地鐵車站深基坑臨近建筑物變形機(jī)理及優(yōu)化

經(jīng)根東，談金忠，王振祥

(江蘇南京地質(zhì)工程勘察院，江蘇 南京 210041)

0 前 言

江蘇省常州市正在建設(shè)地鐵1、2號線一期工程，針對地鐵車站深基坑臨近建筑物的變形機(jī)理開展的研究較少，深基坑地連墻體的累計(jì)水平變形量和建筑物的累計(jì)沉降量出現(xiàn)異常后，施工單位無法有效控制異常變形量的收斂。因此，筆者對深基坑臨近建筑物的變形機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析，便于指導(dǎo)其他工點(diǎn)深基坑施工的咨詢工作；也可供其他城市設(shè)計(jì)和施工臨近建筑物的地鐵車站深基坑借鑒。

1 深基坑臨近建筑物施工的研究背景

常州市地鐵深基坑工程是典型的三維動(dòng)態(tài)工程，受土體的地區(qū)成因、各向異性及深基坑臨近建筑物等因素的影響，很難尋找到理想的物理和數(shù)學(xué)模型來模擬深基坑土體強(qiáng)度和變形全過程變化性能[1]；而且，工程勘察報(bào)告采用土體室內(nèi)土工試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行的常規(guī)正分析難以客觀反映深基坑土體強(qiáng)度和變形[2]。因此，筆者引用一種反分析的深基坑明挖法施工優(yōu)化控制的方法，即利用現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)的變形特征，來反分析土體變形機(jī)理，作為深基坑研究、設(shè)計(jì)及施工中進(jìn)行正分析深基坑變形預(yù)測的依據(jù)[2]，這是一種“現(xiàn)場量測定量、時(shí)空理論分析、優(yōu)化方法控制、模糊理論預(yù)測”的地鐵車站深基坑明挖法施工控制的優(yōu)化方法。

2 深基坑臨近建筑物變形機(jī)理及優(yōu)化

2.1 工程概況

2.1.1 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

常州市地鐵2號線一期工程某車站為2號線與規(guī)劃3號線的換乘車站，采用“T”形型換乘，位于勤業(yè)路與長江中路路口。2號線車站沿勤業(yè)路東西向布置。為13 m島式站臺(tái)地下2層車站，車站總長為282.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為21.7 m[3]。

2.1.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

該車站基坑長284.1 m，寬23.3 m。標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖深度16.5 m，端頭井開挖深度17.6 m；換乘段基坑開挖深度23.8 m。主體基坑采用明挖、蓋挖法施工，采用 800 mm厚度地下連續(xù)墻+止水帷幕+水平內(nèi)支撐支護(hù)體系；端頭井及蓋板段采用1道混凝土支撐+4道鋼支撐，標(biāo)準(zhǔn)段基坑采用1道混凝土支撐+2道鋼支撐[3]。

2.1.3 深基坑環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

五星程控交換局樓房位于車站北側(cè)，為混凝土3層結(jié)構(gòu)，樓房距離車站基坑約6.0 m，見圖1。

圖1 監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)異常平面圖

2.1.4 深基坑土層工程地質(zhì)特征

該車站西段基坑開挖土層自上而下為：①填土(層厚1.90～2.39 m，層底埋深1.90～2.39 m)；③2黏土(可塑，層厚4.03～4.5 m，層底埋深6.40～6.42 m)；⑤1黏質(zhì)粉土夾粉砂(稍～中密，層厚4.60～5.09 m，層底埋深11.00～11.51 m)、⑤2粉砂(中密，局部密實(shí)，層厚2.00～3.08 m，層底埋深13.00～14.59 m)；坑底位于⑤3a黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土層(稍～中密，層厚3.26～6.00 m，層底埋深17.85～19.00 m)；坑底以下依次為：⑤3粉砂夾黏質(zhì)粉土、⑥2粉質(zhì)黏土、⑧1黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土層；地下連續(xù)墻墻趾位于⑨1粉質(zhì)黏土層[3]。

2.1.5 深基坑水文地質(zhì)特征

該車站第Ⅰ1承壓水主要埋藏于⑤1、⑤2、⑤3a、⑤3粉土、粉砂層中，⑧1粉土層為第Ⅰ2承壓含水層，第Ⅰ1和第Ⅰ2承壓含水層連通，含水量豐富。測得第Ⅰ承壓水埋深為地面下3.20～5.45 m，平均水位埋深4.40 m；水位標(biāo)高約0.75～1.76 m，年變化幅度約1～2 m。因此，在一定承壓水動(dòng)力作用下地連墻接縫處⑤1、⑤2、⑤3a、⑤3、⑧1粉土、粉砂層易發(fā)生漏水、漏砂[3]。

2.2 深基坑臨近建筑物施工的變形機(jī)理

2.2.1 坑底土體隆起特征及機(jī)理

圖2 累計(jì)變形量時(shí)空效應(yīng)橫剖面示意圖

當(dāng)基坑第4段養(yǎng)護(hù)底板混凝土?xí)r，LZ2監(jiān)測點(diǎn)的隆起變形開始收斂，累計(jì)隆起量達(dá)13.66 mm。

當(dāng)?shù)?～5段養(yǎng)護(hù)頂板混凝土后，LZ2監(jiān)測點(diǎn)的工后累計(jì)隆起量逐漸收斂，還緩慢增大，累計(jì)隆起量最終收斂為18.78 mm。其變形機(jī)理為：基坑北臨混凝土3層五星程控交換局，樓房對基坑北側(cè)地連墻的附加應(yīng)力較大，使樓房地基土沉降及周圍土體向基坑北側(cè)位移，并使地連墻工后累計(jì)水平變形量呈從深部到淺部逐漸收斂、緩慢增大，因此，坑底土體和LZ2監(jiān)測點(diǎn)也隨著逐漸收斂、緩慢增大。符合黏性土?xí)r間效應(yīng)規(guī)律，在附加應(yīng)力作用下，③2黏土易發(fā)生長期剪切蠕變、位移[4]。

2.2.2 地連墻變形特征及機(jī)理

當(dāng)基坑第4段養(yǎng)護(hù)底板混凝土?xí)r，QC5監(jiān)測點(diǎn)的隆起變形開始收斂，累計(jì)隆起量達(dá)13.43 mm；QC31監(jiān)測點(diǎn)的隆起變形也開始收斂，累計(jì)隆起量達(dá)5.74 mm，QC5與QC31監(jiān)測點(diǎn)的差異隆起量為7.69 mm。

當(dāng)?shù)?～5段養(yǎng)護(hù)頂板混凝土后，QC5和QC31監(jiān)測點(diǎn)的工后累計(jì)隆起量均逐漸收斂，QC5監(jiān)測點(diǎn)最終收斂為8.29 mm；QC31監(jiān)測點(diǎn)最終收斂為2.89 mm，QC5與QC31監(jiān)測點(diǎn)的差異隆起量為5.40 mm。其變形機(jī)理為：五星程控交換局樓房對基坑北側(cè)地連墻的附加應(yīng)力較大，使樓房地基土沉降及周圍土體向基坑北側(cè)位移，并使基坑北側(cè)地連墻快速隆起，基坑兩側(cè)墻頂差異隆起量不斷增大，直至逐漸收斂時(shí)減小。符合砂性土空間效應(yīng)規(guī)律，坑底砂性土體累計(jì)隆起量一般較高，而南側(cè)墻體制約了南側(cè)土體受主動(dòng)和被動(dòng)土壓力的作用，累計(jì)隆起量一般較低[4]。

2)墻體和墻頂水平變形特征及機(jī)理。該車站從基坑第4倉開挖土方至第4段養(yǎng)護(hù)底板混凝土?xí)r，基坑北側(cè)地連墻墻體CX5監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)水平變形量較大，在埋深13.5 m處最大達(dá)39.38 mm，而且最大值的埋深逐漸加深；基坑南側(cè)地連墻墻體CX31監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)水平變形量較小，在埋深13.5 m處最大達(dá)20.01 mm，CX5與CX31監(jiān)測點(diǎn)的差異水平變形量為19.37 mm，見表1～2。

表1 CX5水平變形變化

表2 CX31水平變形變化

至第3～5段養(yǎng)護(hù)頂板混凝土后，工后累計(jì)水平變形量從深部到淺部逐漸收斂，還緩慢增大。CX5監(jiān)測點(diǎn)的工后累計(jì)水平變形量在埋深12.5 m處最終收斂為43.42 mm；CX31監(jiān)測點(diǎn)的工后累計(jì)水平變形量在埋深12.0 m處最終收斂為21.61 mm，CX5與CX31監(jiān)測點(diǎn)的差異水平變形量為21.81 mm。其變形機(jī)理為：五星程控交換局樓房對基坑北側(cè)地連墻的附加應(yīng)力較大，使樓房地基土沉降及周圍土體向基坑北側(cè)位移，并隨著拆除3道內(nèi)支撐，使基坑北側(cè)地連墻墻體的累計(jì)水平變形量快速增大，基坑兩側(cè)墻體差異水平變形量也不斷增大，直至逐漸收斂時(shí)還緩慢增大。

該車站基坑地連墻墻頂水平變形量均較小，一般為2.3～-5.8 mm。

2.2.3 墻后地表豎向變形特征及機(jī)理

該車站從基坑第4倉開挖土方至第4段養(yǎng)護(hù)底板混凝土?xí)r，基坑北側(cè)地連墻墻后的五星程控交換局樓房地表累計(jì)沉降量快速增大，并開始收斂，JC4-1和JC4-6監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)最大沉降量均達(dá)-19.00 mm；基坑南側(cè)5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)變形量均很小，見圖2。

至第3～5段養(yǎng)護(hù)頂板混凝土后，樓房地表工后累計(jì)沉降量逐漸收斂，JC4-1和JC4-6監(jiān)測點(diǎn)最終收斂為-12.96 mm、-12.79 mm?；幽蟼?cè)5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)工后累計(jì)變形量一直很小。其變形機(jī)理為：五星程控交換局樓房對基坑北側(cè)地連墻的附加應(yīng)力較大，使樓房地基土沉降及周圍土體向基坑北側(cè)位移?；觾蓚?cè)地表差異豎向變形量不斷增大，直至逐漸收斂時(shí)減小[5]。

2.3 深基坑臨近建筑物施工的優(yōu)化控制措施

3 結(jié) 論

1)針對常州市地鐵車站臨近建筑物的深基坑地連墻體監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常后卻無法有效控制異常變形量的收斂，筆者引用一種“現(xiàn)場量測定量、時(shí)空理論分析、優(yōu)化方法控制、模糊理論預(yù)測”的反分析優(yōu)化方法。

2)坑底土體隆起特征：該車站基坑開挖土方時(shí)，坑底土體開始隆起，并且隆起變形速率逐漸增大；至養(yǎng)護(hù)底板混凝土?xí)r，坑底土體隆起開始收斂；當(dāng)養(yǎng)護(hù)頂板混凝土后，坑底土體工后累計(jì)隆起量逐漸收斂，還緩慢增大。

3)墻頂隆起特征：當(dāng)基坑開挖土方時(shí)，基坑北側(cè)地連墻墻頂?shù)穆∑鹱冃嗡俾瘦^快；至養(yǎng)護(hù)底板混凝土?xí)r，墻頂隆起開始收斂；當(dāng)養(yǎng)護(hù)頂板混凝土后，墻頂工后累計(jì)隆起量逐漸收斂?；觾蓚?cè)墻頂差異隆起量不斷增大，直至逐漸收斂時(shí)減小。

坑底土體隆起及墻頂隆起主要為塑性隆起，少量為彈性隆起，累計(jì)隆起量呈北側(cè)和中間較高、南側(cè)較低；區(qū)別于常見中間較高兩側(cè)較低的隆起特征。

4)墻體和墻頂水平變形特征：從基坑開挖土方至養(yǎng)護(hù)底板混凝土?xí)r，基坑北側(cè)地連墻墻體的累計(jì)水平變形量較大，而且最大值的埋深逐漸加深；至養(yǎng)護(hù)頂板混凝土后，墻體的工后累計(jì)水平變形量從深部到淺部逐漸收斂，還緩慢增大；而墻頂水平變形量均較小?；觾蓚?cè)墻體差異水平變形量也不斷增大，直至逐漸收斂時(shí)還緩慢增大。

5)墻后地表豎向變形特征：從基坑開挖土方至養(yǎng)護(hù)底板混凝土?xí)r，基坑北側(cè)地連墻墻后的五星程控交換局樓房地表累計(jì)沉降量快速增大，并開始收斂；至養(yǎng)護(hù)頂板混凝土后，樓房地表工后累計(jì)沉降量逐漸收斂?；觾蓚?cè)地表差異豎向變形量不斷增大，直至逐漸收斂時(shí)減小。

6)變形機(jī)理：基坑北臨混凝土3層五星程控交換局樓房，樓房對基坑北側(cè)地連墻的附加應(yīng)力較大，使樓房地基土沉降及周圍土體向基坑北側(cè)位移，并使坑底土體快速隆起，還使基坑北側(cè)地連墻墻頂快速隆起及墻體水平變形量不斷增大，并符合時(shí)空效應(yīng)規(guī)律。