沿江地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)測(cè)研究

寧茂權(quán),肖明清,賀湘靈,呂春波,關(guān)振長(zhǎng)

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430064； 2.海峽(福建)交通工程設(shè)計(jì)有限公司,福州 350004； 3.福州大學(xué)土木工程學(xué)院,福州 350116)

引言

在城市環(huán)境中開(kāi)挖地鐵車站基坑，通常緊鄰建筑物及地下管線，周邊環(huán)境極其復(fù)雜，未知因素較多，由此引發(fā)工程事故的案例已屢見(jiàn)不鮮[1-3]。尤其是受地形或地層不對(duì)稱的影響，基坑兩側(cè)容易形成偏壓，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性狀與變形模式產(chǎn)生更加不利的影響[4]。許多學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段，對(duì)偏壓條件下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工力學(xué)特性展開(kāi)系列研究。

理論研究方面，史吏等[5]采用多種理論方法計(jì)算偏壓工況下軟土地區(qū)基坑抗隆起安全系數(shù)，發(fā)現(xiàn)Terzaghi法高估了偏壓基坑的抗隆起穩(wěn)定性，而B(niǎo)jerrum法和規(guī)范法則偏保守。袁宗浩等[6]提出了一種考慮偏壓作用的基坑抗隆起穩(wěn)定性極限上限分析方法，在公式推導(dǎo)中考慮了土體各向異性、偏壓荷載范圍和坑邊距等因素的影響。龐小朝等[7]針對(duì)偏壓基坑，結(jié)合工程實(shí)例，提出一種偏壓基坑多點(diǎn)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)用設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

數(shù)值模擬研究方面，林剛等[8]和XU[9]基于PLAXIS數(shù)值平臺(tái)和土體HS本構(gòu)模型，在基坑兩側(cè)施加不同超載，得到圍護(hù)墻彎矩隨基坑兩側(cè)偏壓狀況的變化規(guī)律。張杰等[10]利用MIDAS有限元軟件，對(duì)臨河基坑分步開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)基坑兩側(cè)水平位移差值隨基坑臨河距離呈指數(shù)變化關(guān)系。劉繼強(qiáng)等[11]在FLAC平臺(tái)上建立了二維數(shù)值模型，研究偏壓荷載作用位置與圍護(hù)樁變形量之間的關(guān)系，并提出兩者之間的近似關(guān)系式。孫武斌[12]在FLAC3D平臺(tái)上建立三維數(shù)值模型，探討了基坑與建筑物距離、建筑物荷載及基坑開(kāi)挖深度對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)最大側(cè)移之比的影響。雷崇[13]運(yùn)用PLAXIS有限元軟件模擬臨河大偏壓深基坑開(kāi)挖全過(guò)程，發(fā)現(xiàn)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移、內(nèi)力與普通基坑存在較大差異，并提出加固措施。方浩[14]利用MIDAS有限元軟件對(duì)某臨近鐵路路基偏壓基坑進(jìn)行開(kāi)挖模擬擬合，推導(dǎo)出路基最大水平位移和最大沉降的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。劉守花等[15]采用數(shù)值軟件分析了半蓋挖法偏壓基坑中立柱受力與變形特征，其向地形較低側(cè)發(fā)生水平變形，且沿豎向呈鼓肚形變形模式，承受彎矩和壓力的共同作用。GUO[16]使用有限差分方法分析了非對(duì)稱堆載基坑圍護(hù)墻受力特性，發(fā)現(xiàn)超載效應(yīng)引起主應(yīng)力方向旋轉(zhuǎn)，墻體位移在最終開(kāi)挖底部稍高的位置達(dá)到最大值。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)研究方面，姚愛(ài)軍等[17]通過(guò)對(duì)某車站基坑實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)偏壓基坑兩側(cè)出現(xiàn)不對(duì)稱沉降，支撐受力由軸心受壓變?yōu)槠氖軌?，其預(yù)緊力損失嚴(yán)重。劉波等[18]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料分析，發(fā)現(xiàn)基坑偏壓側(cè)的各項(xiàng)變形值均大于另一側(cè)，基坑長(zhǎng)邊中部是其最薄弱區(qū)域。石鈺鋒等[19]通過(guò)對(duì)緊鄰鐵路基坑的實(shí)測(cè)分析，探討了偏壓基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力特征，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性作出評(píng)價(jià)。汪東林[20]對(duì)鄰近高速公路偏壓基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，路基偏壓對(duì)圍護(hù)樁頂?shù)呢Q向位移影響不大，偏壓側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移約為非偏壓側(cè)的3倍。

在FLAC3D數(shù)值平臺(tái)上，對(duì)福州市地鐵5號(hào)線農(nóng)林大學(xué)站基坑開(kāi)挖全過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，對(duì)依山沿江不對(duì)稱地形條件下地鐵車站偏壓基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性開(kāi)展深入研究，以期為類似偏壓基坑的設(shè)計(jì)與施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

福州市地鐵5號(hào)線全長(zhǎng)約27.3 km，共設(shè)20座車站，19個(gè)區(qū)間，全線采用地下線方式敷設(shè)，是福州市軌道交通線網(wǎng)中心環(huán)的組成線路之一。農(nóng)林大學(xué)站位于倉(cāng)山區(qū)上下店路道路下方，呈南北走向；車站基坑全長(zhǎng)170 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬24.1 m，端頭井寬28 m，現(xiàn)狀場(chǎng)地高程11.5～12.50 m。車站周邊較復(fù)雜，建筑物密集分布；車站西北側(cè)為成片民房，車站西側(cè)、西南側(cè)為福建農(nóng)林大學(xué)及福建工業(yè)學(xué)校，車站東側(cè)緊鄰閩江，閩江河堤岸距基坑11～25 m。

1.1 工程地質(zhì)條件

車站場(chǎng)地屬剝蝕殘丘地貌單元與海陸交互相沖淤積平原地貌單元，上覆第四紀(jì)地層，從上到下分別為粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、殘積砂質(zhì)黏性土及全風(fēng)化花崗巖。各類土層的主要物理及力學(xué)指標(biāo)詳見(jiàn)表1，其中，土層的黏聚力及內(nèi)摩擦角通過(guò)固結(jié)快剪獲得，全風(fēng)化花崗巖層則為經(jīng)驗(yàn)估計(jì)值[21]?；拥装逦挥跉埛e砂質(zhì)黏性土層中，連續(xù)墻端部位于全風(fēng)化花崗巖中。

表1 各巖土層主要物理力學(xué)參數(shù)

淺部孔隙性潛水主要賦存于上部填土層及粉質(zhì)黏土層中，補(bǔ)給來(lái)源為大氣降水及地表水，實(shí)測(cè)初見(jiàn)穩(wěn)定水位埋深1.90～3.10 m。深部承壓水含水層主要分布于深部花崗巖和碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化帶中，承壓水對(duì)工程影響較小。

1.2 支護(hù)與開(kāi)挖方案

車站采用半蓋挖法施工，基坑端頭井深25.2 m，標(biāo)準(zhǔn)段深23.4 m，最大寬度26.0 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚1 000 mm的地下連續(xù)墻+5道內(nèi)支撐體系，其中，第1、第3道為截面800 m×1 000 mm混凝土支撐，其余均采用φ609 mm鋼管支撐。圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段基坑支護(hù)剖面(尺寸單位： mm；高程單位：m)

基坑開(kāi)挖與支護(hù)過(guò)程分11種工況：(1)施作地下連續(xù)墻；(2)施作第1道支撐；(3)基坑開(kāi)挖至-7.9 m；(4)施作第2道支撐；(5)基坑開(kāi)挖至-14 m；(6)施作第3道支撐；(7)基坑開(kāi)挖至-17.4 m；(8)施作第4道支撐；(9)基坑開(kāi)挖至-20.4 m；(10)施作第5道支撐；(11)基坑開(kāi)挖至-23.4 m。

2 數(shù)值模擬

針對(duì)上述設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用數(shù)值仿真手段，分析依山沿江不對(duì)稱地形條件下，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)及其對(duì)周邊地層的變形影響。

選取車站標(biāo)準(zhǔn)段中部里程DK15+912斷面為研究對(duì)象。利用FLAC3D軟件對(duì)該斷面附近里程DK15+906～DK15+918內(nèi)開(kāi)挖與支護(hù)全過(guò)程進(jìn)行模擬。數(shù)值模型整體尺寸為222 m×12 m×123.4 m(長(zhǎng)×寬×高)，局部模型如圖2所示。模型頂面取自由邊界，在沿江一側(cè)模型上表面施加等效均布力以代替江水壓力。模型側(cè)面為法向約束邊界，底面為全約束邊界。模擬基坑開(kāi)挖與支護(hù)全過(guò)程工況與前述設(shè)計(jì)方案保持一致。

圖2 基坑數(shù)值模型局部示意

巖土體采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元模擬，共計(jì)1 478 589個(gè)單元。土體(包括粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、殘積砂質(zhì)黏性土)采用修正劍橋彈塑性本構(gòu)模型；巖體(全風(fēng)化花崗巖)采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。根據(jù)地勘報(bào)告和巖土工程手冊(cè)，巖土體的主要物理性能參數(shù)如表2所示。

表2 巖土體主要物理性能參數(shù)

基坑圍護(hù)墻采用shell單元模擬，混凝土支撐與鋼支撐采用beam單元，冠梁與鋼圍檁則簡(jiǎn)化為局部加厚的shell單元。上述3種結(jié)構(gòu)單元均采用線彈性本構(gòu)，其主要物性參數(shù)如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)單元物理性能參數(shù)

3 施工力學(xué)特性分析

3.1 圍護(hù)墻水平位移

車站中部里程DK15+912斷面兩側(cè)圍護(hù)墻深層水平位移的變形曲線如圖3所示，規(guī)定向閩江側(cè)發(fā)生水平位移為正向，以確?；觾蓚?cè)圍護(hù)墻變形曲線的坐標(biāo)方向一致。

圖3 圍護(hù)墻水平位移分布曲線

隨著基坑開(kāi)挖，圍護(hù)墻水平位移逐漸增大，挖至坑底后，變形基本趨于穩(wěn)定。兩側(cè)圍護(hù)墻變形曲線沿深度均呈中間大、兩端小的弓形分布，最大水平位移(及發(fā)生位置)隨開(kāi)挖步不斷增大(及加深)?？可絺?cè)圍護(hù)墻開(kāi)挖至坑底時(shí)最大位移達(dá)到59 mm(發(fā)生在15 m深度處)，而對(duì)應(yīng)沿江側(cè)最大水平位移值為34 mm(發(fā)生在16 m深度處)。

基坑兩側(cè)水平位移出現(xiàn)明顯非對(duì)稱性，沿江側(cè)明顯小于靠山側(cè)(約為后者的57%)。尤其需要說(shuō)明的是，受兩側(cè)不對(duì)稱地形的影響，沿江側(cè)圍護(hù)墻淺部變形模式與常規(guī)基坑不一致，其并未發(fā)生朝向坑內(nèi)部的水平位移，相反發(fā)生了朝向坑外(閩江側(cè))的輕微水平位移，隨開(kāi)挖深度的增大而增大，這使得圍護(hù)墻整體變形趨于更加不利的狀態(tài)，對(duì)地鐵車站基坑施工及后續(xù)車站運(yùn)營(yíng)都構(gòu)成了潛在威脅。

進(jìn)一步將兩側(cè)深層水平位移相加，得到基坑圍護(hù)墻的整體偏移曲線，如圖4所示。圍護(hù)墻整體向閩江側(cè)發(fā)生偏移，隨著開(kāi)挖深度的增加，整體偏移量不斷增大，當(dāng)開(kāi)挖至坑底時(shí)，其最大偏移量達(dá)到27 mm(發(fā)生在12 m深度處)。上述整體偏移變形結(jié)果表明，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在向閩江側(cè)發(fā)生傾覆的趨勢(shì)。

圖4 圍護(hù)墻整體偏移分布曲線

農(nóng)林大學(xué)站基坑于2018年3月初進(jìn)行圍護(hù)墻施工，至2019年5月下旬開(kāi)挖至坑底并完成墊層澆筑，歷時(shí)14個(gè)月。配合現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，對(duì)其圍護(hù)墻水平位移進(jìn)行全程跟蹤監(jiān)測(cè)。開(kāi)挖至坑底時(shí)，圍護(hù)墻水平位移及其整體偏移的實(shí)測(cè)值見(jiàn)圖3、圖4。

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的整體規(guī)律基本一致。單論圍護(hù)墻水平位移絕對(duì)值，實(shí)測(cè)值略小于10%～15%；若論圍護(hù)墻整體偏移，其淺部墻體實(shí)測(cè)值略大4～8 mm，其深部墻體實(shí)測(cè)值略小3～4 mm，即圍護(hù)墻整體傾覆的趨勢(shì)更加明顯。究其原因，可能是因?yàn)槭┕ぼ囕v及堆載等因素對(duì)基坑整體偏移及傾覆結(jié)果產(chǎn)生了更加不利影響。因此，在依山沿江不對(duì)稱地形中開(kāi)挖基坑時(shí)，需充分考慮這些因素，保證基坑安全穩(wěn)定。

3.2 支撐軸力

由數(shù)值模擬所得5道支撐軸力隨開(kāi)挖工況變化曲線如圖5(左側(cè))所示。施作第3道混凝土支撐后，在工況9時(shí)其軸力達(dá)到最大值7 453 kN，遠(yuǎn)大于其他4道支撐，在整個(gè)支撐體系中發(fā)揮了主導(dǎo)作用。配合現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，課題組也對(duì)5道支撐軸力進(jìn)行全程跟蹤監(jiān)測(cè)，圖5(右側(cè))所示支撐軸力實(shí)測(cè)值也反映了類似的規(guī)律。

圖5 支撐軸力隨開(kāi)挖工況發(fā)展曲線

相應(yīng)地，從圍護(hù)墻整體偏移(圖4)可以看出，施作第三道混凝土支撐后，該支撐以下圍護(hù)墻的整體偏移得到明顯抑制，說(shuō)明混凝土支撐增強(qiáng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，尤其在依山沿江不對(duì)稱地層條件下，是十分必要的。

3.3 圍護(hù)墻背后土壓力

圍護(hù)墻背土壓力(主動(dòng)土壓力)隨開(kāi)挖過(guò)程變化曲線如圖6所示。在深度0～8 m內(nèi)，基坑兩側(cè)土壓力基本相等；但在基坑中下部(10～23 m內(nèi))，沿江側(cè)土壓力為70～100 kg，靠山側(cè)土壓力為80～160 kg，整體比沿江側(cè)偏大30%～50%，表現(xiàn)出明顯的偏壓效應(yīng)。另一方面，圍護(hù)墻背土壓力均隨土體開(kāi)挖而略有減小，尤其在坑底以下部分，受到圍護(hù)墻整體向沿江側(cè)偏移的影響，靠山側(cè)圍護(hù)墻土壓力顯著減小。

圖6 圍護(hù)墻背土壓力分布

4 鋼支撐與混凝土支撐對(duì)比

為進(jìn)一步探討第3道混凝土支撐在支護(hù)結(jié)構(gòu)體系中的關(guān)鍵作用，在原數(shù)值模型基礎(chǔ)上，將第3道混凝土支撐替換為鋼支撐(其他條件均不變)；重點(diǎn)關(guān)注支撐軸力隨開(kāi)挖工況的發(fā)展規(guī)律(圖7)和圍護(hù)墻整體偏移的分布規(guī)律(圖8)。

圖7 支撐軸力發(fā)展曲線(混凝土支撐與鋼支撐對(duì)比)

圖8 圍護(hù)墻整體偏移分布曲線(混凝土支撐與鋼支撐對(duì)比)

第3道支撐采用鋼支撐時(shí)，其最大軸力僅為4 808 kN(與第2道鋼支撐相當(dāng))，遠(yuǎn)小于采用原方案的軸力7 453 kN。相應(yīng)地，坑底以上圍護(hù)墻的整體偏移量比原方案增大15%～20%，即圍護(hù)墻整體傾覆角度也隨之增大，對(duì)基坑的安全穩(wěn)定構(gòu)成了威脅。上述結(jié)果佐證了第3道支撐選用大剛度混凝土支撐的合理性，即混凝土支撐能有效增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，尤其在依山沿江不對(duì)稱地層條件下是十分必要的。

5 結(jié)論與建議

以福州市地鐵5號(hào)線農(nóng)林大學(xué)站為工程背景，對(duì)依山沿江地鐵車站不對(duì)稱地形條件下的深基坑開(kāi)挖及支護(hù)全過(guò)程開(kāi)展了細(xì)致的數(shù)值模擬分析。并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，探討了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體偏移規(guī)律及基坑兩側(cè)圍護(hù)墻背后土壓力分布規(guī)律，得到以下結(jié)論。

(1)計(jì)算結(jié)果表明，不對(duì)稱地形條件使得基坑兩側(cè)圍護(hù)墻體產(chǎn)生了明顯的不對(duì)稱變形，圍護(hù)墻整體發(fā)生了向江一側(cè)偏移，其最大偏移量可達(dá)27 mm。相應(yīng)地，基坑中下部靠山側(cè)圍護(hù)墻背土壓力整體比沿江側(cè)偏大30%～50%。

(2)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，圍護(hù)墻整體變形趨勢(shì)與計(jì)算結(jié)果保持一致，均沿基坑深度方向呈兩端小、中部大的弓形分布，其圍護(hù)墻的整體偏移量也與計(jì)算結(jié)果大致吻合。

(3)若將第3道支撐改為常規(guī)鋼支撐，圍護(hù)墻整體偏移量和傾覆角度明顯增大，可見(jiàn)混凝土支撐能有效增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性，尤其在依山沿江不對(duì)稱條件下是十分必要的。