裝配式與現(xiàn)澆鋪蓋對(duì)地鐵站深基坑變形影響的對(duì)比分析

陶東軍

（蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司 江蘇蘇州215004）

0 引言

蘇州地鐵車站基坑開挖范圍內(nèi)存在著深厚的軟土地層，土體抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高、易觸變性，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和基坑變形具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，如何有效控制減小軟土基坑變形，一直是基坑工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。許多學(xué)者對(duì)軟土基坑變形的時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行了研究分析。在國外，Terzaghi 等人［1］提出用總應(yīng)力法判斷基坑穩(wěn)定程度和支撐荷載大小，并被廣大學(xué)者所采用。Clough等人［2］研究了內(nèi)支撐和拉錨支護(hù)對(duì)基坑開挖變形的影響，并總結(jié)出了不同施工條件下支撐剛度與圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、坑底抗隆起安全系數(shù)的關(guān)系曲線。Moormann［3］收集了世界上530個(gè)包含大量軟土基坑的基坑工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了基坑支護(hù)體系和開挖方法等因素對(duì)基坑變形的影響。在國內(nèi)，劉國彬等人［4］通過上海某地鐵車站基坑開挖的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了坑底土體暴露時(shí)間對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。徐浩峰等人［5］結(jié)合深層土體位移資料分析了土體的流變效應(yīng)，對(duì)基坑底板鋼筋綁扎期間大直徑鉆孔灌注樁的水平位移和土體的位移進(jìn)行了研究。蔣洪勝等人［6］通過記錄基坑開挖全過程中支撐軸力及相應(yīng)的工況，分析了時(shí)空效應(yīng)作用與基坑軸力的變化規(guī)律。李鏡培等人［7］根據(jù)軟土基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、支撐軸力、立柱隆沉等監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了軟土基坑不同開挖深度工況對(duì)基坑變形的影響。廖少明等人［8-10］對(duì)蘇州地區(qū)采用不同支護(hù)結(jié)構(gòu)、不同尺寸的深大軟土基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，總結(jié)了蘇州支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)軟土基坑的變形影響。目前，隨著裝配式建筑的發(fā)展，蘇州地鐵首次在5 號(hào)線某車站采用裝配式鋪蓋疏解車站施工期間交通。裝配式鋪蓋相較于傳統(tǒng)鋪蓋，在基坑開挖階段，能大幅降低鋼支撐架設(shè)難度，減少支撐架設(shè)時(shí)間，降低因鋼支撐架設(shè)時(shí)間過長引起的基坑變形風(fēng)險(xiǎn)［11］。本文依托蘇州地鐵5號(hào)線2個(gè)相鄰車站，基于不同鋪蓋形式處基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析裝配式鋪蓋對(duì)控制地鐵車站基坑變形的作用，以期為今后的地鐵車站基坑設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概述

1.1 工程概況

蘇州地鐵A 車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.7 m，開挖深度約17.2 m，基坑圍護(hù)采用800 mm 地下連續(xù)墻，基坑內(nèi)設(shè)置1道混凝土支撐和4道鋼支撐。車站跨路口處架設(shè)1 座寬20.6 m、跨度21 m 的預(yù)制裝配式鋪蓋供車輛通行，裝配式鋪蓋結(jié)構(gòu)形式為先張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，在城-A 級(jí)車輛荷載作用下，通過增加空心板梁的預(yù)應(yīng)力即可滿足鋪蓋強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求，空心板梁跨徑適用范圍10～25 m，滿足車站基坑寬度需求。車站平面及鋪蓋布置如圖1a、圖2a所示。

地鐵B 車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.7 m，開挖深度約16.6 m，基坑圍護(hù)采用800 mm 地下連續(xù)墻，基坑內(nèi)設(shè)置1道混凝土支撐和4道鋼支撐。車站跨路口處架設(shè)1 座寬18.0 m、跨度18.9 m 的現(xiàn)澆混凝土臨時(shí)鋪蓋供車輛通行，現(xiàn)澆混凝土鋪蓋采用雙向板設(shè)計(jì)，在城-A 級(jí)車輛荷載作用下，為滿足鋪蓋強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求，單塊混凝土板的跨徑不宜大于10 m，鋪蓋下方需設(shè)置鋪蓋梁減小混凝土板跨徑，并架設(shè)8 根臨時(shí)立柱樁支撐鋪蓋梁，將車輛荷載傳遞至地基中。車站平面及鋪蓋布置如圖1b、圖2b所示。

圖1 車站平面Fig.1 Station Planning

圖2 鋪蓋模型Fig.2 Model of Covering

1.2 地質(zhì)條件

蘇州市區(qū)位于長江三角洲南部，又是太湖平原的組成部分。境內(nèi)地貌以第四系松散沉積物組成的堆積平原為主，A、B 車站工程開挖范圍內(nèi)主要土層為粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂夾粉土，土層力學(xué)性能相近，圍護(hù)結(jié)構(gòu)地層剖面如圖3所示。

2 施工工序與現(xiàn)場監(jiān)測

2.1 監(jiān)測布置方案

圖3 鋪蓋剖面Fig.3 Cross Section of Covering

蘇州地鐵A 車站與B 車站基坑均為安全等級(jí)二級(jí)基坑，根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范：GB 50911-2013》，為全面掌握車站基坑變形情況，保證工程結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境的安全，車站監(jiān)測項(xiàng)目主要有：周邊地表沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、圍護(hù)墻頂豎向位移等。A、B 車站基坑圍護(hù)監(jiān)測點(diǎn)平面布置如圖4 所示，基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)每日記錄1次。本文選取車站A基坑監(jiān)測點(diǎn)DB05-01～04、CX-19、ZQC19；與車站B 基坑監(jiān)測點(diǎn)DB5-01～04、CX4、ZQC4，對(duì)比分析兩站基坑變形數(shù)據(jù)。

2.2 鋪蓋處施工工序與施工進(jìn)度

A、B車站基坑在施作完全部地連墻、冠梁、第1道混凝土支撐后，分別架設(shè)預(yù)制板梁橋、現(xiàn)澆混凝土鋪蓋，然后分段分層、由上而下、先支撐后開挖基坑。基坑分4 層進(jìn)行開挖，依次開挖至第2、3、4 道支撐下0.5 m處后，架設(shè)支撐，最后開挖至坑底。

圖4 車站基坑監(jiān)測布置Fig.4 Monitoring Layout of the Station Foundation Pit

施工期間，基坑B 現(xiàn)澆混凝土鋪蓋下方設(shè)有8 根臨時(shí)格構(gòu)柱，柱間橫向間距6 m，縱向間距5.5 m。鋼支撐架設(shè)時(shí)為保證鋪蓋上行車安全，不能與格構(gòu)柱碰撞。因此，基坑B 鋪蓋下方鋼支撐架設(shè)比基坑A 裝配式鋪蓋處施工難度大、施工進(jìn)度慢。鋪蓋下方整個(gè)施工段鋼支撐架設(shè)工期平均增加2～3 d。

3 基坑開挖過程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖5為A 車站與B 車站鋪蓋處基坑地表沉降累計(jì)變形曲線，從圖5中可以看出：

⑴基坑A 裝配式鋪蓋處地表沉降在整個(gè)基坑開挖期間，地表變形較平穩(wěn)，且由于鋼支撐架設(shè)及時(shí)，支撐預(yù)加軸力有效地抵消了地表沉降變形，靠近基坑路面呈現(xiàn)微微隆起。

⑵基坑B 現(xiàn)澆混凝土鋪蓋處地表沉降在整個(gè)基坑開挖期間，由于鋼支撐架設(shè)不及時(shí)，變形沉降較大，且越靠近基坑處地表沉降越大。

⑶基坑B在基坑開挖到第1道鋼支撐時(shí)，基坑臨空面達(dá)到最大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)背后軟土層在周邊車輛荷載疊加作用下，土體抗剪能力降低，周邊地表沉降在基坑開挖15 d時(shí)急劇增大，沉降曲線呈現(xiàn)突變變形。

3.2 地連墻水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖6為A 車站與B 車站鋪蓋處基坑地連墻水平位移累計(jì)變形曲線，從圖6中可以看出：

圖5 鋪蓋處地表沉降曲線Fig.5 Ground Settlement Curve of Each Measuring Point

⑴基坑A 裝配式鋪蓋處地連墻水平位移變化較為緩慢，隨著基坑每一層土層開挖完，地連墻水平位移有較大變形，變形曲線呈現(xiàn)階梯特性。

⑵基坑B 現(xiàn)澆混凝土鋪蓋處地連墻水平位移和地表沉降一樣，均在開挖完第2層軟土土層時(shí)，水平位移快速增大，變形曲線呈現(xiàn)突變特性。

⑶對(duì)比基坑A 與基坑B 鋪蓋處地連墻水平位移最終變形值可以明顯看出，由于軟土的抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高及易觸變性，軟土地區(qū)深基坑開挖呈現(xiàn)明顯的時(shí)空特性，支撐的架設(shè)時(shí)間對(duì)地連墻水平位移變形起到關(guān)鍵性作用。

3.3 墻頂豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖7 為A 車站與B 車站鋪蓋處基坑墻頂豎向位移，從圖7中可以看出：

圖6 鋪蓋處基坑地連墻水平位移Fig.6 Horizontal Displacement of Diaphragm Wall of Foundation Pit

⑴基坑A 裝配式鋪蓋處地連墻頂豎向位移變化較為緩慢，由于支護(hù)及時(shí)，墻頂豎向位移為正值，支撐軸力有效地減小基坑變形。

⑵基坑B 現(xiàn)澆混凝土鋪蓋處地連墻豎向位移和前2 項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)變形一致，均在開挖完第二層軟土土層時(shí)，地連墻墻頂豎向位移快速增大，變形曲線呈現(xiàn)突變特性。

⑶對(duì)比基坑A 與基坑B 鋪蓋處地連墻墻頂豎向位移最終變形值可以明顯看出，支撐軸力的架設(shè)時(shí)間對(duì)地連墻墻頂位移變形起到關(guān)鍵性作用。

圖7 鋪蓋處基坑地連墻頂豎向位移Fig.7 Vertical Displacement of Diaphragm Wall Top of Foundation Pit

4 結(jié)論

本文研究了蘇州5號(hào)線兩個(gè)采用不同鋪蓋形式的地鐵車站基坑變形，通過文獻(xiàn)調(diào)查與實(shí)時(shí)監(jiān)測等手段，對(duì)比分析了兩個(gè)車站鋪蓋處基坑地表沉降、地連墻水平位移、墻頂豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，得出以下結(jié)論：

⑴蘇州地區(qū)軟土地層力學(xué)性能較差，地鐵車站深基坑變形具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，支撐結(jié)構(gòu)的架設(shè)時(shí)間對(duì)控制基坑變形起到了關(guān)鍵作用。相較于現(xiàn)澆混凝土鋪蓋基坑，裝配式鋪蓋基坑的支撐結(jié)構(gòu)架設(shè)時(shí)間短，支撐預(yù)加軸力可以及時(shí)抵消圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的主動(dòng)土壓力，防止軟土層滑動(dòng)引起的土體擾動(dòng)，避免了圍護(hù)結(jié)構(gòu)上主動(dòng)土壓力進(jìn)一步加大，有利于控制基坑變形。

⑵現(xiàn)澆混凝土鋪蓋基坑由于基坑作業(yè)面限制，支護(hù)結(jié)構(gòu)的架設(shè)時(shí)間較晚，基坑的地表沉降、地連墻水平位移、及墻頂豎向位移的監(jiān)測數(shù)值相較于裝配式鋪蓋基坑增加較快，監(jiān)測數(shù)據(jù)變形曲線易發(fā)生突變，呈階梯狀，增大了車站基坑的最終變形量。

⑶裝配式鋪蓋具有結(jié)構(gòu)簡單、跨度大的特點(diǎn)。相較于現(xiàn)澆混凝土鋪蓋，鋪蓋下方基坑施工作業(yè)面較大，有利于大型機(jī)械開挖土層，架設(shè)鋼支撐，減少了基坑坑底暴露時(shí)間。對(duì)于蘇州軟土地區(qū)的地鐵車站基坑，能夠有效減小地表沉降、地連墻水平位移及墻頂豎向位移等變形值，對(duì)基坑變形起到較好的約束作用。

本文僅對(duì)采用不同鋪蓋方法的兩個(gè)相鄰車站監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)土力學(xué)理論對(duì)軟土基坑變形結(jié)果進(jìn)行了初步分析，未進(jìn)行更加深入的研究。后期將結(jié)合有限元對(duì)軟土的時(shí)空效應(yīng)影響因素作進(jìn)一步分析，為今后的車站基坑設(shè)計(jì)施工提供一定的指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。