武漢I級(jí)階地某地鐵深基坑支護(hù)優(yōu)化及實(shí)測(cè)分析

霍曉波， 廖少明，2

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 上海　200092； 2.同濟(jì)大學(xué)巖土與地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海　200092)

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武漢I級(jí)階地某地鐵深基坑支護(hù)優(yōu)化及實(shí)測(cè)分析

霍曉波1， 廖少明1，2

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系， 上海200092； 2.同濟(jì)大學(xué)巖土與地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海200092)

摘要：武漢目前正在長(zhǎng)江I級(jí)階地地區(qū)大規(guī)模進(jìn)行地鐵建設(shè)。在地鐵車站基坑回筑施工階段，由于換撐會(huì)嚴(yán)重滯緩主體結(jié)構(gòu)施工，許多施工單位嘗試將原設(shè)計(jì)換撐方案修改為不換撐的方案以加快施工進(jìn)度。以武漢地區(qū)某地鐵車站基坑工程為背景，通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，分析地下水位變化及有無(wú)換撐條件下地連墻變形和彎矩、地表變形、支撐軸力變化規(guī)律。理論及實(shí)測(cè)分析結(jié)果表明： 坑外水位的降低導(dǎo)致作用在地連墻上的水土壓力減??； 當(dāng)坑外水位小于-6.3 m時(shí)，地連墻水平位移及墻后地表沉降較原設(shè)計(jì)換撐方案僅增加10%左右； 地連墻彎矩和支撐軸力均滿足原設(shè)計(jì)要求，優(yōu)化后的換撐方案是可行的。由于施工中存在較多不確定因素，當(dāng)采用無(wú)換撐方案時(shí)需密切關(guān)注坑外水位及地連墻變形的變化，以保證工程安全順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：地鐵； 基坑； 支護(hù)優(yōu)化； 長(zhǎng)江I級(jí)階地

0引言

武漢是華中地區(qū)的中心城市和我國(guó)重要的綜合交通樞紐城市。武漢地區(qū)地質(zhì)具有典型的河流相二元沉積結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1]，由長(zhǎng)江、漢江沖洪積物構(gòu)成的I級(jí)階地堆積平原區(qū)廣泛分布于兩江沿岸，如圖1陰影區(qū)域所示。該地區(qū)地層總體特征為上部以黏性土為主，下部以砂性土為主，在黏性土和砂性土間存在一定厚度的粉土層、粉砂層和淤泥質(zhì)土層，且地下水含量豐富，水位變化較大[2]。根據(jù)《武漢市城市軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃(2010—2017年)》[3]，到2017年武漢市軌道交通建設(shè)總規(guī)模將達(dá)到215.3 km，共包括7條線和171站，其中137站位于長(zhǎng)江I級(jí)階地地區(qū)，該地層中的地鐵基坑設(shè)計(jì)與施工以參照其他成熟地區(qū)為主，但與這些地區(qū)仍有一定程度的不同。

圖1　武漢長(zhǎng)江I級(jí)階地分布及近期地鐵規(guī)劃線路圖

Fig. 1Distribution of the 1st terrace of the Yangtze River in Wuhan and planning of Metro lines

目前已有一些專家和學(xué)者針對(duì)該地層條件下地鐵車站基坑的支護(hù)方案、參數(shù)優(yōu)化、基坑變形和地下水等進(jìn)行了分析研究。唐傳政等[4]和覃亞偉等[5]針對(duì)武漢地鐵二、四號(hào)線工程中的基坑突涌、側(cè)壁流土和老黏性土遇水軟化等地下水問(wèn)題進(jìn)行了探討，并提出控制措施； 吳翔天等[6]討論了武漢車站基坑加固范圍與深度、地下連續(xù)墻深度和降水方式等對(duì)車站施工的影響； 汪婧[7]針對(duì)武漢香港路站基坑土方開(kāi)挖順序及設(shè)計(jì)支撐數(shù)量進(jìn)行了理論分析； 郭利娜等[8]和李方成等[9]對(duì)武漢地鐵名都站鋼支撐軸力分析得出各支撐軸力實(shí)測(cè)值偏小，存在一定優(yōu)化空間。

以上研究主要集中于基坑地下水、基坑加固范圍與深度、地下連續(xù)墻深度等理論分析，僅針對(duì)名都車站進(jìn)行了鋼支撐軸力實(shí)測(cè)分析，且通過(guò)實(shí)測(cè)可知支撐仍有較大的優(yōu)化空間。目前在武漢地鐵車站基坑施工中普遍存在拆除第4道鋼支撐后，直接拆第3道鋼支撐而不架設(shè)換撐的現(xiàn)象，施工方便性增加，進(jìn)度大大加快，成功案例較多，究其原因可能為坑外水位的降低導(dǎo)致作用于地連墻上的荷載減小。武漢長(zhǎng)江I級(jí)階地地區(qū)地下水主要為上層滯水、潛水和孔隙承壓水，該區(qū)域地下水與長(zhǎng)江、漢江的水力聯(lián)系緊密，互補(bǔ)關(guān)系和季節(jié)性變化規(guī)律明顯，水位埋深為-0.5～-3 m，年變化幅度為3～4 m[10]，同時(shí)由于近年武漢地區(qū)大規(guī)模進(jìn)行軌道交通建設(shè)，城區(qū)中心大量基坑降水也導(dǎo)致地下水位普遍下降，最大降幅可達(dá)8～10 m。目前基坑設(shè)計(jì)中通常按最高觀測(cè)水位進(jìn)行設(shè)計(jì)，而施工期間坑外實(shí)際水位會(huì)比設(shè)計(jì)水位低很多，造成原設(shè)計(jì)偏于保守。若在施工過(guò)程中對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，則能在保證工程安全前提下加快建設(shè)進(jìn)度、降低成本。

本文以武漢長(zhǎng)江I級(jí)階地某地鐵車站基坑工程為背景，通過(guò)基坑數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，研究不同換撐工況及不同地下水位條件下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移、基坑周圍土體地表位移、地連墻彎矩和支撐軸力的變化規(guī)律。

1工程概況及地質(zhì)條件

1.1工程概況

該地鐵車站位于武漢長(zhǎng)江I級(jí)階地地區(qū)，基坑支護(hù)平、縱斷面如圖2和圖3所示，基坑總長(zhǎng)139.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬28.65 m，基坑深17.66 m。車站采用明挖法施工，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地連墻+內(nèi)支撐形式。地連墻厚度為800 mm，共設(shè)4道支撐，其中第1道支撐為800×1 000 mm的鋼筋混凝土支撐，第2、3、4道支撐均為外徑φ609 mm、壁厚16 mm的鋼支撐。

在施工過(guò)程中，為確保在不換撐條件下同時(shí)拆除2道支撐時(shí)的基坑安全，本工程從以下幾個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)控： 地連墻側(cè)向位移、墻后地表沉降以及支撐軸力。其測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，CX03為地連墻測(cè)斜點(diǎn)，DB3-1～DB3-5為地連墻周圍地表豎向變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，ZC2-1～ZC2-4為第1～4道支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖2　車站基坑平面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖(單位： m)

1.2工程地質(zhì)

1.3水文地質(zhì)

本工程場(chǎng)區(qū)內(nèi)的地下水主要有上層滯水、孔隙承壓水和基巖裂隙水3種類型。上層滯水主要賦存于填土層中，受大氣降水、地表水下滲及人類生產(chǎn)、生活用水排放影響?？紫冻袎核饕x存于〈3-5〉層和〈4-1〉層，受側(cè)向地下水補(bǔ)給，與長(zhǎng)江水力聯(lián)系密切，呈互補(bǔ)關(guān)系。地下水位季節(jié)性變化規(guī)律明顯，變化幅度為3～5 m，水量較為豐富，由地勘報(bào)告可知，承壓水位最大標(biāo)高為16.53 m(埋深約-3.5 m)?；鶐r裂隙水賦存于泥質(zhì)粉砂巖及礫砂巖中，水量較小，對(duì)本工程影響較小，暫不考慮。

表1　基坑土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

2數(shù)值模擬分析

2.1支護(hù)方案

車站基坑開(kāi)挖深度為-17.66 m，坑內(nèi)水位降至-19 m，采用800 mm地連墻做圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地連墻深31.5 m，支護(hù)設(shè)計(jì)方案及參數(shù)見(jiàn)圖3和表2。計(jì)算時(shí)選取基坑標(biāo)準(zhǔn)斷面并考慮地面超載為20 kPa。設(shè)計(jì)方案采取拆除第4道支撐后架設(shè)換撐的方案，而實(shí)際施工方案則直接拆除第3、4道支撐，不進(jìn)行換撐。不換撐方案導(dǎo)致第2道支撐以下地連墻跨度達(dá)到約11 m，其變形與承載力是否滿足原設(shè)計(jì)要求需進(jìn)一步進(jìn)行理論分析和實(shí)測(cè)驗(yàn)證。

圖3　車站基坑剖面示意圖(單位： m)

支撐材料距地表距離/m水平間距/m支撐剛度/(MN/m)預(yù)加軸力/kN第1道鋼筋混凝土-161675.40第2道鋼管-6.53460.7100第3道鋼管-11.53460.7100第4道鋼管-153460.7100換撐鋼管-12.53460.7100

2.2數(shù)值模擬模型

根據(jù)基坑的實(shí)際尺寸，計(jì)算模型取土層邊界寬210 m，深63 m，土體采用M-C模型，對(duì)位移邊界條件作如下假定： 模型的上邊界為自由變形； 左、右邊界水平方向位移限制為0，豎直方向允許發(fā)生變形； 下邊界任意方向變形為0。

計(jì)算時(shí)采用實(shí)體單元模擬土體，用板單元模擬地連墻，地連墻兩側(cè)與土的接觸面用無(wú)厚度接觸面單元模擬，橫向支撐按彈性桿件。模擬計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4　計(jì)算模型示意圖

由于坑外水位變化較大，理論計(jì)算分析中參照車站詳勘報(bào)告和實(shí)際坑外水位監(jiān)測(cè)結(jié)果，確定坑外水位變化范圍為-3～-8 m。

2.3數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.3.1坑外水位及換撐方案對(duì)地連墻側(cè)向位移的影響

不同坑外水位及換撐方案地連墻側(cè)向位移如圖5所示。由圖5可知，地連墻側(cè)向位移均為“漲肚型”，且地連墻最大側(cè)向位移點(diǎn)的位置幾乎不變，均位于地表以下約-12.5 m(即0.7He，He為基坑開(kāi)挖深度，下同)。在相同坑外水位、不同換撐方案條件下，不架設(shè)換撐比架設(shè)換撐最大位移大3～4 mm，且側(cè)向位移變化區(qū)間主要集中于-6～-17 m，由此說(shuō)明是否架設(shè)換撐對(duì)地連墻變形的影響區(qū)域主要集中于第2道支撐至坑底。在相同換撐方案、不同坑外地下水位條件下，側(cè)向位移變化區(qū)間集中在-3～-25m，約占地連墻深度的70%，由此說(shuō)明地下水位的變化對(duì)地連墻整體變形產(chǎn)生明顯影響。

圖5　不同坑外地下水位及支撐方案地連墻的變形

Fig. 5Deformation of diaphragm wall under different water levels imposed on the pit and different supporting schemes

地連墻最大側(cè)向位移與坑外地下水位的關(guān)系如圖6所示，由于設(shè)計(jì)方案為坑外地下水位-3 m且架設(shè)換撐，故以該工況下地連墻側(cè)向位移最大值為基準(zhǔn)，與其他工況條件下地連墻側(cè)向位移最大值進(jìn)行比較。由圖6可知，在同一支撐方案條件下，地連墻最大側(cè)向位移與坑外地下水位基本成線性關(guān)系。在不架設(shè)換撐條件下，當(dāng)坑外地下水位降至約-5.75 m時(shí)，地連墻最大側(cè)移與設(shè)計(jì)方案一致，故在施工時(shí)按照設(shè)計(jì)方案地連墻最大變形要求，當(dāng)坑外地下水位為-3～-5.75 m時(shí)，建議采用架設(shè)換撐方案；當(dāng)坑外地下水位小于-5.75 m時(shí)，可以采用不架設(shè)換撐的方案。

以設(shè)計(jì)方案即坑外水位-3 m，架設(shè)換撐為基準(zhǔn)，“+”為增加，“-”為減少。

圖6地連墻最大側(cè)向位移與坑外地下水位的關(guān)系

Fig. 6Relationship between the maximum horizontal displacement of diaphragm wall and underground water level outside pit

2.3.2坑外水位及換撐方案對(duì)基坑周圍地表變形的影響

不同坑外地下水位及支撐方案對(duì)坑外地表變形的影響如圖7所示。由圖7可知，地下水位和換撐方案的變化對(duì)基坑周圍地表沉降最大點(diǎn)的位置幾乎沒(méi)有影響，均位于地連墻后約10 m(即0.57He)。在同一坑外水位、不同支撐方案條件下，不架設(shè)換撐比架設(shè)換撐最大位移大1～2 mm，且基坑周圍沉降分布區(qū)域一致。在相同支撐方案、不同坑外水位條件下，隨著坑外水位的降低，基坑周圍地表沉降槽越來(lái)越窄，當(dāng)坑外水位為-8 m時(shí)，沉降分布區(qū)域位于地連墻后約25 m(即1.4He)； 當(dāng)坑外水位為-3 m時(shí)，沉降分布區(qū)域位于地連墻后約35 m(即2He)。

圖7　不同坑外地下水位及換撐方案坑外地表的變形

Fig. 7Ground surface deformation under different water levels outside pit and different supporting schemes

基坑周圍最大地表沉降與坑外水位關(guān)系如圖8所示。與2.3.1類似，以設(shè)計(jì)方案為基準(zhǔn)，與其他工況進(jìn)行比較，由圖8可知，在同一支撐方案條件下，坑外地表沉降最大值與坑外地下水位基本成線性關(guān)系。在不架設(shè)換撐條件下，當(dāng)坑外地下水位降至約-4.5 m時(shí)，基坑周圍最大地表沉降與設(shè)計(jì)方案一致，故按照基坑周圍地表沉降最大要求，當(dāng)坑外水位在-3～-4.5 m時(shí)，建議采用架設(shè)換撐的方案；當(dāng)坑外水位小于-4.5 m時(shí)，可以采用不架設(shè)換撐的方案。

以設(shè)計(jì)方案即坑外水位-3 m，架設(shè)換撐為基準(zhǔn)，“+”為增加，“-”為減少。

圖8基坑周圍最大地表沉降與坑外地下水位的關(guān)系

Fig. 8Relationship between the maximum ground surface settlement and underground water level outside pit

2.3.3坑外水位及換撐方案對(duì)地連墻彎矩的影響

坑外水位及換撐方案對(duì)地連墻彎矩的分布形式及大小產(chǎn)生一定程度影響，如圖9所示。由圖9可知，在同一坑外水位，不架設(shè)換撐將使最大彎矩點(diǎn)向下偏移至-12 m，即第3道支撐和換撐中間，最大彎矩相差200 kN·m，且彎矩變化范圍主要集中于-9～-14 m，即第3道支撐和換撐兩側(cè)。在相同換撐方案、不同坑外水位條件下，地連墻彎矩變化范圍主要集中于-8～-16 m，即第2道支撐和底板之間，由此說(shuō)明地下水位的變化對(duì)地連墻最大彎矩產(chǎn)生明顯影響。

地連墻最大彎矩與坑外地下水位關(guān)系如圖10所示。由圖10可知，在同一換撐方案條件下，地連墻最大彎矩與坑外地下水位基本成線性關(guān)系。在不架設(shè)換撐條件下，當(dāng)坑外地下水位降至約-6.3 m時(shí)，地連墻最大彎矩與設(shè)計(jì)方案相一致，故若按此要求，當(dāng)坑外水位在-3～-6.3 m時(shí)，建議采用架設(shè)換撐的方案；當(dāng)坑外水位小于-6.3 m時(shí)，可以采用不架設(shè)換撐的方案。

2.3.4坑外水位及換撐方案對(duì)支撐軸力的影響

地下水位的變化與支撐方案的選擇可以從支撐軸力上直觀反映，拆除第3和第4道支撐后地下水位與第1和第2道支撐軸力的關(guān)系如圖11和12所示。與2.3.1類似，以設(shè)計(jì)方案為基準(zhǔn)，與其他方案進(jìn)行比較。由圖11可知，在同一換撐方案下，地下水位的變化對(duì)第1道支撐的軸力幾乎沒(méi)有影響，故重點(diǎn)分析第2道支撐軸力的變化。由圖12可知，在同一支撐方案下，地下水位的變化與第2道支撐軸力成線性關(guān)系，在不架設(shè)換撐條件下，當(dāng)坑外地下水位降至約-6 m時(shí)，第2道支撐軸力與設(shè)計(jì)方案相一致，故按照第2道支撐軸力要求，當(dāng)坑外水位在-3～-6 m時(shí)，建議采用架設(shè)換撐的方案；當(dāng)坑外水位為-6 m以下時(shí)，可以采用不架設(shè)換撐的方案。

圖9　不同坑外地下水位及換撐方案地連墻的彎矩

Fig. 9Bending moment of diaphragm under different underground water levels outside pit and associated supporting schemes

以設(shè)計(jì)方案即坑外水位-3 m，架設(shè)換撐為基準(zhǔn)，“+”為增加，“-”為減少。

圖10地連墻最大彎矩與坑外地下水位關(guān)系圖

Fig. 10Relationship between the maximum bending moment of diaphragm wall and underground water level outside pit

以設(shè)計(jì)方案即坑外水位-3 m，架設(shè)換撐為基準(zhǔn)，“+”為增加，“-”為減少。

圖11第1道支撐軸力與坑外地下水位關(guān)系圖

Fig. 11Relationship between the axial stress of support No.1 and underground water level outside pit

以設(shè)計(jì)方案即坑外水位-3 m，架設(shè)換撐為基準(zhǔn)，“+”為增加，“-”為減少。

圖12第2道支撐軸力與坑外地下水位關(guān)系圖

Fig. 12Relationship between the axial stress of support No.2 and underground water level outside pit

綜合以上分析結(jié)果可知，當(dāng)分別按照上述不同類型指標(biāo)進(jìn)行控制時(shí)，換撐方案的選擇對(duì)坑外地下水位有不同的要求。當(dāng)需滿足上述全部要求時(shí)，不架設(shè)換撐方案的最高水位為-6.3 m，即當(dāng)坑外水位在-3～-6.3 m時(shí)，建議采用架設(shè)換撐的方案； 當(dāng)坑外水位小于-6.3 m時(shí)，可以考慮采用不架設(shè)換撐的方案。

3實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)施工期間地下水位的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，盡管本工程建設(shè)時(shí)間為夏季，長(zhǎng)江水位處于高位； 但由于城中建設(shè)大規(guī)模降水影響，導(dǎo)致部分一級(jí)階地實(shí)測(cè)水位處于低位，較常年地下水位低4 m左右。本工程坑外水位實(shí)測(cè)為-7.5～-8.5 m，故以下分析中選取坑外水位為-8 m且不架設(shè)換撐工況下，拆除第3、4道支撐后地連墻側(cè)向位移、基坑周圍地表變形、地連墻彎矩等模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

從前，喝酒、唱歌，那叫檔次；現(xiàn)在，做家務(wù)、陪家人，那叫靠譜。不管你是什么身份地位，能把重心放在靠譜上，才叫責(zé)任。

3.1地連墻側(cè)向位移

拆除第3、4道鋼支撐后地連墻實(shí)測(cè)水平位移與模擬結(jié)果的對(duì)比如圖13所示。由圖13可知，地連墻實(shí)測(cè)最大位移為27.84 mm，最大位移點(diǎn)位于-15 m； 地連墻數(shù)值模擬最大位移為27.46 mm，最大位移點(diǎn)位于-12 m。實(shí)測(cè)最大位移與數(shù)值模擬最大位移較為接近，且均在報(bào)警值30 mm范圍之內(nèi)，但實(shí)測(cè)地連墻最大位移點(diǎn)比模擬結(jié)果向下偏移約3 m。究其原因，主要為底板澆筑后強(qiáng)度未達(dá)到要求即拆除第3、4道支撐，導(dǎo)致底板附近地連墻變形增大，最大水平位移點(diǎn)向下偏移。

圖13　地連墻實(shí)測(cè)側(cè)向位移與數(shù)值模擬對(duì)比

Fig. 13Comparison and contrast between the monitored horizontal displacement and numerical simulations of diaphragm wall

3.2基坑周圍地表變形

拆除第3、4道支撐后基坑周圍地表實(shí)測(cè)豎向位移與數(shù)值模擬的對(duì)比如圖14所示，由于實(shí)際監(jiān)測(cè)中受場(chǎng)地及成本限制，在基坑周圍僅布置了5個(gè)地表測(cè)點(diǎn)。由圖14可知，實(shí)測(cè)地表沉降最大值為13.55 mm，該點(diǎn)距離地連墻7 m； 模擬地表沉降最大值為11.76 mm，該點(diǎn)距離地連墻9.46 m。實(shí)測(cè)地表豎向最大位移比模擬結(jié)果大1.79 mm，主要原因?yàn)榈?、4道支撐拆除后，基坑底板未達(dá)到強(qiáng)度要求，故底板附近墻后土體向坑內(nèi)移動(dòng)，導(dǎo)致地表沉降增大。

圖14　地表實(shí)測(cè)位移與數(shù)值模擬對(duì)比

Fig. 14Comparison and contrast between the monitored ground surface settlement and numerical simulations of ground surface settlement

3.3土壓力

當(dāng)基坑土方開(kāi)挖后，坑周側(cè)向水土壓力將絕大部分由坑內(nèi)支撐承擔(dān)[11]，因此為驗(yàn)證坑外土體側(cè)向水土壓力的大小，可采用支撐軸力進(jìn)行反算得到作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的表觀土壓力與模擬土壓力、理論靜止土壓力、Rankine土壓力進(jìn)行對(duì)比。

采用Terzaghi等[12]建議的反算方法，得到表觀土壓力沿基坑深度方向分布及其與模擬結(jié)果和理論土壓力對(duì)比如圖15所示。由圖15可知，表觀土壓力與模擬土壓力吻合較好，基本介于靜止土壓力和Rankine土壓力之間且靠近Rankine土壓力，但在-14～-17.66 m，表觀土壓力比模擬土壓力減小較多，以-15 m(基坑側(cè)向變形最大點(diǎn))為例，表觀土壓力比模擬土壓力小33.9 kPa，約占模擬土壓力的33%，其原因可能是： 1)表觀土壓力是由支撐軸力反算得到的，而最下道支撐軸力受到基坑底部被動(dòng)抗力影響較大，因此僅由支撐軸力反算得到的土壓力偏小[12]； 2)坑底附近變形較大，受到側(cè)向卸荷拱效應(yīng)的影響[13-15]，導(dǎo)致坑底附近有效主動(dòng)壓力偏小。

3.4地連墻彎矩

圖15　土壓力對(duì)比示意圖

圖16　地連墻實(shí)測(cè)反算彎矩與數(shù)值模擬對(duì)比

Fig. 16Comparison and contrast between the measured bending moment and numerical simulations of diaphragm wall

3.5支撐軸力

鋼支撐的軸力變化是深基坑監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容，它是驗(yàn)證深基坑設(shè)計(jì)合理性和保證安全施工的重要依據(jù)?；又屋S力實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比如圖17所示。由圖17可知，在基坑開(kāi)挖階段，第1道支撐軸力基本維持在1 100 kN，并隨著第2、3、4道支撐的施加，第1道支撐軸力略有減小，在換撐階段，當(dāng)拆除第3、4道支撐之后，軸力迅速增大。第3道支撐軸力實(shí)測(cè)值比模擬值偏大，尤其在拆除第4道支撐后，其原因可能為第4道支撐拆除較早，底板未達(dá)到強(qiáng)度要求，導(dǎo)致第3、4道支撐附近地連墻向坑內(nèi)變形增大，實(shí)測(cè)軸力偏大。第4道支撐實(shí)測(cè)軸力比模擬軸力偏小，其原因可能為實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程為分層、分段開(kāi)挖，在監(jiān)測(cè)斷面開(kāi)挖完成前，同一平面上已架設(shè)的支撐分擔(dān)其荷載，同時(shí)第5層土開(kāi)挖完成后迅速澆筑了底板，故其實(shí)測(cè)值偏小。

圖17支撐實(shí)測(cè)軸力與數(shù)值模擬對(duì)比(2014年)

Fig. 17Comparison and contrast between the measured axial stress of the supports and numerical simulations (in 2014)

綜合以上支撐軸力監(jiān)測(cè)情況可知，當(dāng)坑外水位為-7.5～-8 m時(shí)，第3、4道支撐同時(shí)拆除而不架設(shè)換撐的方案是可行的，支撐軸力均在允許值范圍內(nèi)，且與數(shù)值模擬結(jié)果較為吻合。

4結(jié)論與討論

本文以武漢長(zhǎng)江I級(jí)階地地鐵車站基坑工程為背景，采用數(shù)值模擬和實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，分析了目前武漢地鐵車站建設(shè)過(guò)程中存在的第3、4道支撐一起拆除而不架設(shè)換撐現(xiàn)象，通過(guò)分析地連墻變形、墻后地表沉降、地連墻彎矩和支撐軸力等，得出以下結(jié)論：

1)理論計(jì)算及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，本工程采用不架設(shè)換撐的方案是可行的，而且在實(shí)踐中取得了成功。

2)當(dāng)武漢長(zhǎng)江I級(jí)階地地區(qū)的地下水位在-6.3 m以上時(shí)，基坑支護(hù)建議采用架設(shè)換撐的方案； 當(dāng)坑外水位在-6.3 m以下時(shí)，可以考慮不架設(shè)換撐的方案。

3)武漢長(zhǎng)江I級(jí)階地地區(qū)坑外水位的變化對(duì)地連墻整體變形產(chǎn)生明顯影響，其影響范圍約占地連墻深度的70%。相同水位不架設(shè)換撐方案比架設(shè)換撐的地連墻最大位移增加約10%，在安全范圍之內(nèi)。

4)地下水位的變化和換撐方案的變化對(duì)基坑周圍地表沉降最大點(diǎn)的位置幾乎沒(méi)有影響，均位于地連墻后約10 m(即0.57He)。相同水位不架設(shè)換撐比架設(shè)換撐墻后地表最大沉降增加10%，在沉降控制范圍之內(nèi)。

5)地下水位的變化對(duì)地連墻最大彎矩產(chǎn)生明顯影響，其影響范圍位于第2道支撐和底板之間。在相同水位時(shí)，不架設(shè)換撐將使最大彎矩點(diǎn)向下偏移至第3道支撐和換撐中間，最大彎矩增大約200 kN·m，在承載力范圍之內(nèi)。

6)當(dāng)采用相同換撐方案時(shí)，地下水位的變化對(duì)第1道支撐軸力幾乎沒(méi)有影響，對(duì)第2道支撐軸力影響較大，且地下水位與第2道支撐軸力呈線性關(guān)系。

7)由于施工過(guò)程中存在較多不確定因素，因此為加快施工進(jìn)度，當(dāng)采用同時(shí)拆除第3、4道支撐的方案時(shí)，需密切關(guān)注坑外水位及地連墻變形的變化，以保障工程的順利安全進(jìn)行。

8)目前武漢地區(qū)的基坑研究主要集中于基坑地下水、基坑加固范圍與深度和地下連續(xù)墻深度等的理論分析，本文則針對(duì)基坑的支撐方案進(jìn)行了實(shí)測(cè)分析與優(yōu)化。

9)本文對(duì)武漢長(zhǎng)江I級(jí)階某地鐵基坑支護(hù)設(shè)計(jì)、施工方案進(jìn)行了分析和優(yōu)化，且本工程的安全順利實(shí)施為該地區(qū)地鐵基坑支護(hù)設(shè)計(jì)、施工方案提供了參考依據(jù)。

10)本文僅針對(duì)武漢地區(qū)的一個(gè)地鐵基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，為進(jìn)一步分析優(yōu)化該地區(qū)地鐵基坑的支護(hù)方案，建議多搜集相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]馬鄖, 徐光黎. SMW+水泥土樁錨結(jié)構(gòu)在基坑工程中的應(yīng)用： 以武漢長(zhǎng)江Ⅰ級(jí)階地基坑工程為例[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2013, 9(4): 934-938,964.(MA Yun, XU Guangli. Application of SMW and pile anchor retaining structure in a soft soil excavation pit[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2013, 9(4): 934-938,964.(in Chinese))

[2]基坑工程技術(shù)規(guī)程： DB42/T 159—2012[S].武漢： 湖北省住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳，2012.(Technical specification for engineering excavation: DB42/T 159—2012[S].Wuhan: Department of Housing and Urban-Rural Development of Hubei Province,2012.(in Chinese))

[3]武漢市國(guó)土資源和規(guī)劃局. 武漢市城市軌道交通近期建設(shè)規(guī)劃2010—2017[EB/OL]. 2013-05-16/2015-04-20. http://www.wpl.gov.cn/pc-73-48385.html.(Wuhan Land Resources and Planning Bureau. Recent urban Metro construction planning of Wuhan 2010—2017[EB/OL]. 2013-05-16/2015-04-20. http://www.wpl.gov.cn/pc-73-48385.html.(in Chinese))

[4]唐傳政, 彭曉秋. 武漢軌道交通二號(hào)線一期車站基坑支護(hù)方案探討[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2008, 30(增刊): 597-602.(TANG Chuanzheng, PENG Xiaoqiu. Excavation supporting schemes for the first-stage project of station of Wuhan rail transit line No.2[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2008, 30(S): 597-602.(in Chinese))

[5]覃亞偉, 楊新, 王帆,等. 武漢地鐵岳家嘴車站深基坑降水技術(shù)應(yīng)用[J]. 土木工程與管理學(xué)報(bào), 2012, 29(1): 80-84.(QIN Yawei, YANG Xin, WANG Fan, et al. Application of dewatering technology in deep foundation pit at Yuejiazui Metro station in Wuhan[J].Journal of Civil Engineering and Management, 2012, 29(1): 80-84.(in Chinese))

[6]吳翔天, 丁烈勇, 周誠(chéng),等. 武漢地鐵車站深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選型研究[J]. 土木工程與管理學(xué)報(bào), 2011, 28(1): 43-47.(WU Xiangtian, DING Lieyong, ZHOU Cheng, et al. Research on selection of support structural type for deep foundation pit in Wuhan Metro station[J]. Journal of Civil Engineering and Management, 2011, 28(1): 43-47.(in Chinese))

[7]汪婧. 武漢地鐵香港路站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2013(增刊1): 162-165,197.(WANG Jing. Optimization for foundation pit retaining structure of Hong Kong road station of Wuhan Metro[J]. Railway Construction Technology, 2013(S1): 162-165,197.(in Chinese))

[8]郭利娜, 胡斌, 李方成, 等. 武漢地鐵深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)鋼支撐軸力研究[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2013, 9(6): 1386-1393.(GUO Lina, HU Bin, LI Fangcheng, et al. The study on axial force of steel shotcrete protective structures on deep foundation pit in Wuhan subway[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2013, 9(6): 1386-1393.(in Chinese))

[9]李方成, 胡斌, 唐輝明，等.武漢地鐵二號(hào)線名都站深基坑施工期變形監(jiān)測(cè)與分析[J].安全與環(huán)境工程, 2010, 17(5): 113-118.(LI Fangcheng, HU Bin, TANG Huiming, et al. Deformation monitoring and analysis for the deep foundation pit construction period of Mingdu station of Wuhan subway No.2 Line[J]. Safety and Environmental Engineering, 2010, 17(5): 113-118.(in Chinese))

[10]黃文亮.武漢地鐵范湖站深基坑降水技術(shù)應(yīng)用[J].隧道建設(shè), 2009, 29(1): 93-96.(HUANG Wenliang. Application of dewatering technologies in deep foundation pit construction of Fanhu station of Wuhan Metro[J].Tunnel Construction, 2009, 29(1): 93-96.(in Chinese))

[11]廖少明, 魏仕鋒, 譚勇，等.蘇州地區(qū)大尺度深基坑變形性狀實(shí)測(cè)分析[J].巖土工程學(xué)報(bào), 2015, 37(3): 458-469.(LIAO Shaoming, WEI Shifeng, TAN Yong, et al. Field performance of large-scale deep excavations in Suzhou[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(3): 458-469.(in Chinese))

[12]Terzaghi K,Peck R B.Soil mechanics in engineering practice[M]. 2nd Edition. New York: Wiley, 1967.

[13]吳明, 彭建兵, 徐平，等.考慮土拱效應(yīng)的擋墻后土壓力研究[J]. 工程力學(xué), 2011, 28(11): 89-95.(WU Ming, PENG Jianbing, XU Ping, et al. Study on earth pressure against rigid retaining walls considering soil arching effects[J]. Engineering Mechanics, 2011, 28(11): 89-95.(in Chinese))

[14]黃治云, 張永興, 董捷. 樁板墻土拱效應(yīng)及土壓力傳遞特性試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2013, 34(7): 1887-1892.(HUANG Zhiyun, ZHANG Yongxing, DONG Jie. Experimental study of soil arching and transfer behavior of earth pressure about sheet-pile walls[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013,34(7): 1887-1892.(in Chinese))

[15]蔣波. 擋土結(jié)構(gòu)土拱效應(yīng)及土壓力理論研究[D].杭州： 浙江大學(xué), 2005.(JIANG Bo. Studies on soil arching effect and earth pressure for retaining structure[D].Hangzhou: Zhejiang University, 2005.(in Chinese))

Analysis on Optimization and Monitoring of Supporting Structure of A Deep

Metro Station Pit in First Terrace of Yangtze River in Wuhan, China

HUO Xiaobo1, LIAO Shaoming1,2

(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;

2.KeyLaboratoryofGeotechnicalandUndergroundEngineeringofMinistryofEducation,

TongjiUniversity,Shanghai200092,China)

Abstract:Many Metros are building in the first terrace of the Yangtze River in Wuhan, China. During the backfill construction of Metro station pit, support replacement will delay the construction schedule of the major structure construction. In this regard, a non-support replacement scheme is proposed. In this paper, the deformation and bending moment of diaphragm wall, settlement of ground surface, and regulations of axial stress of support structures are analyzed under the conditions of underground water level variation and that support replacement and non-support keplacement. A case of a Metro station pit in Wuhan is taken as the research background. The comparison and contrast between the monitoring data and theoretical calculations shows that: 1) Water pressure on the underground diaphragm wall reduces as water level drops; 2) The horizontal displacement of diaphragm wall and ground surface settlement behind the diaphragm wall increase by 10% compared to those in the original design; 3) The bending moment of the diaphragm wall and axial stress of the support structure can meet the original design requirements, and the optimized support replacement scheme is feasible. The water level outside the pit and the deformation of the diaphragm should be focused on when non-support replacement scheme is used.

Keywords:Metro; foundation pit; support optimization; first terrace of Yangtze River

中圖分類號(hào)：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)01-0071-09

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.011

作者簡(jiǎn)介：第一 霍曉波(1990—)，男，山西陽(yáng)泉人，同濟(jì)大學(xué)隧道及地下建筑工程專業(yè)在讀碩士，主要從事地鐵隧道和基坑等地下工程設(shè)計(jì)與施工控制關(guān)鍵技術(shù)研究。E-mail: huoxiaobo2012@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378389)； 國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB057806)

收稿日期：2015-08-26; 修回日期： 2015-09-25