非平衡荷载下城市轨道交通车站深基坑变形特性分析*

刘 涛 姜 磊 王 申 彭红国 李 岩

(中铁七局集团第三工程有限公司, 710032, 西安)

城市轨道交通基坑通常紧邻既有建(构)筑物、公路、铁路等设施,受到结构自重及上覆荷载的共同作用,在基坑两侧形成非平衡荷载。国内外对基坑工程的研究主要是针对对称荷载条件下展开的,对于偏压基坑还未形成一套完整的设计、计算与安全控制体系,且近年来由于偏压导致的地下工程病害、事故多次见诸报端。因此,开展非平衡荷载下城市轨道交通车站深基坑变形特性分析具有一定的理论与现实意义。

文献[1]认为基坑偏压侧围护结构水平位移、坑底隆起、地面沉降均大于非偏压侧,且偏压侧地面沉降为非偏压侧的2倍;文献[2]认为基坑偏压侧受力变形大于非偏压侧,当偏压荷载达到一定数值后,基坑会整体向非偏压侧偏移;文献[3]认为偏压荷载会引起基坑水平位移增加;文献[4]认为基坑偏压侧围护结构水平位移为非偏压侧的3倍,偏压侧路基沉降为非偏压侧的2倍。

综上,国内外学者对偏压作用下基坑围护结构变形、地面沉降及坑底隆起等特性进行了研究,但对于上软下硬地层非平衡荷载作用下围护结构变形特性,以及围护结构变形同土体水平位移和地面沉降关系等的研究较少。本文以杭州某地铁车站深基坑为研究对象,基于现场监测数据,研究了上软下硬地层非平衡荷载作用下围护结构变形、地面沉降及土体水平位移变化规律,探讨了上软下硬地层非平衡荷载作用下围护结构变形同土体水平位移、地面沉降及开挖深度之间的关系,揭示了非平衡荷载作用下围护结构的变形机理。

1.1 工程概况

杭州某地铁车站深基坑周边环境较复杂,南侧为海鹏驾校、杭州之江专修学院,以及修建里东路时挖除山体后的留设边坡。边坡坡长约178 m,坡脚距车站基坑边线约3～12 m,坡顶距路面最大高差约32 m。这样的地形不但使基坑存在较大偏压,而且车站主体结构开挖后,将形成较高的临空面。车站北侧西段临近上埠河和云秀水小区,北侧东段为拆迁地,周边环境与工程相互影响较大,对工程的安全施工和运营提出了挑战。基坑平面布置如图1所示。基坑支护设计剖面图如图2所示。

图1 杭州某地铁车站基坑平面布置图

单位:m

1.2 工程地质条件

根据勘察报告,基坑开挖范围内主要由填土、碎石夹黏性土、强风化泥岩、中风化上段泥岩和中风化钙质泥岩等组成,分布较稳定。岩土层主要物理力学参数见表1。

表1 岩土层主要物理力学参数

1.3 水文地质条件

地下水类型主要是第四纪松散岩类孔隙水。根据地下水的含水介质、赋存条件、水理性质和水力特征,可划分为孔隙潜水和基岩裂隙水。其中:孔隙潜水主要赋存于表层填土和碎石夹黏性土中,由大气降水径流补给,排泄主要通过蒸发形式,水位一般为1.65～4.80 m;基岩裂隙水水量受地形地貌、岩性、构造、风化影响较大,补给来源主要为上部第四系松散岩类孔隙潜水,其次为基岩风化层侧向径流,基岩裂隙较发育,有一定的赋水量,且径流缓慢。

1.4 支护方案设计

基坑开挖深度为18.843 m。围护结构采用钻孔灌注桩+内支撑+吊脚桩的形式:钻孔灌注桩直径为1.0 m;靠山侧围护桩长度为13.370 m,远离山侧围护桩长度为15.727 m。靠山侧吊脚桩长度为9.233 m,远离山侧吊脚桩长度为6.916 m。支撑系统采用钢筋混凝土支撑、预应力锚索和锚杆的形式,两道混凝土支撑截面尺寸均为0.8 m×1.0 m,第1道支撑中心线位于地面下0.5 m,第2道支撑中心线位于地面下7.483 m。基坑支护设计方案见图2。

2.1 围护桩水平位移

选取靠山侧与远离山侧围护桩水平位移监测点Q2、Q3、Q4、Q9、Q10和Q11进行研究。基坑开挖至坑底后的围护桩水平位移曲线见图3。

a) 靠山侧

b) 远离山侧

由图3可见:

1) 围护桩水平位移呈鱼腹状,即围护桩中部向基坑内凸出,顶部和底部变形相对较小。由于靠山侧地层主要为岩层,抵抗变形能力较好,故围护桩水平位移较小。

2) 靠山侧与远离山侧围护桩水平位移规律一致,靠山侧围护桩最大水平位移位于距地面4 m(0.22He,He为开挖深度)埋深处;远离山侧围护桩最大水平位移位于距地面7 m(0.38He)埋深处。究其原因为基坑中下部为岩层,抵抗变形能力较好,造成围护结构产生最大水平位移的位置上移。

2.2 深层土体水平位移

选取靠山侧与远离山侧部分深层土体水平位移监测点T2、T4、T6和T7进行研究。基坑开挖至坑底后的深层土体水平位移曲线见图4。

a) 靠山侧

b) 远离山侧

由图4可见:深层土体水平位移大致呈鱼腹状;由于靠山侧地层主要为岩层,抵抗变形能力强,故靠山侧土体深层水平位移较小;远离山侧中间段土体侧向变形较小,下段侧向变形较大,究其原因为基坑下段锚杆为柔性支撑,相较于混凝土刚性支撑,其控制变形能力较差,故基坑下段土体侧向位移出现突变。

2.3 围护桩水平位移与深层土体水平位移的关系

为了解土体水平位移与围护桩水平位移之间的关系,选取围护桩水平位移监测点Q2和土体水平位移监测点T2进行研究。围护桩水平位移和土体水平位移的关系见图5。

图5 围护桩水平位移和深层土体水平位移关系曲线

由图5可见:围护桩水平位移x和土体水平位移y大致呈线性关系,整条曲线大致可用y=kx(k为经验系数)来拟合,提出k=1.30。

对比实测数据,基坑开挖至坑底后围护桩水平位移最大值δhm和土体水平位移最大值的关系,如图6所示。

由图6可见:δhm和土体水平位移最大值的监测值分布于拟合曲线附近,说明拟合曲线较好地反映了围护桩水平位移与土体水平位移的关系,验证了该拟合曲线的准确性。由此可见,实际工程在与本工程地质条件相近的情况下,通过围护结构水平位移,可以预估基坑外土体水平位移。

图6 δhm和深层土体水平位移最大值拟合曲线

2.4 围护桩水平位移和地面沉降的关系

基坑工程中围护桩水平位移与其周边地面沉降受到众多因素影响,基于监测数据总结两者之间的关系。基坑δhm与地面沉降最大值δvm的关系曲线见图7。

图7 基坑δhm与δvm关系曲线

由图7可知:δhm与δvm存在δvm=(0.9～3.0)δhm的关系。相较于文献[5]研究得出的δvm=(0.5～1.0)δhm,以及文献[6]研究得出的δvm=(0.2～0.6)δhm,本文分析得到的δvm与δhm的比值较大,导致此差异的主要原因为偏压荷载引起的地面沉降增大。

2.5 δhm和He的关系

δhm与He的关系曲线见图8。

图8 δhm与He关系曲线

由图8可知:δhm与He存在δhm=(0.009%～0.060%)He的关系。相较于文献[7]研究得出的δhm=0.16%He及文献[8]研究得出的δhm=0.20%He,本文分析得到的δhm与He的比值较小,导致此差异的主要原因在于基坑施工范围内的地层主要为岩层,其抵抗变形能力较强。

2.6 基坑外地面沉降

选取靠山侧与远离山侧地面沉降监测点D4、D5、D8和D9进行研究。基坑开挖至坑底后周边地面沉降曲线见图9。

a) 靠山侧

b) 远离山侧

由图9可知:基坑周边地面沉降大致呈漏斗状;靠山侧距围护结构约5 m处,地面沉降达到最大值,随着距围护结构的距离增大,地面沉降逐渐减小,甚至出现了隆起现象;远离山侧距离围护结构约13 m处,地面沉降达到最大值,随着距围护结构的距离增大,地面沉降逐渐减小。

2.7 基坑施工对周边土体的影响

目前对基坑施工过程中其周边土体变形,以及土体深处影响范围的相关研究较少。基坑周边土体主要分为3个影响区域:主影响区域、次影响区域和无影响区域。基坑施工对周边土体的影响范围如图10所示。

图10 基坑施工对周边土体的影响范围

图10中,GB 50911—2013《城市轨道交通工程监测技术规范》将基坑施工对周边环境的扰动区域划分为:①区(主要影响区)、②区(次要影响区)和③区(无影响区)。其中:①区和②区的分界点距基坑边缘的距离为0.70He,②区和③区的分界点距基坑边缘的距离为2.00He。文献[9]以上海软土地区为例,认为基坑施工对周边环境的影响区域主要分为:Ⅰ区(主要影响区)、Ⅱ区(次要影响区)和Ⅲ区(无影响区)。其中:Ⅰ区和Ⅱ区的分界点距基坑边缘的距离为0.75He,Ⅱ区和Ⅲ区的分界点距基坑边缘的距离为2.00He。本文根据实测结果,将基坑施工对周边环境的影响区域划分为1区(主要影响区)、2区(次要影响区)和3区(无影响区)。其中:1区根据0.3倍土体最大变形等值线简化而得,当其超过2区后,基坑施工对周边环境几乎无影响。本工程中1区和2区的分界点距基坑边缘的距离为0.75He,2区和3区的分界点距基坑边缘的距离为2.50He,且2区和3区的分界点距基坑边缘的距离大于GB 50911—2013和文献[9]研究的最大影响区域(2.00He),究其原因为桩锚围护结构加大了锚索、锚杆对周边土体的影响,以及山体严重偏压作用增大了基坑施工的影响区域。

1) 针对上软下硬地层,围护桩与土体水平位移曲线大致呈鱼腹状,靠山侧围护桩最大水平位移位于距地面4 m(0.22He)埋深处,远离山侧围护桩最大水平位移位于距地面7 m(0.38He)埋深处。究其原因为基坑中下部为岩层,抵抗变形能力较好,且柔性支撑控制变形弱于刚性支撑。

2) 围护桩水平位移和土体水平位移大致呈线性关系,其关系曲线可采用y=kx(k取 1.30)来拟合。

3) 基坑周边地面沉降大致呈漏斗状;靠山侧距围护结构约5 m处,地面沉降达到最大值,随着距围护结构的距离增大,地面沉降逐渐减小,甚至出现隆起现象;远离山侧距围护结构约13 m处,地面沉降达到最大值,随着距围护结构的距离增大,地面沉降逐渐减小。

4) 基坑施工对周边环境影响主要划分为1区(主要影响区)、2区(次要影响区域)和3区(无影响区),其中,1区和2区的分界点距基坑边缘的距离为0.75He,2区和3区的分界点距基坑边缘的距离为2.50He。

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