軟土地區(qū)明挖隧道施工引起周邊建筑沉降的預(yù)測方法

成怡沖 張挺鈞 鄭 翔 章玉明 田領(lǐng)川

(1. 浙江華展工程研究設(shè)計院有限公司，315012，寧波；2. 寧波市市政工程前期辦公室，315100， 寧波//第一作者，高級工程師，工學(xué)博士)

在城市建筑密集區(qū)采用明挖法施工隧道時，土體開挖對周邊環(huán)境(如建筑、市政道路和管線)的影響問題已越來越受到各方的重視。由于缺少可行的變形預(yù)測方法的支持，相關(guān)圍護(hù)設(shè)計中還很難充分考慮這一問題，從而導(dǎo)致設(shè)計上存在安全隱患或過于保守。因此，研究明挖隧道施工對周邊建(構(gòu))筑物影響的預(yù)測方法顯得迫切和必要。

明挖隧道基坑坑外地表沉降往往與建筑沉降密切相關(guān)，目前已有許多基坑開挖引起地表沉降的估算方法[1]。文獻(xiàn)[2]采用上海地區(qū)經(jīng)驗法、臺北地區(qū)經(jīng)驗法、有限元法等3種方法，對某地鐵車站開挖對周邊建筑的影響進(jìn)行預(yù)測并與實測結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明基于特定地區(qū)經(jīng)驗的預(yù)測方法在其他地區(qū)的適用性不強(qiáng)，采用有限元模擬得到的結(jié)果更接近于工程實測。需要指出的是，數(shù)值分析方法雖然可模擬復(fù)雜條件下的基坑開挖，但較高的模擬費用限制了其在基坑工程初步設(shè)計中的應(yīng)用，而且預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性取決于合理的土體本構(gòu)模型和參數(shù)的選擇。相比而言，經(jīng)驗預(yù)測方法更便于應(yīng)用，但是預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性同樣依賴于方法中所含經(jīng)驗參數(shù)的合理取值。由于不同地區(qū)的經(jīng)驗參數(shù)不同，要獲得合理的經(jīng)驗參數(shù)則需要對大量實測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析。文獻(xiàn)[3]采用KJHH簡化評估法預(yù)測深基坑引起的地表沉降，再基于建筑變形與地表變形一致的假定求解建筑的角變量，以此評估建筑物的受損情況。文獻(xiàn)[4]采用可靠度理論進(jìn)行坑外水平位移與豎向位移的預(yù)測，再計算建筑物的角變形和橫向拉應(yīng)變，通過引入與以上變量相關(guān)的建筑物破壞潛力指標(biāo)來評估建筑物的變形程度。文獻(xiàn)[5]根據(jù)上海地區(qū)的大量工程實測數(shù)據(jù)提出了地表沉降曲線的預(yù)估方法。文獻(xiàn)[6]通過對有限元計算結(jié)果的分析及擬合，推導(dǎo)了能綜合考慮基坑系統(tǒng)剛度、挖深和寬度因素的板式支護(hù)體系基坑地表最大沉降的簡化計算公式，然后采用與文獻(xiàn)[3]類似的方法獲得建筑物角變量來預(yù)估深基坑開挖對周邊建筑物的影響。不難發(fā)現(xiàn)，以上預(yù)測方法針對的是淺基礎(chǔ)建筑，對于樁基礎(chǔ)建筑的沉降預(yù)測是不適用的。由于樁-土相互作用問題的復(fù)雜性，目前除采用數(shù)值分析方法外[7]，可計算基坑開挖引起鄰近樁基礎(chǔ)建筑沉降的方法還鮮有報道。

本文以寧波軟土地區(qū)明挖隧道施工時基坑及周邊變形的統(tǒng)計規(guī)律為基礎(chǔ)，提出了坑外地表沉降的經(jīng)驗預(yù)測公式，在此基礎(chǔ)上通過建筑對應(yīng)位置地表沉降的合理折減進(jìn)一步提出了明挖隧道施工引起周邊建筑沉降的預(yù)測方法。

1 坑外地表沉降的預(yù)測公式

軟土地區(qū)明挖隧道基坑屬于狹長型基坑，一般都采用圍護(hù)墻結(jié)合多道內(nèi)支撐的支護(hù)形式。相關(guān)研究表明，這類基坑外的地表沉降更符合偏態(tài)分布模式[8-9]。

本文以偏態(tài)分布的地表沉降估算方法為基礎(chǔ)，提出適用于寧波軟土地區(qū)明挖隧道施工引起坑外地表沉降的預(yù)測公式?？油獾乇沓两档钠珣B(tài)分布示意圖見圖1，偏態(tài)分布的公式可表示為[8]：

(1)

式中：

δv(x)——坑外x處的地表沉降量；

xm——坑外地表最大沉降點距坑邊的距離；

Sv——沉降曲線的包絡(luò)面積；

基坑變形的相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果顯示，圍護(hù)墻最大水平位移δhm與地表最大沉降δvm的比例關(guān)系以及坑外地表最大沉降點距坑邊的距離xm與基坑開挖深度H比例關(guān)系相對穩(wěn)定，假設(shè)：

δv(xm)=δvm=κδhm

(2)

xm=αH

(3)

將式(2)、(3)代入式(1)，經(jīng)整理后可得：

(4)

圖1 坑外地表沉降偏態(tài)分布示意圖

需要指出的是，比例系數(shù)α和κ受多種因素影響，為滿足變形估算要求，宜通過統(tǒng)計基坑在常規(guī)做法下的變形情況獲得。對于寧波軟土地區(qū)的明挖隧道基坑，根據(jù)文獻(xiàn)[10]對寧波地區(qū)地鐵車站深基坑變形數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，比例系數(shù)α和κ可分別取為0.83和1.71。本文對寧波某明挖公路隧道工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)(見圖2和圖3)，α和κ的均值分別為0.84和2.20，其結(jié)果要大于文獻(xiàn)[10]的統(tǒng)計結(jié)果。由于寧波地區(qū)土層的分布特點，地鐵車站深基坑坑底一般位于土性較好的3層粉質(zhì)黏土層中，而公路隧道明挖基坑坑底一般位于土性較差的2層淤泥質(zhì)黏土層中，因此后者對坑外土體的影響要大于前者。

圖2 地表最大沉降位置與開挖深度的關(guān)系

圖3 圍護(hù)墻最大側(cè)移與地表最大沉降的關(guān)系

在確定比例系數(shù)α和κ后，可按常規(guī)設(shè)計方法計算支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移δhm，將以上數(shù)值連同基坑開挖深度H以及沉降計算點坐標(biāo)x代入式(4)，即可估算相應(yīng)位置的地表沉降。

2 坑外淺基礎(chǔ)建筑的沉降預(yù)測方法

對于緊鄰基坑的淺基礎(chǔ)建筑，坑外地表沉降往往能直觀地反映對應(yīng)位置的建筑沉降，不過將坑外地表沉降直接作為建筑沉降的預(yù)測方法的合理性仍值得探討。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為，結(jié)構(gòu)與地基土之間的相互作用會調(diào)整建筑物的差異沉降量，故建筑實際沉降會略小于預(yù)測值，預(yù)測結(jié)果偏于保守。文獻(xiàn)[6]同樣認(rèn)為，建筑物具有一定剛度，其剛度的影響會使得實際地表沉降略小于自由地表下的沉降；但是，考慮到建筑物自重對基坑而言又是一種超載，其作用會導(dǎo)致實際沉降略大于自由地表沉降，因此，地表沉降與對應(yīng)位置的建筑沉降相差不大。文獻(xiàn)[11]通過對某基坑工程的實測發(fā)現(xiàn)，基坑邊2～3層建筑的沉降變化趨勢與地表沉降的變化趨勢較為接近，但對于基坑邊5層建筑，兩者的沉降差距較大。該實測結(jié)果一定程度上印證了文獻(xiàn)[6]的論述，但不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)建筑物自重(層數(shù))超過某一限值后，由建筑物自重作用下的沉降增加量將超過建筑基礎(chǔ)剛度影響下的沉降減小量；換言之，此時的坑外地表沉降將小于對應(yīng)位置的建筑沉降。

參考以上研究成果，對于基坑開挖引起的淺基礎(chǔ)建筑的沉降預(yù)測，當(dāng)建筑層數(shù)小于一定值時(建議取小于3層時)，認(rèn)為坑外地表沉降與建筑沉降一致，故可以根據(jù)實際情況計算圍護(hù)墻最大側(cè)移，并利用式(4)估算建筑沉降；當(dāng)建筑層數(shù)超過限定值時，可將超過的層數(shù)折算為坑外超載重新計算圍護(hù)墻最大側(cè)移，以此計算得到的坑外沉降來估算建筑沉降。臨近基坑的淺基礎(chǔ)建筑沉降預(yù)測示意圖見圖4。圖4中，δh表示水平向位移。

3 坑外樁基礎(chǔ)建筑的沉降預(yù)測方法

基坑開挖時，樁基礎(chǔ)建筑的沉降變形與淺基礎(chǔ)建筑顯著不同。文獻(xiàn)[12-13]的實測結(jié)果顯示，不同基礎(chǔ)形式對于深基坑開挖引起建筑變形的抵抗能力不同，樁基礎(chǔ)在該方面要優(yōu)于淺基礎(chǔ)。相比于淺基礎(chǔ)，樁基礎(chǔ)與地基土相互作用機(jī)理更為復(fù)雜，所以目前關(guān)于基坑開挖引起樁基礎(chǔ)建筑沉降的預(yù)測方法還鮮見報道。

圖4 坑外淺基礎(chǔ)建筑沉降示意圖

為簡化問題，作如下假定：①將地基視為Winkel地基，即將地基土與樁體視為具有不同剛度的彈簧；②基坑開挖引起的土體位移場與地表在某分布力作用下產(chǎn)生的土體位移場等效；③建筑的存在只影響建筑所在區(qū)域的沉降，其他區(qū)域的地表沉降與不存在建筑時相同。臨近基坑的樁基礎(chǔ)建筑沉降預(yù)測示意圖見圖5。

圖5 坑外樁基礎(chǔ)建筑沉降示意圖

根據(jù)能量守恒原理，可得：

(5)

式中：

δv(x)、δb(x)——分別為x位置的地表沉降和建筑沉降；

xa、xb——分別為建筑近端和遠(yuǎn)端離基坑邊的距離；

Ks、Ksp——分別為地基土和樁-土地基的基床系數(shù)，將樁基的存在視為對原地基的加固。Ksp可通過下式計算：

Ksp=mKp+(1-m)Ks

(6)

式中：

Kp——樁的基床系數(shù);

m——單樁的面積置換率。

文獻(xiàn)[14]給出了不同類型樁與土的基床系數(shù)取值范圍。其中，穿過軟弱土層達(dá)到密實砂層或黏土層樁的Kp變化范圍為5×104～15×104kN/m3，淤泥質(zhì)土的基床系數(shù)Ks的變化范圍為0.1×104～0.5×104kN/m3。由于缺少寧波軟土地區(qū)基床系數(shù)取值的經(jīng)驗，故取以上給出范圍的最小值，由此可得樁與土的基床系數(shù)的比值χ=Kp/Ks=50。

地表沉降δv(x)可由式(4)計算，地表沉降乘以折減系數(shù)η為對應(yīng)位置的建筑沉降，則有：

δb(x)=ηδv(x)

(7)

圖6給出了寧波地區(qū)某開挖深度約為10 m的隧道基坑坑外地表沉降和鄰近基坑的樁基礎(chǔ)建筑沉降的實測值，以及根據(jù)式(4)計算得到的坑外沉降曲線。

圖6 某明挖隧道坑外地表沉降與樁基礎(chǔ)建筑沉降

由圖6可見，沉降曲線可基本包絡(luò)地表實測沉降；對于臨近基坑的樁基礎(chǔ)建筑，地表沉降越大(樁基礎(chǔ)越靠近地表沉降最大值位置)，樁基抵抗變形的能力發(fā)揮程度越高，即折減系數(shù)η值越小。假設(shè)η在基坑開挖影響范圍內(nèi)呈線性增加，有：

αH≤x≤βH

(8a)

η(x)=1,x>βH

(8b)

η(x)=η0(x),x<αH

(8c)

式中：

η0——地表最大沉降處(x=αH)的折減系數(shù)；

βH——基坑開挖的影響范圍，根據(jù)文獻(xiàn)[10]及圖6，對于寧波地區(qū)的明挖隧道基坑，建議取β=4。

對于積分范圍[xa,xb]，當(dāng)建筑遠(yuǎn)端超過βH時，建筑沉降與地表沉降接近，可不考慮樁基存在的影響(見式(8b))，故當(dāng)xb>βH時，取xb=4H；當(dāng)建筑近端小于αH時，從地表沉降的變化情況看，折減系數(shù)應(yīng)隨x的減少而增大，這與x≥αH時的折減系數(shù)的變化情況相反，為便于計算，當(dāng)xa<αH時，取xa=αH，此時折減系數(shù)的取值見式(8c)。

將式(6)～(8)代入式(5)，經(jīng)整理可得：

(9)

通過編制簡易程序，可由式(9)計算出η0，將η0代入式(8)可得出各點的折減系數(shù)，再由式(7)得出各點的建筑沉降。

4 工程實例

寧波市機(jī)場快速干道永達(dá)路連接線工程(明挖公路隧道工程)位于寧波市海曙區(qū)環(huán)城西路和蒼松路交叉段附近。由于該工程受用地、城市景觀要求及環(huán)境問題的限制，采用地下隧道加地面輔道的形式，地下隧道采用明挖法施工。按照上述方法，對該工程4個區(qū)段周邊建筑沉降進(jìn)行計算，并與實測沉降值進(jìn)行比較。各區(qū)段的參數(shù)信息見表1。地表沉降與建筑沉降計算值對比見表2。建筑沉降計算值與實測值對比見表3。

表1 區(qū)段信息表

在所計算的4個區(qū)段中，所有建筑側(cè)邊與基坑邊基本平行；除市救助管理站為淺基礎(chǔ)外，其余建筑均為樁基礎(chǔ)；另外，陽光城及老年活動中心遠(yuǎn)端距基坑的距離超過4倍坑深。對比坑外建筑沉降計算值與實測值可知，基于本文方法計算得到的建筑沉降值與實測值吻合較好，4個區(qū)段中，兩者的相對誤差在30%以內(nèi)。需要說明的是，此次沉降計算采用的是表1中給出的圍護(hù)墻最大側(cè)移實測值，這說明基坑圍護(hù)墻最大側(cè)移的準(zhǔn)確預(yù)估值也影響著本文預(yù)測方法的準(zhǔn)確性。

表2 地表沉降與建筑沉降計算值對比

表3 建筑沉降計算值與實測值對比

5 結(jié)論

針對明挖隧道施工時坑外地表沉降及建筑沉降預(yù)測難題，本文根據(jù)相關(guān)工程統(tǒng)計獲得的規(guī)律，對地表沉降偏態(tài)分布預(yù)測方法進(jìn)行改進(jìn)，提出了適用于寧波軟土地區(qū)明挖隧道基坑坑外地表沉降的預(yù)測公式；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)坑外樁基礎(chǔ)與淺基礎(chǔ)建筑抵抗土體變形能力的不同，分別提出了適用于兩類建筑沉降預(yù)測的方法?；诒疚姆椒ㄓ嬎愕玫降慕ㄖ两抵蹬c實測值吻合較好，證明本文明挖隧道施工引起周邊建筑沉降的預(yù)測方法具有實用性。