鄰近地鐵站的深基坑支護(hù)方案及變形監(jiān)測(cè)分析

□□ 李彥君,卜 飛

(1.山西工程科技職業(yè)大學(xué)，山西 晉中 030619；2.山西省勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030000)

引言

近年來，隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，鄰近地鐵站以及隧道的基坑工程項(xiàng)目日益增多，而且鄰近地鐵站的基坑工程項(xiàng)目越來越趨向于“深、大、復(fù)雜”的特征[1-2]。由于支護(hù)設(shè)計(jì)方案不合理或施工質(zhì)量不可靠，常會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)承載力喪失或體系變形過大或結(jié)構(gòu)局部失穩(wěn)破環(huán)，造成基坑安全事故，進(jìn)而影響地鐵站的安全。因此，為保證地鐵站及隧道工程的安全，基坑支護(hù)方案的合理選擇和基坑變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變得尤為重要?；娱_挖對(duì)附近地鐵車站的影響引起了科研工作者的廣泛關(guān)注，目前，已有很多學(xué)者開展了一系列研究工作。朱炎兵等[3]通過有限元數(shù)值模擬研究了不同參數(shù)組合下臨近既有地鐵車站的基坑變形性狀，并與鄰近無車站時(shí)的基坑變形性狀進(jìn)行對(duì)比分析。郭典塔等[4]以鄰近地鐵車站的基坑工程為例，建立了考慮車站結(jié)構(gòu)、土體和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)共同作用的計(jì)算模型，使用數(shù)值分析方法研究了基坑與車站間隔距離、基坑開挖深度等參數(shù)變化情況下，地鐵車站結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律及振動(dòng)響應(yīng)特性。李志高等[5]以工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)分析了半逆作法、逆作法和順作法三種不同基坑開挖方法對(duì)鄰近車站產(chǎn)生的影響，同時(shí)運(yùn)用有限元分析軟件對(duì)以上三種開挖方法進(jìn)行模擬計(jì)算、開展對(duì)比性研究。徐中華等[6]以上海外灘緊鄰地鐵站的某地塊超深基坑為例，對(duì)基坑及鄰近隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，研究多種設(shè)計(jì)、施工措施下的隧道保護(hù)情況。朱彥鵬等[7]以蘭州地鐵某車站為依托，對(duì)常用支護(hù)方案進(jìn)行了比選，同時(shí)采用FLAC3D軟件，對(duì)基坑典型斷面的施工過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬分析。因此，本文以太原市鄰近兩條地鐵交匯處某深基坑項(xiàng)目為依據(jù)，對(duì)基坑支護(hù)方案的設(shè)計(jì)以及鄰近地鐵站基坑變形的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究樁頂水平位移、周邊地表沉降以及土體深層水平位移隨時(shí)間變化的規(guī)律，從而更好地指導(dǎo)工程中臨近地鐵車站的基坑設(shè)計(jì)與施工。

1 工程概況以及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

擬建建筑物為商業(yè)綜合體，地下三層，地上七層，東西長約為225 m，南北寬約為125 m，基坑開挖面積約為27 000 m2，正負(fù)零絕對(duì)高程為778.40 m，場(chǎng)地地面標(biāo)高為777.40～776.40 m，基坑底標(biāo)高為761.40 m，基坑深度為15～16 m，局部電梯基坑達(dá)21 m?；游挥趦蓷l地鐵線的交叉口，基坑北側(cè)距離在建地鐵區(qū)間地下連續(xù)墻最近處為12 m，西側(cè)距離已建成地鐵線路50 m，南側(cè)距離3層辦公樓5 m左右，東側(cè)為規(guī)劃道路?；悠矫娌贾脠D如圖1所示。

圖1 基坑平面布置圖

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

此次勘探深度范圍內(nèi)場(chǎng)地地基土沉積時(shí)代及成因類型自上而下依次為：第四系全新統(tǒng)新近人工堆積層(Q42 ml)，以第①層人工填土層底為界；第四系全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)，以第⑧層粉土層底為界；第四系上更新統(tǒng)沖洪積層(Q3al+pl)，以第⑩層粉土層底為界；第四系中更新統(tǒng)沖洪積層(Q2al+pl)，此次勘察未揭穿。巖性以人工填土、粉砂、粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、細(xì)砂為主。其土層分布及主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

此次勘察深度范圍內(nèi)揭露地下水類型包括潛水及承壓水，潛水含水層為第5、第6層粉土，主要以大氣降水入滲補(bǔ)給及側(cè)向徑流補(bǔ)給為主，勘察期間實(shí)測(cè)靜水位埋深為8.70～10.60 m，水位標(biāo)高為766.14～767.33 m；第一層承壓水含水層為第7層粉砂，主要以側(cè)向徑流補(bǔ)給為主，勘察期間實(shí)測(cè)靜水位埋深為10.1～10.96 m，水位標(biāo)高為764.51～766.01 m；第二層承壓含水層為第9層細(xì)砂，主要以側(cè)向徑流補(bǔ)給為主，勘察期間實(shí)測(cè)靜水位埋深為11.52～12.55 m，水位標(biāo)高為762.92～764.59 m。水位季節(jié)性變化幅度約為0.8～1.4 m，勘察期間為枯水期。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 支護(hù)方案

經(jīng)調(diào)研考察，該區(qū)域范圍內(nèi)工程項(xiàng)目的基坑支護(hù)方案常采用樁與錨索或樁與內(nèi)支撐支護(hù)方式。該工程因周邊緊鄰兩條地鐵站，基坑距離地鐵站的地下連續(xù)墻僅為12 m，無法滿足錨索的施工要求，所以錨索方案不可行；基坑深度達(dá)16 m，若采用常規(guī)的三道內(nèi)支撐支護(hù)方式，由于工序復(fù)雜，將大大增加施工的周期和難度，無法滿足建設(shè)單位工期的要求，為此，需要對(duì)常規(guī)的三道內(nèi)支撐方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

該工程基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的巖土工程地質(zhì)情況、水文地質(zhì)情況及周邊環(huán)境，結(jié)合地下室結(jié)構(gòu)層高以及施工現(xiàn)場(chǎng)布置情況，對(duì)支撐位置和周邊限載進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終支護(hù)方案確定為：灌注樁與二道混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)方式。其中，支護(hù)樁采用混凝土灌注樁，樁徑為900 mm，樁間距為1.4 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30；二道混凝土內(nèi)支撐中心線標(biāo)高分別為774.90和769.10。支撐梁與支護(hù)灌注樁之間設(shè)腰梁，支撐各支點(diǎn)設(shè)鋼格構(gòu)柱、水平面設(shè)聯(lián)系梁，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C40，典型剖面圖如圖2所示。該方案減少了一道內(nèi)支撐，從而減小了基坑挖土及地下室施工的難度，大大縮短了基坑暴露的時(shí)間，為盡可能減少基坑開挖對(duì)周邊建筑物、地鐵站的影響提供了有利的條件。

圖2 基坑剖面圖

2.2 降水方案

該基坑基底位于第7層粉砂層中，暴露于承壓水含水層內(nèi)，基底以下砂層厚達(dá)十幾米，水量非常豐富。同時(shí)，基坑施工過程中需長時(shí)間、大幅度地降承壓水，降水對(duì)周邊環(huán)境影響較大，降水深度厚，施工難度大。為解決此問題，設(shè)計(jì)采用普通降水井與降壓井結(jié)合降水，其中降水井為23 m，降壓井為31 m，坑內(nèi)設(shè)置水位觀測(cè)井；方案放棄常規(guī)落底式帷幕的設(shè)計(jì)，采用三軸攪拌樁懸掛式止水帷幕，樁徑為850 mm，攪拌樁基底以下長度僅為8.5 m，方案最終為建設(shè)單位節(jié)省工程造價(jià)約150萬元。

3 變形監(jiān)測(cè)分析

3.1 監(jiān)測(cè)要求以及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為有效保障基坑整體施工安全，及時(shí)了解基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響程度，在整個(gè)施工過程中實(shí)行全程監(jiān)測(cè)。該工程按一級(jí)基坑監(jiān)測(cè)要求布置監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。共布置基坑樁頂水平與豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)41個(gè)、土體深層水平位移點(diǎn)17個(gè)、支撐內(nèi)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)48處、立柱豎向位移點(diǎn)14處、地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)42處，設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)6處，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況如圖1所示。

在此重點(diǎn)研究鄰近地鐵站的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。其中，W1～W5為支護(hù)樁頂水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，D1、D2為基坑周邊地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，Q2為土體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.2 樁頂水平位移

圖3為監(jiān)測(cè)點(diǎn)W1～W5的樁頂水平位移隨時(shí)間的變化曲線。選取的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于基坑的西北側(cè)，緊鄰地鐵車站區(qū)域，樁頂水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在灌注樁的冠梁上。由圖3可見，樁頂水平位移隨時(shí)間的變化情況，大致分為五個(gè)階段。第一階段從基坑開始施工至45 d，此時(shí)間段主要為第一道內(nèi)支撐施工及第二步土方開挖階段(開挖至深度為8.9 m)，在此期間基坑變形速率為0.17 mm/d，變形累計(jì)值達(dá)到7.5 mm左右；第二階段為45～70 d，此時(shí)間段主要為第二道內(nèi)支撐施工階段，下一步的土方開挖尚未開始，樁頂水平位移變化曲線趨于平緩，變化速率較??；第三階段為70～90 d，此時(shí)間段主要為第三步的土方開挖(開挖至深度為16.0 m)，此期間基坑變形速率為0.50 mm/d，位移累計(jì)值達(dá)到18 mm左右；第四階段為90～180 d，此時(shí)間段主要為基礎(chǔ)底板、地下三層主體結(jié)構(gòu)施工階段，在此期間，變形較為穩(wěn)定，變化速率很小；第五階段為180～300 d，此時(shí)間段施工作業(yè)主要為支撐的拆除、地下一、二層主體結(jié)構(gòu)施工、肥槽的回填，在支撐的拆除過程中，基坑的水平位移有少量增加，增加2～3 mm，之后隨著基坑的回填，位移逐漸變小。

圖3 樁頂水平位移-時(shí)間曲線

3.3 周邊地表沉降

為了進(jìn)一步了解基坑開挖對(duì)地鐵站以及基坑周邊地表的影響，工程選取地鐵站與基坑之間的地面設(shè)置地表變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)為D1、D2，D1距離基坑2 m，D2距離基坑7 m，基坑地表沉降隨時(shí)間的變化情況如圖4所示。

圖4 周邊地表沉降曲線

從圖4中可見，基坑土方開挖導(dǎo)致地表土體產(chǎn)生一定的沉降量，地表沉降量隨著土方開挖的進(jìn)行逐漸增大。在0～45 d期間，第二步土方開挖階段，開挖至深度為8.9 m，由于挖方量不大，因而地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的沉降量在1.5 mm以內(nèi)；在70～90 d期間，第三步土方開挖階段，開挖至深度為16.0 m，地表的沉降量明顯增大，D1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量達(dá)到了2.83 mm，D2監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到5.03 mm，此時(shí)大部分區(qū)域基坑開挖結(jié)束，地表變形完成40%～60%；在90～180 d期間，基礎(chǔ)底板、地下三層主體結(jié)構(gòu)施工階段，此階段由于基坑進(jìn)行了持續(xù)降水，導(dǎo)致周邊土體的有效應(yīng)力增加，引起地表沉降持續(xù)增加，D1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量達(dá)到了5.64 mm，D2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量達(dá)到了7.82 mm；當(dāng)監(jiān)測(cè)時(shí)間>180 d時(shí)，沉降曲線變得較為平緩，此后地表沉降量增加很少。D1監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終沉降量為6.59 mm，D2監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終沉降量為8.67 mm，說明距離基坑較近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降小，距離基坑稍遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降大，變形呈現(xiàn)拋物線型。

3.4 土體深層水平位移

為分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和變形情況，需要進(jìn)一步了解支護(hù)外圍沿深度方向上不同點(diǎn)的水平位移變化情況，該工程在基坑周邊土體內(nèi)設(shè)置了17個(gè)深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選取Q2監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析，Q2點(diǎn)位于地鐵站與基坑之間，具體位置詳見圖1。Q2監(jiān)測(cè)點(diǎn)土體深層水平位移隨時(shí)間的變化曲線，如圖5所示。

圖5 Q2監(jiān)測(cè)點(diǎn)不同時(shí)間下土體深層水平位移曲線

從圖5可知，45 d、70 d、90 d和180 d的土體深層水平位移曲線形狀非常相似，最大變形均發(fā)生在地表附近，變形隨深度逐漸減小，到基底附近變形接近于0；同時(shí)，土體側(cè)向變形隨基坑開挖深度的增大逐漸增大，當(dāng)基坑開挖到底后變形趨于穩(wěn)定；在45 d、70 d、90 d和180 d最終對(duì)應(yīng)土體的最大水平變形分別為7.88 mm、10.65 mm、17.76 mm、18.60 mm。

4 結(jié)語

在太原市鄰近兩條地鐵交匯處的某深基坑項(xiàng)目為了減小基坑施工對(duì)附近地鐵站的影響，同時(shí)減小施工難度和縮短施工周期，采用了灌注樁與二道混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)方式，降水采用普通降水井與降壓井結(jié)合的方案，止水采用了三軸攪拌樁懸掛式止水帷幕。從施工效果來看，工期比計(jì)劃工期縮短了50 d，比同類工程的施工難度大大降低，且現(xiàn)場(chǎng)降水效果較好，節(jié)約造價(jià)約150萬元。通過對(duì)施工過程中基坑周邊進(jìn)行監(jiān)測(cè)可知：

(1)緊鄰地鐵車站區(qū)域的樁頂水平位移受支撐施工、土方開挖和地下主體結(jié)構(gòu)施工的影響，水平位移逐漸增加，監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁頂水平位移的變化曲線大致分為五個(gè)階段。第四個(gè)階段，大約在130～150 d，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移達(dá)到峰值，并趨于穩(wěn)定；隨后，隨著支撐的拆除、地下主體結(jié)構(gòu)施工的結(jié)束、肥槽的回填，水平位移逐漸減小。同時(shí)樁頂水平變形理論計(jì)算值為25.52 mm，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值基本吻合。

(2)基坑土方開挖會(huì)導(dǎo)致地表土體產(chǎn)生一定的沉降量，地表沉降量隨著土方開挖的進(jìn)行逐漸增大，監(jiān)測(cè)點(diǎn)D1、D2隨時(shí)間變化的累計(jì)沉降變形量呈現(xiàn)拋物線型的特征。距離基坑較近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)D1沉降較小，最終沉降量為6.59 mm，距離基坑稍遠(yuǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)D2沉降較大，最終沉降量為8.67 mm。在整個(gè)施工階段沒有發(fā)生過大的地表沉降，說明基坑支護(hù)方案合理，在設(shè)計(jì)要求的變形范圍內(nèi)。

(3)不同施工時(shí)間下，Q2監(jiān)測(cè)點(diǎn)土體深層水平位移隨時(shí)間的變化曲線形狀相似，變形隨深度逐漸減小，到基底附近變形接近于0；同時(shí)，土體側(cè)向變形隨基坑開挖深度的增大逐漸增大，當(dāng)基坑開挖到底后變形趨于穩(wěn)定。