顧及空間效應(yīng)的地鐵基坑墻頂水平位移檢測(cè)方法研究

趙辰晟，朱楊帆，李成超

(杭州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 330009)

1 引 言

地鐵建設(shè)在城市的下方，在城市經(jīng)濟(jì)繁榮地段，地表有很多大型的建筑物，施工過(guò)程中對(duì)地表建筑物的影響一直是地鐵建設(shè)中重要的研究課題[1～3]。因此，研究地鐵變形基坑墻頂水平位移檢測(cè)方法，對(duì)地鐵的安全施工和正常運(yùn)行具有重要的意義。

仇唐國(guó)等人[4]提出了一種基于OFDR技術(shù)的基坑墻頂水平位移檢測(cè)方法，用來(lái)提前預(yù)測(cè)地鐵變形帶來(lái)的影響，有效預(yù)防事故發(fā)生。曹一龍等人[5]為了研究地鐵變形基坑墻頂?shù)乃轿灰频囊?guī)律，以蘇州市地鐵5號(hào)線為例，對(duì)其地鐵基坑的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，當(dāng)?shù)罔F地下道建設(shè)過(guò)程中，達(dá)到挖至坑底階段，基坑墻頂會(huì)發(fā)生急劇的水平位移，會(huì)沿著基坑的頂部向坑外位移，此時(shí)將第一道的基坑采用鋼筋混凝土支撐，再采用800×30的鋼進(jìn)行支撐防止基坑墻頂?shù)乃轿灰疲凑栈铀轿灰频臅r(shí)間推算出地鐵變形基坑墻頂水平位移的規(guī)律，根據(jù)推算出的規(guī)律，考慮空間效應(yīng)變更施工速度，有效控制地鐵基坑的變形。該研究的設(shè)計(jì)過(guò)程嚴(yán)謹(jǐn)，理論分析思路清晰，但忽略了對(duì)墻頂抗力和抗剪剛度約束的分析，導(dǎo)致地鐵基坑變形控制不夠全面。

為此，基于以上已有的研究成果，本文提出了顧及空間效應(yīng)的地鐵基坑墻頂水平位移檢測(cè)方法，給出了方法流程，以期進(jìn)一步提高地鐵變形基坑墻頂水平位移檢測(cè)能力。

2 地鐵基坑墻頂水平位移檢測(cè)方法

2.1 地鐵基坑墻頂水平位移計(jì)算

為了計(jì)算出地鐵基坑墻頂?shù)乃轿灰疲紫刃枰醪脚袛嗟罔F基坑墻頂是否已經(jīng)發(fā)生水平位移。通常情況下造成地鐵基坑墻頂水平位移主要因素是梁的制動(dòng)力[9]和溫度的影響，基于此理論背景[4，5]，設(shè)置地鐵基坑墻頂?shù)膭偠燃s束需滿足的約束條件，利用該約束條件判斷地鐵基坑墻頂是否發(fā)生水平位移，進(jìn)而設(shè)計(jì)水平位移計(jì)算步驟。

假設(shè)地鐵基坑主梁固定不動(dòng)，假設(shè)初始位置值為△，然后由垂直力N對(duì)地鐵基坑墻頂施加作用力，將墻體的彈性抗力看作影響地鐵基坑墻頂位移的主要影響要素[10]，得到抗剪剛度的約束為δ，不過(guò)地鐵基坑墻頂?shù)膭偠燃s束δ應(yīng)該滿足下面兩個(gè)條件：

(1)

式中，地鐵基坑墻頂支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度總和為∑t，支護(hù)結(jié)構(gòu)與地鐵表面支撐物的摩擦系數(shù)為μ，地鐵基坑墻頂水平位移的正切角為tg[γ]，地鐵基坑墻頂在受到溫度變化的影響下[6]，墻頂發(fā)生的水平位移距離為HZ+W，基坑墻頂?shù)目辜糇饔昧閗z。

若沒(méi)有滿足公式(1)，說(shuō)明地鐵基坑墻頂已經(jīng)發(fā)生水平位移，相應(yīng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)遭受到破壞，這在實(shí)際的地鐵建設(shè)過(guò)程中是不允許的[7]，此時(shí)應(yīng)該及時(shí)調(diào)整地鐵基坑墻頂支護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度和支撐荷載能力[8，9]。

根據(jù)上述條件，設(shè)計(jì)地鐵基坑墻頂水平位移計(jì)算步驟，如下：

Step1：計(jì)算基坑墻頂?shù)闹ёo(hù)結(jié)構(gòu)作用力F，即溫度產(chǎn)生的基坑墻頂作用力的梁的作用力之和；

Step2：利用水平位移的約束條件[10]，計(jì)算出基坑墻頂支護(hù)結(jié)構(gòu)作用力F與懸臂支撐力N共同荷載作用下的地鐵變形基坑墻頂水平位移△max；

Step3：在不考慮梁的制動(dòng)力的情況下[16]，根據(jù)上一步的計(jì)算原理，計(jì)算出△c，則得到△f=△max-△c；

Step4：計(jì)算地鐵基坑墻頂?shù)膶?shí)際變形系數(shù)[11]δ：

(2)

式中，基坑墻頂支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度為kd，地鐵基坑的墻頂支柱的剛度為kz，△f為基坑墻頂實(shí)際的水平位移，△c為地鐵基坑墻頂?shù)某跏嘉恢茫鱩ax為地鐵基坑墻頂?shù)乃轿灰谱畲笾怠?/p>

Step5：地鐵基坑墻頂?shù)淖罱K水平位移為：

△=△c+δ

(3)

2.2 地鐵基坑墻頂水平位移檢測(cè)

地鐵基坑墻頂水平位移檢測(cè)，首先利用全站儀[12]對(duì)地鐵基坑墻頂?shù)乃轿灰七M(jìn)行測(cè)量，然后將鏡頭直接安裝在基坑墻頂?shù)牧褐虚g[13]，以減少測(cè)量過(guò)程中的誤差[14～16]。根據(jù)空間效應(yīng)原理，準(zhǔn)確地確定后視點(diǎn)的位置，各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的偏向角都應(yīng)該控制在40°以內(nèi)，在進(jìn)行地鐵變形基坑墻頂后視點(diǎn)的位置確定過(guò)程中，通過(guò)全站儀對(duì)所有的后視點(diǎn)進(jìn)行位置采集，再根據(jù)對(duì)地鐵變形基坑墻頂?shù)募s束條件，確定檢測(cè)點(diǎn)的準(zhǔn)確位置與角度，以此計(jì)算出基坑墻頂各個(gè)基坑位置的變形量。

如圖1所示，將地鐵變形基坑檢測(cè)點(diǎn)A固定在基坑墻頂?shù)闹行奈恢茫谑┕がF(xiàn)場(chǎng)為了準(zhǔn)確測(cè)量基坑墻頂?shù)乃轿灰疲瑢y(cè)量?jī)x器安裝在A點(diǎn)上，并在檢測(cè)點(diǎn)P的位置安裝棱鏡，再將后視點(diǎn)B作為此次地鐵變形基坑墻頂水平位移測(cè)量的核心控制點(diǎn)[17，18]，將AB進(jìn)行連線處理，測(cè)出地鐵基坑墻頂水平位移的兩次測(cè)量結(jié)果，就可以根據(jù)上述的兩次測(cè)量結(jié)果計(jì)算出水平位移的偏離值，即：

圖1 地鐵基坑墻頂水平位移檢測(cè)示意圖

(4)

式中，地鐵基坑墻頂水平位移的距離為L(zhǎng)p，αp為測(cè)量?jī)x器與后視點(diǎn)之間的夾角，Sp為檢測(cè)點(diǎn)距離水平位移點(diǎn)的距離，ρ為角度常數(shù)。

考慮空間效應(yīng)，根據(jù)地鐵變形基坑墻頂水平位移測(cè)量的過(guò)程，設(shè)計(jì)了地鐵變形基坑墻頂水平位移檢測(cè)流程，如圖2所示。

圖2 地鐵基坑墻頂水平位移檢測(cè)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)與分析

以某一地鐵車站作為研究對(duì)象，該車站寬度為 38.3 m，比一般的地鐵車站寬，對(duì)于地鐵變形基坑的維護(hù)結(jié)構(gòu)而言，以 20 m寬為間距，在地鐵基坑的周邊設(shè)置墻頂水平位移檢測(cè)孔，短邊端頭井的檢測(cè)點(diǎn)設(shè)置在中部，從北端頭井開挖，在分隔墻的位置處增加一個(gè)檢測(cè)孔，一共設(shè)置7個(gè)檢測(cè)孔，在南側(cè)標(biāo)準(zhǔn)路段設(shè)置14個(gè)檢測(cè)孔，而在地鐵基坑的對(duì)應(yīng)位置也都設(shè)置水平位移檢測(cè)點(diǎn)。地鐵隧道開挖區(qū)間內(nèi)，按照 25 m的間距布置測(cè)斜孔，一共布置13個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜孔。

采用全站儀對(duì)地鐵基坑水平位移檢測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)進(jìn)行直接觀測(cè)，根據(jù)每一期地鐵基坑觀測(cè)點(diǎn)的二維平面坐標(biāo)值，計(jì)算出與地鐵基坑垂直方向的矢量位移，從而計(jì)算出每一個(gè)階段地鐵基坑的變形量和累積變形量。

采用測(cè)斜儀測(cè)量地鐵基坑墻頂?shù)纳顚铀轿灰啤Ｔ诘罔F基坑的施工過(guò)程中，測(cè)斜管的直徑選擇 7 cm，將其與樁身長(zhǎng)度相同的部分埋在鋼筋籠中。在測(cè)斜管的內(nèi)部管壁處，存在兩組垂直的縱向?qū)Р郏瑢?duì)地鐵基坑墻頂水平位移檢測(cè)方向起著控制作用。測(cè)斜管在埋設(shè)時(shí)，要保證其中一組導(dǎo)槽始終與外殼垂直，而另一組導(dǎo)槽與外殼平行。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，測(cè)斜探頭會(huì)一直沿著導(dǎo)槽緩慢下沉，直到孔底。當(dāng)溫度恒定一段時(shí)間之后，從上到下每隔 0.5 m或 1 m測(cè)量一次地鐵基坑墻頂水平位移，與此同時(shí)，采用光學(xué)儀器將管頂位移的測(cè)量值作為控制值。

地鐵基坑采用分段開挖的方式進(jìn)行，由于地鐵基坑墻頂水平位移的檢測(cè)周期長(zhǎng)，根據(jù)地鐵基坑施工的實(shí)際情況，選擇首段檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從地鐵變形基坑墻頂水平位移、地表沉降兩個(gè)方面，整理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。地鐵變形基坑施工過(guò)程中，在不同的施工階段，對(duì)變形基坑的影響也是不同的，需要根據(jù)實(shí)際的施工情況，將地鐵變形基坑劃分為6種工況。

3.1 基坑墻頂水平位移檢測(cè)結(jié)果分析

選擇其中一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的地鐵基坑墻頂水平位移檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到地鐵基坑墻頂水平位移變化圖，如圖3所示。

圖3 地鐵基坑墻頂水平位移變化圖

從圖3的結(jié)果可以看出，在地鐵變形基坑的開挖施工過(guò)程中，地鐵變形基坑內(nèi)原來(lái)存在的土壓力出現(xiàn)了卸荷的情況，從而導(dǎo)致地鐵變形基坑內(nèi)部與外部之間出現(xiàn)壓力差，壓力差的形成會(huì)促使地鐵變形基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平朝向基坑內(nèi)側(cè)移動(dòng)。在地鐵變形基坑的開挖初期，墻頂土體中可以釋放出更加均勻的應(yīng)力，降低了土體內(nèi)外的壓力差，從而縮小了地鐵變形基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移。伴隨著地鐵變形基坑的開挖深度越來(lái)越深，墻頂土體的壓力差越來(lái)越大，從而也增大了地鐵變形基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移，而水平位移的最大位置處也越來(lái)越深。地鐵變形基坑墻頂水平位移的變化曲線逐漸呈現(xiàn)出“弓”形。

在6種施工工況下，由于地鐵變形基坑的墻頂存在支撐的限制作用，墻底存在土體的嵌固作用，地鐵變形基坑墻頂出現(xiàn)的水平位移量適中比較小，在地鐵變形基坑墻頂處，水平位移量在 2 mm～5 mm之間，當(dāng)?shù)罔F變形基坑施工到第6種工況時(shí)，測(cè)斜管在 16 m、13 m、15 m和 16 m深度下的最大水平位移量為 25.5 mm，得到的數(shù)值小于 30 mm的報(bào)警值，說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的地鐵基坑墻頂水平位移檢測(cè)方法是可靠的，可以確保地鐵基坑始終處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)中。

3.2 基坑的地表沉降檢測(cè)結(jié)果分析

在地鐵基坑的開挖過(guò)程中，墻頂?shù)耐翆訒?huì)發(fā)生一定移動(dòng)，導(dǎo)致地鐵基坑的周圍環(huán)境出現(xiàn)變化，嚴(yán)重影響了周圍的建筑物和地下管線。對(duì)地鐵基坑的地表沉降進(jìn)行檢測(cè)對(duì)地鐵變形基坑和周圍環(huán)境的安全十分有利，因此本文選擇一組地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在每一組數(shù)據(jù)中設(shè)置5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，得到地鐵基坑的地表沉降的變化曲線，如圖4所示。

圖4 地鐵基坑的地表沉降的變化曲線

從圖4的結(jié)果可以看出，由于地鐵變形基坑的開挖，周圍土體的應(yīng)力發(fā)生了變化，導(dǎo)致地表變形，出現(xiàn)這種情況的原因之一是開挖初期的地表沉降比較小，隨著地鐵變形基坑深度的增加，地表沉降也越來(lái)越大；其二是隨著地鐵變形基坑邊緣的距離越來(lái)越大，地表沉降也越來(lái)越大。

地鐵變形基坑邊緣位置處沒(méi)有出現(xiàn)地表沉降量的最大值，而是在距離地鐵變形基坑 10 m的位置處，實(shí)驗(yàn)得到的所有沉降量最大值都比報(bào)警值 30 mm小，符合地鐵基坑地表沉降的檢測(cè)要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了考慮空間效應(yīng)的地鐵變形基坑墻頂水平位移檢測(cè)方法，分析了地鐵基坑在6種不同工況下的水平位移影響規(guī)律，結(jié)果顯示，本文設(shè)計(jì)的水平位移檢測(cè)方法符合地鐵變形基坑墻頂水平位移和地表沉降的檢測(cè)要求。但是本文的研究仍然存在很多不足的地方，在今后的研究中，要充分考慮地鐵周圍建筑物和地下管線對(duì)基坑變形的影響，保證模擬結(jié)果的精準(zhǔn)性，進(jìn)一步提高地鐵變形基坑墻頂水平位移檢測(cè)精度。