北京東部地鐵車站明挖基坑開挖變形規(guī)律分析

張頂鋒

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

北京東部地鐵車站明挖基坑開挖變形規(guī)律分析

張頂鋒

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

以北京東部地層中地鐵車站明挖基坑施工為研究對(duì)象，分別對(duì)圍護(hù)樁+錨索、圍護(hù)樁+內(nèi)支撐、地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐三種支護(hù)形式的監(jiān)測(cè)變形進(jìn)行了分析、總結(jié)。結(jié)果表明:墻撐結(jié)構(gòu)較其余兩種支護(hù)形式基坑地表沉降值及其離散性均較小;三種支護(hù)形式的基坑樁體水平位移情況類似，最大值發(fā)生在約5 ～10 m埋深位置。通過分析樁體水平位移最大值與埋深之間的關(guān)系，預(yù)測(cè)樁錨、樁撐和墻撐形式基坑樁體水平位移最大值分別為10～20 mm，12.5～25.0 mm，8～16 mm。通過對(duì)支撐軸力(錨索拉力)實(shí)際預(yù)加值與后期軸力增長(zhǎng)之間關(guān)系的曲線擬合，得到實(shí)際軸力預(yù)加值小于設(shè)計(jì)預(yù)加值50% 之后，隨著預(yù)加值的減少，最終的軸力將存在較大幅度的增長(zhǎng)。

北京地區(qū) 地鐵車站 明挖基坑 變形監(jiān)測(cè) 變形規(guī)律

1 工程概況

選取北京東部地層中明挖地鐵車站8座，采用三種基坑圍護(hù)形式，分別為圍護(hù)樁+錨索、圍護(hù)樁+內(nèi)支撐、地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐(以下分別簡(jiǎn)稱為樁錨、樁撐和墻撐)。基坑開挖深度基本為18～20 m，開挖地層主要為粉細(xì)砂、細(xì)中砂和中粗砂，部分夾雜粉質(zhì)黏土夾層，存在一定層間滯水。具體工點(diǎn)概況如表1所示。

表1 明挖基坑基本概況

2 地表沉降分析

選取圍護(hù)樁+錨索結(jié)構(gòu)相應(yīng)地表測(cè)點(diǎn)212個(gè)，圍護(hù)樁+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)相應(yīng)地表測(cè)點(diǎn)391個(gè)，地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)相應(yīng)地表測(cè)點(diǎn)77個(gè)。

三種支護(hù)形式基坑地表累計(jì)沉降分布情況如圖1所示。從圖中可以看出，樁錨與樁撐形式基坑地表沉降約60% ～70% 位于－30～0 mm，而墻撐形式基坑約為97% ，且墻撐形式沉降離散性較小，沉降集中于－5～－10 mm。顯然墻撐結(jié)構(gòu)基坑地表沉降整體優(yōu)于樁錨與樁撐結(jié)構(gòu)基坑。

樁錨結(jié)構(gòu)基坑地表沉降約36% 的測(cè)點(diǎn)為隆起狀態(tài)，通過現(xiàn)場(chǎng)分析，主要受凍漲影響，說明樁錨結(jié)構(gòu)周邊地表受凍漲影響較為明顯。樁撐結(jié)構(gòu)約23% 的測(cè)點(diǎn)地表沉降＜－30 mm，主要因運(yùn)河以東部分地層中層間滯水治理不佳，易造成樁間水土流失，最終導(dǎo)致地面沉降過大。

圖1 三種支護(hù)形式基坑地表累計(jì)沉降分布

3 樁頂水平位移

樁錨、樁撐和墻撐結(jié)構(gòu)相應(yīng)樁頂水平位移測(cè)點(diǎn)分別為107，178和35個(gè)。

三種支護(hù)形式基坑樁頂水平位移分布情況如圖2所示?？梢钥闯觯N圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式的樁頂水平位移變形均滿足正態(tài)分布，大部分測(cè)點(diǎn)樁頂水平位移集中在10～20 mm，其中樁錨結(jié)構(gòu)樁頂水平位移變形較樁撐和墻撐結(jié)構(gòu)離散性稍大。

圖2 三種支護(hù)形式基坑樁頂水平位移分布

4 樁體水平位移

樁錨、樁撐和墻撐結(jié)構(gòu)相應(yīng)樁體最大水平位移測(cè)點(diǎn)分別為54，72和16個(gè)。

4.1 最大累計(jì)變形分布

三種支護(hù)形式基坑樁體最大水平位移分布如圖3所示。可以看出，三種圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式下樁體水平位移變形均滿足正態(tài)分布。樁錨與墻撐結(jié)構(gòu)最大樁體水平位移位于0～30 mm之間的占總量95% 以上，變形值主要位于10～20 mm。樁撐結(jié)構(gòu)約75% 的測(cè)點(diǎn)位于0 ～30 mm，24% 的測(cè)點(diǎn)＞30 mm，原因與地表沉降較大相同，主要因運(yùn)河以東部分地層中層間滯水治理不佳，易造成樁間水土流失，最終導(dǎo)致樁變形過大。

4.2 典型變形曲線

三種支護(hù)形式基坑樁體水平位移典型曲線如圖4所示。從圖中可以看出，三種支護(hù)形式基坑樁體水平位移曲線形式基本類似，最大值發(fā)生在約5～10 m埋深位置。

圖3 三種支護(hù)形式基坑樁體最大水平位移分布

圖4 三種支護(hù)形式基坑樁體水平位移典型曲線

4.3 變形最大值與埋深的關(guān)系

三種支護(hù)形式基坑樁體水平位移最大值與測(cè)點(diǎn)相應(yīng)埋深關(guān)系見圖5至圖7。將最大值對(duì)應(yīng)埋深位置定為H。從圖5中可以看出，樁錨結(jié)構(gòu)最大樁體水平位移的變化范圍約0.9‰H～10‰H，平均值約為2‰H。從圖6中可以看出，樁撐結(jié)構(gòu)最大樁體水平位移的變化范圍約0.38‰H～25‰H，平均值約為2.5‰H。從圖7中可以看出，墻撐結(jié)構(gòu)最大樁體水平位移的變化范圍約1‰H～2.5‰H，平均值約為1.6‰H。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以通過典型曲線得出的最大值埋深范圍5～10 m和最大樁體水平位移平均值，對(duì)樁體水平位移最大值范圍進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)情況見表2。

圖5 樁錨結(jié)構(gòu)樁體水平位移最大值與對(duì)應(yīng)埋深關(guān)系

圖6 樁撐結(jié)構(gòu)樁體水平位移最大值與對(duì)應(yīng)埋深關(guān)系

圖7 墻撐結(jié)構(gòu)樁體水平位移最大值與對(duì)應(yīng)埋深關(guān)系

表2 三種支護(hù)形式基坑樁體水平位移最大值預(yù)測(cè)

5 支撐軸力(錨索拉力)

基坑支撐軸力(錨索拉力，下稱拉力)在現(xiàn)場(chǎng)施加的過程中，均存在不同程度的卸荷情況，導(dǎo)致初始預(yù)加值未能達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)加值。對(duì)三種支護(hù)形式基坑支撐軸力(拉力)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，樁錨、樁撐和墻撐結(jié)構(gòu)相應(yīng)軸力(拉力)測(cè)點(diǎn)分別為171，147和44個(gè)。

5.1 軸力(拉力)預(yù)加值施加情況(圖8)

圖8 三種支護(hù)形式基坑軸力(拉力)預(yù)加值施加情況

將軸力(拉力)實(shí)際預(yù)加值與設(shè)計(jì)預(yù)加值的比值定義為預(yù)加值施加率。從圖8中可以看出，樁錨結(jié)構(gòu)預(yù)加值施加率＞50% 的測(cè)點(diǎn)約占總數(shù)的66.7% ;樁撐結(jié)構(gòu)預(yù)加值施加率＞50% 的測(cè)點(diǎn)約占總數(shù)的28.5% ;墻撐結(jié)構(gòu)預(yù)加值施加率＞50% 的測(cè)點(diǎn)僅占總數(shù)的6.8% 。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，軸力(拉力)預(yù)加值施加率大部分均＜100% ，預(yù)加值施加情況從好到差依次為樁錨結(jié)構(gòu)、樁撐結(jié)構(gòu)和墻撐結(jié)構(gòu)基坑。

5.2 軸力(拉力)值增長(zhǎng)情況(圖9)

圖9 三種支護(hù)形式基坑軸力(拉力)值增加情況

將(軸力(拉力)的最終值－實(shí)際預(yù)加值)/實(shí)際預(yù)加值定義為軸力(拉力)增長(zhǎng)率。從圖9中可以看出，樁錨結(jié)構(gòu)拉力增長(zhǎng)率＞50% 的測(cè)點(diǎn)約占總數(shù)的19.9% ;樁撐結(jié)構(gòu)軸力增長(zhǎng)率＞50% 的測(cè)點(diǎn)約占總數(shù)的61.1% ;墻撐結(jié)構(gòu)軸力增長(zhǎng)率＞50% 的測(cè)點(diǎn)占總數(shù)的61.4% 。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，樁撐結(jié)構(gòu)和墻撐結(jié)構(gòu)基坑軸力后期增長(zhǎng)情況類似，均遠(yuǎn)大于樁錨結(jié)構(gòu)的拉力增長(zhǎng)。錨索結(jié)構(gòu)拉力后期增長(zhǎng)相對(duì)較小。

5.3 預(yù)加值施加率與增長(zhǎng)率關(guān)系(圖10)

圖10 軸力(拉力)預(yù)加值施加率與增長(zhǎng)率關(guān)系

根據(jù)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)值實(shí)際的情況，選取軸力(拉力)增長(zhǎng)率范圍為0～500% ，選取軸力(拉力)預(yù)加值施加率范圍為0～200% 。從圖10中可以看出，軸力預(yù)加值施加率基本＜150% 。當(dāng)預(yù)加值施加率＜50% 時(shí)，軸力增長(zhǎng)率較為分散，主要集中在150% 范圍內(nèi)，基本＜300% ;當(dāng)預(yù)加值施加率位于50% ～100% 時(shí)，軸力增長(zhǎng)率主要集中在75% 范圍內(nèi)，基本＜150% ;當(dāng)預(yù)加值施加率位于100% ～150% 時(shí)，軸力增長(zhǎng)率基本＜50% 。

對(duì)圖10中測(cè)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，擬合曲線采用y= AxB，經(jīng)過擬合，曲線方程為y=1 569.27x－0.868。從擬合曲線上可以看出，預(yù)加值小于設(shè)計(jì)預(yù)加值50% 之后，隨著預(yù)加值的減少，最終的軸力(拉力)將大幅度增長(zhǎng)。因此，建議預(yù)加值不應(yīng)小于設(shè)計(jì)預(yù)加值的50% 。

6 結(jié)論

在相似開挖深度、相似開挖地層，對(duì)明挖基坑圍護(hù)樁+錨索、圍護(hù)樁+內(nèi)支撐、地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐三種支護(hù)形式各監(jiān)測(cè)項(xiàng)進(jìn)行比對(duì)分析。得到以下結(jié)論。

1)墻撐結(jié)構(gòu)基坑地表沉降整體優(yōu)于樁錨與樁撐結(jié)構(gòu)基坑。樁錨與樁撐形式基坑地表沉降約60% ～70% 位于－30～0 mm，而墻撐形式基坑約為97% ，且墻撐形式沉降離散性較小，沉降集中于－5～－10 mm。

2)三種支護(hù)形式下基坑樁頂水平位移變形規(guī)律類似，變形均滿足正態(tài)分布，大部分測(cè)點(diǎn)樁頂水平位移集中在10～20 mm，其中樁錨結(jié)構(gòu)樁頂水平位移變形較樁撐和墻撐結(jié)構(gòu)離散性稍大。

3)三種支護(hù)形式下基坑樁體水平位移曲線形式基本類似，最大值發(fā)生在約5～10 m埋深位置。通過對(duì)樁體水平位移最大值與相應(yīng)測(cè)點(diǎn)埋深進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)樁錨、樁撐、墻撐形式基坑樁體水平位移最大值范圍分別為10～20 mm，12.5～25.0 mm，8～16 mm。

4)預(yù)加值施加情況從好到差依次為樁錨結(jié)構(gòu)、樁撐結(jié)構(gòu)、墻撐結(jié)構(gòu)基坑。樁撐結(jié)構(gòu)、墻撐結(jié)構(gòu)基坑軸力后期實(shí)際增長(zhǎng)情況類似，均遠(yuǎn)大于樁錨結(jié)構(gòu)的拉力增長(zhǎng)。錨索結(jié)構(gòu)拉力后期增長(zhǎng)相對(duì)較小。

5)實(shí)際軸力(拉力)預(yù)加值小于設(shè)計(jì)預(yù)加值50% 之后，隨著預(yù)加值的減少，最終的軸力(拉力)將存在較大幅度的增長(zhǎng)。因此，建議預(yù)加值不應(yīng)小于設(shè)計(jì)預(yù)加值的50% 。在實(shí)際工程中，建議保證支撐軸力(拉力)預(yù)加值的有效施加，并可以適當(dāng)大于設(shè)計(jì)預(yù)加值，這樣可以有利于提高后續(xù)基坑支撐軸力(拉力)的穩(wěn)定性。

［1］劉勇，馮志，黃國(guó)超，等.北京地鐵工程深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形研究［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2009，5(2):329－335.

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［5］北京地質(zhì)工程勘察院.北京地鐵6號(hào)線二期03合同段巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告［R］.北京:北京地質(zhì)工程勘察院，2011.

［6］北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司.北京地鐵6號(hào)線二期04合同段巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告［R］.北京:北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，2011.

［7］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50911—2013城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

(責(zé)任審編 孟慶伶)

TU753.1

A

10.3969/j.issn.1003－1995.2015.10.21

1003－1995(2015)10－0101－04

2015－04－21;

2015－07－10

張頂鋒(1985—)，男，工程師，碩士。