超長L形深基坑臺(tái)階法開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征研究*

甘彬霖 梁亞華 卞 超 畢書琦 楊永華 李 歡

(1.煤炭科學(xué)研究總院建井研究分院，100013，北京；2.北京中煤礦山工程有限公司, 100013，北京；3.中國建筑第八工程局有限公司，200013，上?！蔚谝蛔髡撸T士研究生)

在深基坑開挖過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及控制是保證工程安全可靠的關(guān)鍵。目前基坑安全事故發(fā)生率高達(dá)30%，其中42%的地下工程事故主要由施工不當(dāng)引發(fā)[1-3]。經(jīng)分析，在基坑開挖施工過程中，結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)較大[4]?；庸こ探Y(jié)構(gòu)的失效破壞一般分為強(qiáng)度破壞和變形破壞，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞是基坑失效破壞的主要表現(xiàn)形式[5]。

文獻(xiàn)[6-13]主要通過理論分析、數(shù)值模擬和施工監(jiān)測等方法，對基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律及控制問題進(jìn)行研究。圍護(hù)結(jié)構(gòu)處于巖土體天然介質(zhì)環(huán)境系統(tǒng)中，具有隱蔽性、復(fù)雜性、區(qū)域差異性和環(huán)境影響顯著等特點(diǎn)，理論分析和數(shù)值模擬一般基于地質(zhì)環(huán)境和邊界條件的假定，故計(jì)算模型和分析結(jié)果同實(shí)際情況之間存在差異，而監(jiān)測分析結(jié)論與工程實(shí)際相符，能更好地反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)際變形規(guī)律。文獻(xiàn)[10]根據(jù)超大深基坑開挖監(jiān)測，分析車輛動(dòng)載和土體蠕變對支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形的影響；文獻(xiàn)[11]通過中隔墻和“盆式開挖”優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效控制了某L形深基坑支護(hù)體系變形；文獻(xiàn)[14]通過監(jiān)測分析了上軟下硬地質(zhì)條件的深基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移規(guī)律；文獻(xiàn)[15]根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，分析了深厚軟土超深大基坑分區(qū)對稱開挖引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性。

目前，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律研究多針對單一基坑條件、開挖方式或開挖工況，對超長L形深基坑臺(tái)階法開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征研究相對較少。本文基于那洪立交站L形深基坑施工的現(xiàn)場監(jiān)測，分析臺(tái)階法開挖不同施工階段地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻頂豎向位移、墻頂水平位移和墻體深層土體位移的變化規(guī)律，為特殊開挖方式下異形深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡介

那洪立交站位于南寧那洪大道與壯錦大道交叉十字路口處，為南寧軌道交通4號(hào)線和5號(hào)線的換乘站。其中，4號(hào)線車站主體基坑長256.6 m，小里程端寬度為31.4 m，聯(lián)絡(luò)通道段寬度為28.2～37.1 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為27.5 m，大里程盾構(gòu)端寬42.8 m，深度為25.9～29.5 m，采用厚800 mm的地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)形式，設(shè)置4道內(nèi)支撐，其中第1道支撐為混凝土支撐，第2道及以下支撐為鋼支撐。5號(hào)線車站主體基坑長269.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為27.5 m，聯(lián)絡(luò)通道段寬度為25.0～32.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為22.9 m，大里程盾構(gòu)端寬35.5 m，深度為17.9～22.6 m，采用厚800 mm的地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)形式，設(shè)置3道內(nèi)支撐，其中第1道支撐為混凝土支撐，其余為鋼支撐?；蝇F(xiàn)場布置如圖1所示。

圖1 基坑現(xiàn)場俯視圖

1.2 場地條件

場區(qū)內(nèi)主要工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)層自上而下主要為：①1礫石填土；①2素填土；①3淤泥質(zhì)填土；⑤2含黏性土圓礫；⑥1-2粉質(zhì)黏土；⑥2含黏性土粉砂；⑦1-2泥巖；⑦1-3泥巖；⑦2-2泥質(zhì)粉砂巖；⑦2-3泥質(zhì)粉砂巖；⑦4炭質(zhì)泥巖。地下水類型主要為上層滯水、第四紀(jì)松散巖類孔隙水及碎屑巖類孔隙裂隙水，水位埋深為5.02～8.77 m。基坑施工采用深井管井降水方法，將坑內(nèi)水位降至工作面之下0.5 m處。

2 基坑開挖和監(jiān)測方案

2.1 開挖方案

該基坑采用分層分區(qū)、同槽開挖的臺(tái)階法開挖方案。4號(hào)線基坑共劃分11個(gè)單元區(qū)域(圖2)，采用后退式臺(tái)階搗土開挖的方式，由兩端往中間開挖；5號(hào)線基坑劃分11個(gè)單元區(qū)域(圖3)，根據(jù)自南往北臺(tái)階法開挖的原則，先整體挖完第2道支撐以上土方，并在北端設(shè)馬道坡，再從基坑南端往北進(jìn)行后退式臺(tái)階搗土開挖，以提高出土效率。該項(xiàng)目基坑工程從2018年5月5日開挖動(dòng)工，至2018年12月10日全部開挖完成。

圖2 4號(hào)線主體基坑分區(qū)開挖示意圖

圖3 5號(hào)線主體基坑分區(qū)開挖示意圖

2.2 監(jiān)測方案

那洪立交站基坑的重要性等級(jí)和監(jiān)測等級(jí)均為Ⅰ級(jí)。在開挖過程中，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻頂豎向位移、墻頂水平位移和墻體深層水平位移進(jìn)行全面監(jiān)測。

監(jiān)測點(diǎn)沿地下連續(xù)墻布置(如圖4所示)，墻頂豎向位移監(jiān)測點(diǎn)(ZQC1～ZQC61)及墻頂水平位移監(jiān)測點(diǎn)(ZQS1～ZQS61)布置在墻頂冠梁處，墻體深層土體位移監(jiān)測點(diǎn)(ZQT1～ZQT61)布置在靠近墻體周圍土體處。各監(jiān)測項(xiàng)目的布置要求和監(jiān)測控制值如表1所示。

a)4號(hào)線部分

表1 支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測項(xiàng)目布置要求和監(jiān)測控制值

3 監(jiān)測結(jié)果與分析

3.1 墻頂豎向位移

截至開挖完成時(shí)，墻頂豎向位移監(jiān)測結(jié)果(見圖5)中，除ZQC8監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)1.12 mm下沉外，其余監(jiān)測點(diǎn)均出現(xiàn)不同程度上升。其中，ZQC20、ZQC21、ZQC37、ZQC38、ZQC39、ZQC51監(jiān)測點(diǎn)的豎向位移超過監(jiān)測控制值(10 mm)，屬于橙色預(yù)警狀態(tài)。經(jīng)分析，ZQC20、ZQC21、ZQC37、ZQC38及ZQC39位于5號(hào)線基坑中部兩側(cè)，且ZQC20、ZQC21位于基坑中部西側(cè)犄角處，ZQC51位于基坑交匯的西側(cè)內(nèi)凹角。這表明基坑的形狀和所處位置對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向位移影響很大，基坑中部和犄角處的變形相對較大。

圖5 墻頂最終豎向位移

本文選取基坑西端的ZQC1，4號(hào)線基坑中部的ZQC6和ZQC57,4號(hào)線及5號(hào)線基坑交匯處的ZQC46和ZQC51，5號(hào)線中部的ZQC21和ZQC38，對歷時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到L形基坑開挖過程中不同區(qū)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)累計(jì)豎向位移的歷時(shí)曲線(見圖6)。

由圖6可知，開挖過程中墻頂豎向位移隨時(shí)間變化明顯。當(dāng)開挖深度較淺時(shí)，墻頂豎向位移以沉降為主；隨著時(shí)間和開挖深度的增加，卸荷效應(yīng)作用增大，隆起量大于沉降量，圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生隆起變形，并具有一定的波動(dòng)性。

圖6 墻頂豎向累計(jì)位移歷時(shí)曲線

對不同區(qū)段而言，L形基坑長邊中部的豎向位移量最大，交匯處次之，短邊端最小，但內(nèi)凸處豎向位移量相對更大，基坑的形狀效應(yīng)顯著。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，ZQC51、ZQC38和ZQC21的豎向累計(jì)位移量均超過了±10 mm的控制值，并分別在9月22日、10月15日和10月29日達(dá)到橙色預(yù)警等級(jí)。4號(hào)線基坑中部的開挖深度比5號(hào)線基坑中部開挖深度大3.6 m，但4號(hào)線主體基坑中部的ZQC6和ZQC57的豎向位移量小于5號(hào)線主體基坑中部的ZQC38和ZQC21。這表明由基坑兩端向中間搗土的后退式臺(tái)階開挖方式比單向后退式臺(tái)階法搗土開挖方式更能有效控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的豎向變形。

對比同一區(qū)段的最終豎向變形值，ZQC6和ZQC21處分別小于ZQC57和ZQC38處變形值。這與該區(qū)段基坑南側(cè)和東側(cè)土體變形分別受建筑物和橋基的抑制有關(guān)。

3.2 墻頂水平位移

基坑開挖完成后，不同監(jiān)測點(diǎn)的墻頂最終水平位移量均小于控制值(±25 mm)，如圖7所示。根據(jù)不同監(jiān)測點(diǎn)的水平位移量，擬合出基坑開挖完成后圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況,如圖8所示。

注：墻頂水平位移為正表示向基坑內(nèi)變形，為負(fù)表示向基坑外變形。

由圖8可見：墻頂水平位移以向基坑內(nèi)變形為主；同一區(qū)段的水平位移變形方向基本一致，即同時(shí)向內(nèi)或向外變形；基坑內(nèi)凸處的水平變形量相對較大，但受內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的影響，墻頂水平位移沒有明顯的區(qū)段特征。

圖8 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移擬合圖

4號(hào)線主體基坑?xùn)|側(cè)開挖深度為26.5 m，5號(hào)線主體基坑南側(cè)開挖深度為17.9 m，因此在基坑交匯處有1個(gè)8.6 m深的坑中坑?；咏粎R區(qū)域的墻頂水平位移歷時(shí)曲線如圖9所示。在基坑開挖初期，開挖深度較淺且相同，基坑交匯區(qū)域監(jiān)測點(diǎn)的墻體水平位移量較小且變化趨勢基本一致。在8月10日之后，基坑交匯區(qū)域北側(cè)的開挖深度開始逐漸大于南側(cè)開挖深度。此時(shí)：北側(cè)ZQS12、ZQS45和ZQS46監(jiān)測點(diǎn)處的墻體水平位移以向坑內(nèi)變形為主，南側(cè)ZQS48、ZQS49和ZQS50監(jiān)測點(diǎn)的墻體水平位移以向坑外變形為主，且變形量均隨時(shí)間的推移逐漸增大；在坑中坑臨界處，ZQS47和ZQS51監(jiān)測點(diǎn)的墻頂水平位移值介于南北側(cè)監(jiān)測點(diǎn)的水平位移值之間。這表明施工過程中，基坑內(nèi)的開挖深度差導(dǎo)致區(qū)域土體產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力場和位移場，進(jìn)而使同一區(qū)段內(nèi)不同開挖深度側(cè)的墻頂水平變形量不同，且變形方向相反：較深側(cè)以向坑內(nèi)變形為主，較淺側(cè)以向坑外變形為主。

圖9 交匯區(qū)域墻頂水平位移歷時(shí)曲線

3.3 墻體深層水平位移

基坑開挖完成后，不同區(qū)域的墻體深層水平位移監(jiān)測值如圖10所示，不同監(jiān)測點(diǎn)的墻體深層水平位移隨深度的變化規(guī)律基本相同，位移-深度曲線呈明顯指向坑內(nèi)的“弓”形。ZQT1處的開挖深度為29.5 m，ZQT7、ZQT11、ZQT52及ZQT56處的開挖深度為26.2 m，ZQT19、ZQT39和ZQT44處的開挖深度為19.0 m。結(jié)合圖10可知，墻體深層水平位移最大值位置的深度隨開挖深度的增大而增大。

注：水平位移值為正表示向基坑內(nèi)偏移，為負(fù)表示向基坑外偏移。

通過對28組墻體深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)的區(qū)域開挖深度、水平位移最大值及其所處深度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，墻體深層水平位移最大值為0.076%H～0.264%H(H為所在區(qū)域開挖深度)，水平位移最大值所在深度為0.54H～0.80H。對同一區(qū)段而言，ZQT39、ZQT56和ZQT11處不同深度的水平位移分別大于ZQT19、ZQT7和ZQT52對應(yīng)深度的水平位移。這表明：對于L形基坑長邊段中部墻體深層水平位移，外側(cè)大于內(nèi)側(cè)；對于基坑交匯處的墻體深層水平位移，內(nèi)陰角側(cè)大于對側(cè)。

在基坑開挖過程中，墻體深層水平位移隨時(shí)間及深度變化的曲線分別如圖11和圖12所示。在基坑開挖初期，墻體水平位移呈現(xiàn)斜線形分布，位移量隨深度的增加而減?。浑S著開挖深度的增加，墻體深層水平位移逐漸表現(xiàn)為“弓”形分布，開挖深度越大“弓”形分布的特點(diǎn)越明顯，墻體最大水平位移值及其所在深度隨開挖深度的增加而增加。至9月30日，ZQT1所在區(qū)域的土體開挖完成，ZQT1處深層最大水平位移值的深度基本保持不變，而最大水平位移值隨時(shí)間的增加而逐漸增大；至11月15日，ZQT57所在區(qū)域的土體開挖基本完成，墻體深層水平位移變化特點(diǎn)與ZQT1處類似。這表明：墻體深層最大水平位移值的深度主要由開挖深度決定；最大水平位移值具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，開挖完成后最大水平位移值隨著基坑暴露時(shí)間的增加而增大。因此，在基坑施工過程中，應(yīng)合理安排工序，減少基坑暴露時(shí)間，以控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平變形。

圖11 ZQT1深層水平位移歷時(shí)曲線

圖12 ZQT57深層水平位移歷時(shí)曲線

4 結(jié)論

1)L形基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的形狀效應(yīng)顯著，基坑長邊中部的墻頂豎向位移量最大，基坑交匯處次之，短邊端最小，內(nèi)凸處的豎向位移量相對較大；墻頂豎向位移隨時(shí)間變化明顯，當(dāng)開挖深度較小時(shí)，墻頂豎向位移以沉降為主，隨著時(shí)間的推移和開挖深度的增加，基坑卸荷效應(yīng)作用增大，隆起量大于沉降量，圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生波動(dòng)隆起變形。

2)同一區(qū)段的墻頂水平位移方向一致，均以向坑內(nèi)變形為主；雖基坑內(nèi)凸處的水平變形量相對較大，但受內(nèi)支撐支護(hù)影響，墻頂水平位移沒有明顯的區(qū)段差異特征；坑內(nèi)開挖深度差導(dǎo)致同一區(qū)段內(nèi)不同深度側(cè)的墻頂水平變形量差異較大，且變形方向相反。

3)墻體深層最大水平位移具有明顯的時(shí)間效應(yīng)；最大水平位移值約為0.076%H～0.264%H；最大值所在深度約為0.54H～0.80H，主要由開挖深度決定；對于L形基坑長邊段中部墻體深層水平位移，外側(cè)大于內(nèi)側(cè)，對于交匯處的墻體深層水平位移，內(nèi)陰角側(cè)大于對側(cè)。