑施工對周邊地表沉降的影響

本文選擇70個(gè)周邊地表沉降測點(diǎn)，探討土巖組合地層基坑中，不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式的地表沉降隨基坑施工的時(shí)空演化差異。地面最大沉降與基坑開挖深度關(guān)系如圖7所示，不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)(放坡+嵌巖樁、吊腳樁、放坡)地表沉降變化曲線如圖8所示，不同開挖深度距離基坑邊緣不同位置的地表沉降情況如圖9所示，可得出如下規(guī)律。

圖7 坑外最大地表沉降與基坑開挖深度的關(guān)系

1)總體上，地表最大沉降隨開挖深度的增大而增加，沉降量一般小于0.052%H，地表最大沉降平均值為0.028%H，小于控制標(biāo)準(zhǔn)的0.1%H(見圖7)，表明坑外地表沉降皆在可控范圍內(nèi)。

2)從圖8可以看出，整個(gè)施工過程中，放坡+嵌巖樁、吊腳樁和多級放坡，距離基坑邊緣1，4，9，14，24m監(jiān)測點(diǎn)的地表沉降曲線幾乎表現(xiàn)出相同的變化趨勢(見圖8，9)。開始開挖時(shí)，由于放坡開挖或鉆孔灌注樁施工擾動較大，且土釘/預(yù)應(yīng)力錨索尚未施作，距離基坑邊緣較近的地表位置會有輕微沉降，而每層開挖后，由于及時(shí)施作支護(hù)結(jié)構(gòu)，最終距離基坑邊緣1～24m范圍內(nèi)的地表沉降都得到顯著控制，均在允許范圍內(nèi)。

圖8 土巖組合基坑不同支護(hù)形式周邊地表沉降變化曲線

3)地表沉降受地質(zhì)條件和開挖深度影響較大：由圖8，9可知，地表沉降主要發(fā)生于土層開挖過程中，當(dāng)開挖至土巖結(jié)合面以下時(shí)，基坑開挖對地表沉降影響變小。在雜填土、粉質(zhì)黏土中開挖導(dǎo)致地表沉降量大于在碎石土中開挖的地表沉降量，這是由于碎石土層彈性模量遠(yuǎn)大于雜填土和粉質(zhì)黏土層。即使采用相同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在相同的土層中開挖，一次性開挖深度越大，對地表沉降影響越大。

5)放坡+嵌巖樁圍護(hù)地表沉降的時(shí)空演化規(guī)律如圖9a，9b所示?？臻g上，靠近基坑邊緣部分沉降較大，隨著距離增大沉降減小，當(dāng)距離基坑邊緣約20m(1倍的基坑開挖深度)以外時(shí)，地表沉降受基坑開挖影響很小。時(shí)間上，基坑外側(cè)累計(jì)地表沉降量的發(fā)生范圍和量值隨開挖時(shí)間與開挖深度的增加先逐漸增大，后當(dāng)達(dá)到某一時(shí)刻時(shí)(特別是開挖至土巖結(jié)合面以下時(shí))，沉降量變化逐漸減緩。

6)吊腳樁圍護(hù)的地表沉降時(shí)空演化規(guī)律與放坡+嵌巖樁圍護(hù)的地表沉降規(guī)律不同(見圖9c)，地面沉降曲線呈先增加后減小趨勢，即勺子形，這與已有數(shù)值模擬結(jié)果基本相符，最大沉降點(diǎn)距離基坑邊緣3～5m范圍內(nèi)；空間上，開挖初期，隨著圍護(hù)樁距離和開挖深度增加，土體受潛在滑裂面的影響逐步增大，地面沉降迅速增大，而后隨著距離進(jìn)一步增加，地面點(diǎn)逐步位于潛在滑裂面以外，沉降量自然減??；時(shí)間上，地表沉降規(guī)律與放坡+嵌巖樁圍護(hù)基本相同，隨深基坑開挖，地表沉降逐漸增加，但在圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系施加完整后，沉降值增量和沉降速率逐漸減緩并得到控制，最終趨于穩(wěn)定。

3 現(xiàn)場監(jiān)測成果的理論指導(dǎo)意義

3.1 不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)地表沉降模式

通過對濟(jì)南土巖組合基坑地表沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測和模擬分析(見圖8，9)可知，不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)周邊地表沉降模式略有不同，基本分為兩種。

1)吊腳樁支護(hù) 勺子形沉降變形模式即最大沉降在距基坑邊緣一定距離處，隨著與基坑距離增加，地面沉降先增大后逐漸減小并趨于穩(wěn)定(見圖9c)。勺子形沉降模式的原因在于支護(hù)樁延伸至地面時(shí)，由于錨桿錨拉作用，使地表沉降最大值發(fā)生在距吊腳樁樁頂一定距離處(為0.2H～0.3H，其中H為開挖深度)，支護(hù)樁后緊靠樁體土體變形受支護(hù)樁的約束作用，其沉降反而較小。

2)多級放坡和放坡+嵌巖樁支護(hù) 漸緩型沉降模式即基坑邊緣沉降變形最大，隨著距基坑邊緣距離的增加，地面沉降逐漸減小并趨于穩(wěn)定(見圖9a，9b，9d)。

圖9 不同開挖深度下土巖組合基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)不同距離處地表沉降

3.2 濟(jì)南土巖組合基坑開挖影響分區(qū)

基于第3節(jié)研究成果，對濟(jì)南地鐵車站土巖組合地層典型基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)開挖的影響嚴(yán)重區(qū)、影響一般區(qū)和影響微弱區(qū)進(jìn)行特定劃分(見圖10)。吊腳樁+預(yù)應(yīng)力錨索圍護(hù)的影響嚴(yán)重區(qū)最大(1.0H～1.1H)，放坡+嵌巖樁圍護(hù)的影響嚴(yán)重區(qū)次之(0.5H～0.6H)，分級放坡+噴錨支護(hù)的影響嚴(yán)重區(qū)相對最小(0.35H～0.4H)。

圖10 濟(jì)南土巖組合基坑開挖影響分區(qū)(H為開挖深度)

因此，對于濟(jì)南土巖組合基坑施工，采用3種圍護(hù)結(jié)構(gòu)，都在一定程度上控制了基坑變形。然而，多級放坡開挖所需施工空間大，回填土方很大，且容易受地下水和地表水的影響。吊腳樁支護(hù)對嵌巖深度和巖肩寬度要求很高，且開挖影響區(qū)范圍相對最大，綜合考慮，建議采用放坡+嵌巖樁支護(hù)結(jié)構(gòu)。

綜合劃分濟(jì)南土巖組合基坑影響區(qū)域后，可根據(jù)建筑物、構(gòu)筑物或地下管線所處的不同分區(qū)，采取不同保護(hù)措施。

4 結(jié)語

本文以濟(jì)南市土巖組合地層深基坑的監(jiān)測變形數(shù)據(jù)為研究對象，對不同支護(hù)形式深基坑的變形時(shí)空演化規(guī)律進(jìn)行總結(jié)與深入研究，并對比有限元數(shù)值分析結(jié)果，結(jié)論如下。

1)在濟(jì)南土巖組合地層深基坑中，無論是吊腳樁圍護(hù)方案還是放坡+嵌巖樁圍護(hù)方案，均出現(xiàn)輕微的“鼓肚”形變形模式，樁體本身水平位移均隨開挖深度增大而逐漸增加，水平位移最大點(diǎn)也不斷下移，變形最大值位于土巖結(jié)合面以上的軟弱土體范圍內(nèi)。由于下部巖層嵌固作用，圍護(hù)樁樁底基本不產(chǎn)生水平位移或少量向基坑外的微小位移。

2)空間上，放坡+嵌巖樁地表沉降呈漸緩式演化規(guī)律，即靠近基坑邊緣的部分沉降較大，然后隨距離增大而減小，吊腳樁地表沉降呈“勺子形”演化規(guī)律，即呈先增加后減小的趨勢；時(shí)間上，基坑外側(cè)累計(jì)地表沉降量發(fā)生范圍和量值隨開挖時(shí)間與開挖深度的增加以及支護(hù)體系的施作，呈先增大后減緩趨勢。

3)濟(jì)南土巖組合基坑吊腳樁+預(yù)應(yīng)力錨索圍護(hù)的影響嚴(yán)重區(qū)最大(為1.0H～1.1H)，放坡+嵌巖樁圍護(hù)次之(為0.5H～0.6H)，分級放坡+噴錨支護(hù)相對最小(為0.35H～0.4H)?？紤]放坡施工填挖方量較大以及吊腳樁支護(hù)開挖影響范圍較大等問題，認(rèn)為在濟(jì)南土巖組合深基坑中，當(dāng)基巖深度較大時(shí)，采用放坡+嵌巖樁圍護(hù)方案更加合理。當(dāng)然，若考慮施工難度和圍護(hù)樁嵌固深度問題，吊腳樁+錨索圍護(hù)體系也可取得較好效果。