城市軌道交通車站半成巖深基坑圍護結構變形特性研究*

鄒成路 林 威 羅文靜 周 彪** 謝雄耀

(1.廣州地鐵設計研究院股份有限公司， 510010， 廣州； 2.同濟大學巖土及地下工程教育部重點實驗室， 200092， 上?！蔚谝蛔髡?， 工程師)

泥巖等半成巖地層在我國的西北、西南及華南地區(qū)廣泛分布[1-4]。半成巖是一種第三系未完全沉積變質的特殊巖石，具有土和巖石的特征?，F(xiàn)行的各種規(guī)范對此類巖石的承載力尚未作出明確的規(guī)定。目前對于半成巖的工程特征、力學性能已有部分研究。文獻[4]通過數(shù)值模擬軟件計算結果與實測數(shù)據(jù)對比來研究半成巖地層樁撐支護結構深基坑的變形規(guī)律，分析樁體變形特征及最大側向位移發(fā)生位置。文獻[5]研究發(fā)現(xiàn)半成巖在微觀結構上有明顯不同于土和巖石的弱膠結結構特征，在含水率達到飽和后其膠結結構易遭破壞，在宏觀力學性能上受含水率影響明顯，且各項強度指標均介于軟巖與土之間。文獻[6]采用南寧城市軌道交通某基坑的泥巖試樣進行了長期壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)其壓縮性與國內其他地區(qū)的黏土存在明顯差異。文獻[7]收集了蘇州市34個基坑工程的實測數(shù)據(jù)，對比分析了蘇州市采用不同擋土結構、不同形狀的大尺度深基坑的變形特性。上述研究對于分析半成巖地區(qū)變形特性提供了良好的方法基礎，但針對半成巖與圍護結構間相互作用及其變形特性的研究仍然不足。為此，本文以南寧軌道交通的工程建設為背景，采用統(tǒng)計分析方法，通過現(xiàn)場測試及數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析了城市軌道交通深基坑、超深基坑的變形特性及其影響因素。

1 工程概況

1.1 半成巖深基坑工程案例概況

表1為南寧軌道交通20個半成巖深基坑車站的案例數(shù)據(jù)。這些車站均采用順作法進行施工，圍護結構為鉆孔灌注樁或地下連續(xù)墻。除鵬飛路站和西鄉(xiāng)塘客運站采用鋼支撐外，其他車站的基坑均采用鋼筋混凝土支撐。這些車站的基坑開挖深度大多為17.0～19.0 m，其中，朝陽廣場站基坑最深，開挖深度達到32.6 m。

表1 南寧軌道交通半成巖地區(qū)案例車站的深基坑數(shù)據(jù)

1.2 超深基坑案例工程概況

為配合大埋深車站站臺層暗挖施工的建設需求，南寧軌道交通3號線青秀山站北側1號風亭組的底部埋深達58.7 m，為此，該站的基坑圍護結構采用48根鉆孔灌注樁。這些鉆孔灌注樁的樁徑為1 500 mm、樁間距為1 900 mm，樁頂設置了長度、寬度均為1 500 mm的冠梁。該基坑在豎向設置了12道內支撐，其中：第一道(冠梁處)和第十二道(底板上方)為臨時的鋼筋混凝土支撐；中間十道為主體結構框架梁，兼做內支撐。圖1是該基坑的支護結構斷面，圖2是該基坑平面布置圖。

圖1 青秀山站超深基坑支護結構斷面圖Fig.1 Section drawing of Qingxiushan station ultra-deep foundation pit retaining and protection structure

圖2 青秀山站超深基坑內各道支撐的平面布置圖

2 半成巖深基坑圍護結構的變形特性分析

2.1 側向位移特性統(tǒng)計分析

設半成巖基坑圍護結構的最大側向位移為δhm、基坑開挖深度為H。將深度為h處的圍護結構的側向位移與δhm的比值定義為圍護結構相對側向位移，h與H的比值定義為圍護結構相對深度。圖3為13個深基坑圍護結構的相對側向位移分布曲線，其中，側向位移以指向基坑內部為正。圍護結構變形隨開挖深度呈中間大、兩頭小的單峰曲線，變形較大區(qū)域位于(0.4～0.8)H范圍內。

圖3 半成巖案例深基坑圍護結構相對側向位移分布曲線

2.2 深基坑圍護結構變形的影響因素分析

本文進一步研究半成巖案例深基坑圍護結構變形隨基坑幾何尺寸、圍護結構插入深度與開挖深度的比值(以下簡稱“圍護結構插入比”)、地層厚度變化的變化規(guī)律。

2.2.1 基坑幾何尺寸

圖4 a)中展示了各個案例深基坑圍護結構開挖過程中δhm與H的關系，可以看出：基坑圍護結構的最大側向位移在0.085%H至0.398%H之間，平均值為0.185%H。將圍護結構最大側向位移與H的比值定義為圍護結構相對最大側向位移，則圍護結構相對最大側向位移與基坑長寬比(基坑長度與寬度的比值)之間的關系如圖4 b)所示。經(jīng)分析可知：基坑的長度與寬度越接近(即基坑長寬比越小)，基坑的空間效應越強，短邊對長邊的約束作用越明顯，從而使得圍護結構的變形越小。當基坑長寬比大于某一限值后，即使基坑長寬比數(shù)值再增加，圍護結構的變形也基本維持不變，此時近似于平面應變狀態(tài)。

a) 圍護結構最大側向位移與基坑開挖深度的關系

b) 圍護結構最大相對側向位移與基坑長寬比的關系圖4 基坑圍護結構最大側向位移與基坑幾何尺寸的關系

2.2.2 圍護結構插入比

案例基坑圍護結構最大相對側向位移與圍護結構插入比之間的關系如圖5所示。半成巖地區(qū)基坑插入比存在拐點效應，圍護結構最大相對側向位移隨插入比的增大而減小，當插入比大于0.5時，擬合曲線趨于平緩，此時若繼續(xù)增大圍護結構插入比，基坑的變形控制效果提升不明顯。

圖5 基坑圍護結構最大相對側向位移與基坑圍護結構插入比的關系

2.2.3 半成巖地層厚度

將半成巖層的厚度與圍護結構長度的比值定義為半成巖影響系數(shù)，其與圍護結構最大相對側向位移之間的關系如圖6所示。從圖6可以看出：半成巖影響系數(shù)越大，圍護結構的最大相對側向位移越大。相比其他常見的黏土地層，半成巖地層中的基坑圍護結構會出現(xiàn)更大的變形。半成巖具有膨脹性，基坑開挖過程中含水量增加會導致半成巖產(chǎn)生膨脹附加應力，進而導致圍護結構變形的增加。

圖6 基坑圍護結構最大相對側向位移與半成巖影響系數(shù)的關系

3 半成巖超深基坑圍護結構的變形特性分析

3.1 案例基坑的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

對青秀山站超深基坑工程中實測得到的圍護結構側向位移數(shù)據(jù)進行整理，選取開挖至第二道支撐、第四道支撐、第九道支撐、基坑底部，以及澆筑好底板時的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，不同施工階段下基坑長邊中點處的側向位移曲線如圖7所示。隨著開挖深度的加大，該測點圍護結構的側向位移持續(xù)增加，但呈現(xiàn)出明顯的邊際遞減趨勢。

在開挖至第九道支撐前，該測點圍護結構側向位移基本是一個向外凸的單峰曲線，峰值位于泥巖地層中；開挖至第九道支撐后，該測點圍護結構側向位移在粉砂巖地層中發(fā)生了上翹，出現(xiàn)“雙峰值”變形趨勢。隨著基坑的開挖，該測點發(fā)生最大側向位移的縱向位置持續(xù)向下，同樣也呈現(xiàn)出明顯的邊際遞減趨勢。

圖7 基坑長邊中點處圍護結構實測側向位移曲線

3.2 半成巖超深基坑三維數(shù)值模擬

本工程采用Plaxis 3D有限元軟件進行建模分析。為了消除邊界影響，模型的長度和寬度均取基坑開挖深度的4倍，模型的高度取基坑開挖深度的2倍。模型底部采用固端邊界約束，四周均采用可沿豎向滑動的單向邊界約束。案例基坑各地層選取的本構關系和調整計算參數(shù)如表2所示。

表2 案例基坑的地層本構關系及計算參數(shù)

通過三維數(shù)值模型模擬得到各施工階段基坑長邊中點處圍護結構的側向位移曲線，與實測數(shù)據(jù)進行對比，其結果如圖8所示。在開挖至第七道支撐之前，該測點側向位移最大峰值的位置是不斷下移的，開挖至第七道支撐后其最大峰值的位置固定在泥巖和粉砂巖的分界線上，且峰值數(shù)值大小也基本不變；開挖至第十道支撐后，位于粉砂巖層中的次峰形成，其位置靠近基底。從整體看，基坑長邊中點處的側向位移呈現(xiàn)上高下低的雙峰模式。

圖8 各施工階段基坑長邊中點圍護結構處側向位移模擬值與實測值的對比

4 半成巖超深基坑圍護結構變形影響因素分析

4.1 地質條件

彈性模量E、黏聚力c及內摩擦角φ3個參數(shù)是對土體性質影響較大的參數(shù)。為了研究半成巖巖體參數(shù)不同對超深基坑工程的影響，本文采用控制變量法，通過固定2個參數(shù)、改變1個參數(shù)的方式來模擬各種參數(shù)條件下的基坑開挖過程，并對這些參數(shù)在基坑圍護結構變形中的敏感性進行分析。將E、φ和c分別減小20%、分別減小10%和分別增大10%、分別增大20%，以研究巖體力學性質對于超深基坑圍護結構最大側向位移的影響。

結果表明，φ和巖體整體性質對圍護結構最大側向位移的影響趨勢較為一致，而且4種狀態(tài)下φ產(chǎn)生的最大側向位移變化值的占比均超過50%，可見φ對圍護結構變形的影響最為顯著。E和c對應的位移曲線與土體整體性質偏離較大。4種狀態(tài)下c對應的圍護結構最大側向位移變化值的占比均低于10%，可見c對圍護結構變形的影響十分微弱。

4.2 水位高度變化

超深基坑工程的降水代價高昂，合理采用止水帷幕等措施可以降低成本，因此，有必要對基坑內水位高度對圍護結構的變形影響進行研究。分別設置全水位、高水位(地下水位在地面以下25%開挖深度處)、半水位(地下水位在地面以下50%開挖深度處)、低水位(地下水位在地面以下75%開挖深度處)、零水位等不同情況，分別進行計算分析。由于半成巖遇水易崩解軟化，其與水作用的機理仍有待研究，本文采取水土分算方式進行數(shù)值模擬。隨著水位的下降，圍護結構最大側向位移迅速減小，全水位工況下圍護結構最大側向位移是零水位工況下的2.23倍，低水位和零水位下的最大側向位移相差不大。由此可知，當水位較高時，為了控制圍護結構的變形，應采用降水措施；當水位較低時，圍護結構變形較為可控，可以通過水泥土攪拌樁或旋噴樁等進行止水，以在控制圍護結構變形的同時降低施工成本。

5 結語

本文以南寧軌道交通20座深基坑車站及3號線青秀山站1號風亭超深基坑為背景，采用工程實測數(shù)據(jù)與三維數(shù)值模擬相結合的方法，研究了半成巖地區(qū)深基坑圍護結構的變形特性，得到以下結論：

1) 對于半成巖一般深基坑，圍護結構側向位移模式為沿墻身呈“弓形”單峰曲線分布，側向位移相對較大的區(qū)域主要集中在地表以下(0.4～0.8)H范圍內；不同深基坑最大側向位移的最小值、平均值和最大值分別為0.085%H、0.177%H、0.398%H。

2) 半成巖深基坑的長度與寬度越接近，則基坑的空間效應越強，基坑變形越??；當基坑插入比大于0.5時，其圍護結構變形隨插入比變化不明顯。

3) 對于半成巖超深基坑，隨著開挖工序的進行，其圍護結構側向位移不斷增加，但呈現(xiàn)明顯的邊際遞減趨勢，發(fā)生最大側向位移的位置也在不斷下降。要注意優(yōu)化設計參數(shù)，并采取土體加固、施作止水帷幕等施工控制措施，防止圍護結構發(fā)生較大的變形。

4) 巖體內摩擦角對圍護結構變形的影響顯著，而黏聚力對圍護結構變形的影響則較小。水位高度對于半成巖超深基坑圍護結構變形有顯著的影響。半成巖與水相互作用機理十分重要，有待深入研究。