深厚軟土狹長基坑地連墻變形特性

蔡子勇, 劉屹頎, 喬世范*

(1.中湘海外建設(shè)發(fā)展有限公司, 長沙 410004; 2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院, 長沙 410075)

隨著中國隧道及地下空間開發(fā)利用,城市地鐵、樞紐車站、綜合管廊、鐵路隧道等地下工程大力興建,使得基坑工程廣泛應(yīng)用,同時(shí)面臨諸多復(fù)雜的地質(zhì)及巖土工程問題。尤其對于軟土地區(qū),巖土環(huán)境更為復(fù)雜,基坑開挖極易造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)及周邊環(huán)境破壞,引發(fā)基坑安全事故[1-2]?？梢?變形控制是基坑安全保障的關(guān)鍵[3-4]。然而,由于基坑工程的復(fù)雜性及不確定性,理論發(fā)展往往滯后于工程實(shí)踐,而現(xiàn)場監(jiān)測則是基坑施工過程中各類因素影響的真實(shí)反映。因此,通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)反饋不同工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性及其影響是目前工程建設(shè)最常用、最直接有效的方法。

針對基坑開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性,何君佐等[5]、樓春暉等[6]、吳昌將等[7]分別對排樁、水泥土攪拌(樁)墻(即SMW工法樁)和地連墻的變形特性進(jìn)行實(shí)測分析,發(fā)現(xiàn)不同圍護(hù)型式的基坑變形性狀存在較大差異,李淑等[8]、張震等[9]也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。奚家米等[10]、徐長節(jié)等[11]、鄭剛等[12]研究發(fā)現(xiàn),基坑挖深越大,對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形越不利。Wong等[13]、Long[14]對基坑開挖面以上軟土厚度進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)軟土厚度越大,墻體最大測斜與基坑開挖深度之比就越大,與徐中華等[15]的統(tǒng)計(jì)規(guī)律一致。Hashash等[16]、Ou等[17]及Leung等[18]研究表明,墻體最大側(cè)移隨著插入比的增大而緩慢減小,當(dāng)墻體嵌入深度達(dá)到某一量值,繼續(xù)增大插入比對墻體變形無明顯影響。劉建航等[19]、莊海洋等[20]通過對墻體測斜實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),狹長基坑相比寬大基坑抗側(cè)向變形能力要強(qiáng),穩(wěn)定性要好。徐中華等[15]、萬星等[21]、Yang等[22]、程康等[23]分別針對上海、南京、福州、杭州的基坑開挖墻體測斜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析與總結(jié),發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形大小及變化規(guī)律不盡相同,揭露了軟土的地域性特點(diǎn)。張震等[9]、徐中華等[15]、莊海洋等[20]、倪茜等[24]、康志軍等[25]針對上海地區(qū)軟土基坑工程案例實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)即使在相同地區(qū),不同基坑形式、不同開挖深度、不同軟土厚度、不同施工方法及不同支護(hù)類型的墻體變形特性也存在一定差異,很難具有普適性。胡之鋒等[26]研究發(fā)現(xiàn),基坑支撐架設(shè)滯后對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響。此外,對于當(dāng)前大力發(fā)展的南沙港地區(qū),軟土厚度普遍在20～40 m,最深達(dá)到58 m,遠(yuǎn)高于上海、杭州、南京等其他同類地區(qū),具有顯著的地域性和獨(dú)特性,而有關(guān)該地區(qū)地連墻變形特性研究報(bào)道甚少,缺乏系統(tǒng)性分析與總結(jié)。

鑒于此,以廣州南沙港鐵路明挖隧道采用地連墻+多層內(nèi)支撐作為圍護(hù)體系的深厚軟土基坑為研究對象,通過對基坑開挖過程墻體測斜與地表沉降實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,對比中外類似工程案例研究成果,深入研究南沙港地區(qū)軟土基坑地連墻變形特性及其因素影響,為廣州軟土地區(qū)類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

新建廣州南沙港鐵路隧道位于南沙區(qū)珠江口龍穴島上,為南沙區(qū)境內(nèi)首條貨運(yùn)鐵路,隧道線路走向如圖1所示。隧道起止里程K0+500～K7+020,全長6.52 km,其中暗埋段長4.5 km,采用明挖法施工,基坑平面呈長條形,開挖寬度為7～9 m,開挖深度為0～14.9 m,根據(jù)基坑開挖深度由淺至深分別采用鋼板樁(H<3 m)、Ф850SMW工法樁(3 m10 m)作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)圍護(hù)深度:鋼板樁(3.5 m

圖2 基坑施工及周邊環(huán)境Fig.2 Foundation pit construction and surrounding environment

1.2 地質(zhì)條件

圖3 土層物理力學(xué)指標(biāo)Fig.3 Physical and mechanical indexes of soil layers

2 現(xiàn)場監(jiān)測方案

2.1 基坑支護(hù)體系及施工順序

考慮基坑開挖深度大、基坑狹長、地質(zhì)條件差及施工難度大等特點(diǎn),選取B、C區(qū)基坑施工區(qū)間,長度為1 657 m?；釉O(shè)計(jì)采用0.8 m厚地連墻+首道鋼筋砼支撐(800 mm×800 mm)+(2～3)道Ф609鋼支撐組成的支護(hù)體系,鋼支撐道數(shù)根據(jù)基坑深度而定。為了保證隧道主體結(jié)構(gòu)及基坑開挖穩(wěn)定,基坑采用“豎向分層、縱向分段、線路分區(qū)、臺(tái)階法作業(yè)、先撐后挖、明挖順筑”的開挖方式,開挖至基底標(biāo)高,自從下往上依次施作墊層、底板、側(cè)墻及頂板等主體結(jié)構(gòu),同時(shí)坑底進(jìn)行加固處理:①采用Ф850@600三軸攪拌樁抽條加固,加固寬度為基坑寬度,加固深度為坑底以下3 m范圍;②設(shè)置鉆孔灌注樁,設(shè)計(jì)樁徑1.0 m,樁長視基坑開挖深度為27 m～51.5 m,樁間距5.2 m,按矩形布置。典型圍護(hù)體系剖面如圖4所示。

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系剖面圖Fig.4 Section of enclosure structure system

2.2 監(jiān)測內(nèi)容及測點(diǎn)布置

為獲取基坑開挖階段墻體變形與墻后地表沉降實(shí)測變形數(shù)據(jù),在地連墻及周邊土體分別布置了墻體測斜和地表沉降監(jiān)測點(diǎn),根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50497—2019),取墻體測斜預(yù)警值為±40 mm,地表沉降預(yù)警值為±28 mm,其中標(biāo)準(zhǔn)段按20 m斷面間距布設(shè),特殊地段適當(dāng)加密,監(jiān)測斷面及測點(diǎn)布置如圖5所示。

圖5 監(jiān)測點(diǎn)平面布置示意圖Fig.5 Layout of monitoring points

3 墻體變形特性

由于現(xiàn)場施工、設(shè)備材料堆放及車輛荷載等影響,部分測點(diǎn)破壞,導(dǎo)致少數(shù)斷面實(shí)測數(shù)據(jù)不完全。為了闡明墻體變形特性及影響規(guī)律,共收集B、C區(qū)85個(gè)測試斷面墻體測斜及地表沉降實(shí)測數(shù)據(jù)資料。

3.1 墻體測斜統(tǒng)計(jì)分析

通過對基坑開挖完成后的墻體測斜實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖6所示。

圖6 墻體變形模式Fig.6 Wall deformation mode

從圖6可以看出,墻體測斜變化規(guī)律基本相似,表現(xiàn)為墻頂位移較小,墻體中部變形最大,墻底變形很小的“內(nèi)凸型”特點(diǎn)。墻體測斜曲線沿墻身變化較為平滑,墻體兩端少數(shù)出現(xiàn)偏向坑外的負(fù)值,一般小于5 mm,可能原因是第一道鋼支撐預(yù)加軸力較大及坑底被動(dòng)土體加固產(chǎn)生向外推力所導(dǎo)致。另外,墻體最大側(cè)移量及位置深度總體上表現(xiàn)為B區(qū)小于C區(qū),主要是由于B區(qū)基坑開挖深度相比C區(qū)要淺,反映基坑開挖深度對墻體變形影響較大,進(jìn)一步解釋了基坑開挖“深度效應(yīng)”,墻體側(cè)移沿深度主要影響范圍約為2H,喬世范等[27]證實(shí)了這一觀點(diǎn)。同時(shí),墻體最大側(cè)移位置深度絕大部分位于開挖面附近,與Ou等[17]及莊海洋等[20]所提觀點(diǎn)相符。主要原因是由于軟土層深厚,地層條件差,隨基坑深度開挖,土體應(yīng)力釋放強(qiáng)烈,圍護(hù)體系不能完全抵抗坑外主動(dòng)土壓力作用,產(chǎn)生向坑內(nèi)側(cè)移及墻體彎曲變形,且最大側(cè)移位置隨著開挖深度逐漸下移。此外,根據(jù)焦志斌等[28]的研究結(jié)論,對于目前基坑變形控制嚴(yán)格條件下,墻體允許變形相對較小,墻體基本處于彈性工作狀態(tài),認(rèn)為墻體側(cè)移沿墻深近似線性分布,呈先增大后減小變化規(guī)律。因此,針對本工程地層條件,墻體變形模式主要表現(xiàn)為懸臂式+內(nèi)凸式構(gòu)成的“復(fù)合型”。進(jìn)一步分析墻體位移包絡(luò)線,在95%置信區(qū)間內(nèi),提出一種簡化雙折線模式來快速估算任意深度位置墻體水平位移的方法,可較好地反映墻體側(cè)移變化情況。

進(jìn)一步地,對墻體測斜的最大側(cè)移量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),得出墻體測斜分布規(guī)律如圖7所示。

圖7 墻體測斜統(tǒng)計(jì)分析Fig.7 Statistical analysis of wall inclinometer

從圖7可以看出,墻體最大側(cè)移量主要分布在20～35 mm范圍內(nèi),占比高達(dá)83.6%,其中最大側(cè)移在30～35 mm的概率分布最高,所占比例為35.3%,相比李淑等[8]、Long[14]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果要大,主要原因在于:①本工程所在南沙港地區(qū)相比李淑等[8]和Long[14]研究工程案例所在北京地區(qū)地層條件更差,地質(zhì)條件越差對墻體測斜不利影響越大;②本工程基坑開挖軟土層深厚,普遍大于20 m,根據(jù)Wong等[13]、Long[14]、徐中華[15]的研究結(jié)論,軟土厚度越大,墻體最大測斜相對越大,進(jìn)一步佐證了這一觀點(diǎn)。可見,軟土厚度與土體性質(zhì)對墻體最大側(cè)移影響較大,合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對基坑變形控制非常重要。

3.2 墻體測斜影響因素分析

3.2.1 基坑開挖深度對墻體測斜的影響

結(jié)合墻體測斜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,對比其他軟土地區(qū)已有研究成果,得出墻體最大側(cè)移量δhm以及墻體最大側(cè)移位置深度Hδm與基坑開挖深度H的關(guān)系,如圖8、圖9所示。

圖8 δhm 與H的關(guān)系Fig.8 Relationships between δhm and H

圖9 Hδm與H的關(guān)系Fig.9 Relationships between Hδm and H

由圖9可以看出,墻體最大側(cè)移所在位置深度Hδm位于(H-6)和(H+3)之間,且大多數(shù)位于開挖面附近,與萬星等[21]統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本相似,但與張震等[9]、Chen等[29]的觀點(diǎn)有所不同,主要原因在于:①地層條件差異,本工程坑底被動(dòng)區(qū)土體加固,猶如增加一道“土梁”支撐。同時(shí),考慮坑內(nèi)樁-土摩擦“主動(dòng)牽引”作用,土-拱效應(yīng)增強(qiáng),導(dǎo)致圍護(hù)體系整體剛度較大提高,增強(qiáng)坑底抗側(cè)向變形的能力;②支護(hù)設(shè)計(jì)水平不同,支撐體系剛度差異對墻體測斜影響較大,支撐長度越短,結(jié)構(gòu)剛度相對越大,對墻體變形控制相對有利;③施工技術(shù)水平差異,基坑分層開挖深度不同,土體挖深越大,應(yīng)力釋放越強(qiáng)烈,墻體變形越大,這也解釋了基坑開挖深度效應(yīng)?？v觀各地區(qū)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)存在差異,土層性質(zhì)、施工方法、設(shè)計(jì)水平、圍護(hù)型式及周邊環(huán)境等對墻體最大側(cè)移位置均有影響。鑒于此,提出該地區(qū)軟土基坑開挖墻體最大側(cè)移量及其位置深度的可能范圍對后續(xù)類似工程建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。

3.2.2 軟土厚度對墻體測斜的影響

通過無量綱化處理,分析墻底以上軟土厚度對墻體最大側(cè)移的影響,得出墻體最大側(cè)移量δhm/基坑開挖深度H與墻底以上軟土厚度hs/墻體深度Hw的關(guān)系,如圖10所示。

圖10 hs與δhm的關(guān)系Fig.10 Relationships between hs and δhm

從圖10可以看出,無量綱化的墻體最大側(cè)移量隨著墻底以上軟土厚度的增大呈緩慢增長趨勢,軟土厚度越大,墻體最大側(cè)移量相對越大,與徐中華等[15]的統(tǒng)計(jì)規(guī)律一致,不同的是兩者相關(guān)性差異較大,主要原因分析:實(shí)測樣本統(tǒng)計(jì)數(shù)量有限,存在隨機(jī)性誤差;軟土區(qū)域性特點(diǎn),不同土層條件對墻體變形影響較大,與吳昌將等[7]研究觀點(diǎn)一致;考慮基坑形狀、圍護(hù)型式、支護(hù)方式等影響。根據(jù)Wong等[13]、Long[14]對基坑開挖面以上軟土厚度進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)軟土厚度越大,墻體最大測斜與基坑開挖深度之比相對越大,吳昌將等[7]也佐證了這一觀點(diǎn)。因此,針對深厚軟土地區(qū)基坑開挖,合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)對基坑變形控制非常重要。

3.2.3 插入比對墻體測斜的影響

定義插入比λ為坑底以下墻體嵌入深度與基坑開挖深度的比。建立地連墻插入比與墻體最大側(cè)移的關(guān)系,如圖11所示。

圖11 λ與δhm的關(guān)系Fig.11 Relationships between λ and δhm

從圖11可以看出,墻體最大側(cè)移隨著插入比的增大而緩慢減小,幾乎趨于水平,兩者的相關(guān)性很小,離散性大,與Hashash等[16]的研究結(jié)論一致,這意味著當(dāng)墻體超過一定嵌入深度,繼續(xù)增大插入比對控制墻體變形無明顯作用,工程造價(jià)卻明顯提高。同時(shí),墻體最大側(cè)移量主要分布在20～35 mm,均小于預(yù)警值(±40 mm)。從變形控制角度建議地連墻插入比取1.5～2.0?？梢?本工程地連墻設(shè)計(jì)較保守,可以考慮對地連墻進(jìn)行優(yōu)化。此外,對比其他地區(qū)已有研究成果,本文基坑墻體插入比均值為2.0,相比徐中華等[15]、Ou等[17]及Leung等[18]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果均值明顯要大?？梢?不同地區(qū)、不同土性條件,墻體插入比差異懸殊,進(jìn)一步說明設(shè)計(jì)必須源于工程實(shí)踐,通過實(shí)測數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)修正設(shè)計(jì)參數(shù),而不能盲目照搬其他地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)。

3.2.4 基坑形狀對墻體測斜的影響

為更好地說明狹長深基坑地連墻變形特性,針對本文狹長型基坑與已有研究的寬大基坑墻體測斜實(shí)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果對比分析,如圖12所示。

圖12 狹長型與寬大型基坑墻體測斜對比Fig.12 Comparison of wall inclination measurement between long-narrow foundation pit and width-large foundation pit

主要原因在于:①本工程地連墻插入比均值為2.0,而徐中華等[15]及Wang等[30]統(tǒng)計(jì)的地連墻插入比平均值小于1.0,插入比差異性影響較大;②基坑坑底被動(dòng)區(qū)進(jìn)行加固處理,土體性狀明顯改善,加上坑內(nèi)抗拔樁“約束作用”,圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系整體剛度較大提高,增強(qiáng)坑底抵抗側(cè)向變形的能力;③寬大基坑由于開挖面積大,空間效應(yīng)影響顯著,且支撐長度較長,結(jié)構(gòu)剛度相對較小,而狹長基坑支撐長度相對較短,整體剛度較大,變形控制能力較強(qiáng),李淑等[8]、劉建航等[19]以及莊海洋等[20]的研究結(jié)論均證實(shí)了這一觀點(diǎn)?？梢?狹長基坑相比寬大基坑抵抗側(cè)向變形能力要強(qiáng),整體穩(wěn)定性要好。

3.2.5 支撐體系剛度對墻體測斜的影響

根據(jù)Clough等[31]提出的支撐體系剛度計(jì)算公式,結(jié)合現(xiàn)場不同測試斷面的墻體測斜實(shí)測數(shù)據(jù),與對應(yīng)基坑開挖深度無量綱化,得出墻體相對最大側(cè)移(墻體最大側(cè)移/基坑開挖深度)與支撐系統(tǒng)剛度的關(guān)系,如圖13所示。

圖13 支撐體系剛度與墻體最大測斜的關(guān)系Fig.13 Relationships between stiffness of support system and maximum inclination of wall

從圖13可以看出,墻體最大側(cè)移隨支撐體系剛度的增大而緩慢減小,并逐漸趨于水平,當(dāng)支撐體系達(dá)到一定剛度后,繼續(xù)增加支撐剛度對基坑變形控制效果不再明顯。同時(shí),所統(tǒng)計(jì)的墻體相對最大側(cè)移大多數(shù)落在Clough等[31]提出的基坑抗隆起安全系數(shù)Fs=2和Fs=3的曲線之間,且均小于Fs=1.4,與李淑等[8]提出的處于抗隆起安全系數(shù)Fs=3的曲線以下相悖。主要原因在于:李淑等[8]統(tǒng)計(jì)案例所在的北京地區(qū)地層條件相比所研究的南沙港地區(qū)要好,對應(yīng)支撐系統(tǒng)剛度對圍護(hù)變形影響較小;受圍護(hù)型式、支撐剛度、基坑開挖深度、地層條件等影響所致?？梢?在實(shí)際基坑施工過程中,可以通過動(dòng)態(tài)調(diào)整支撐道數(shù)來控制墻體變形。此外,采用支撐體系剛度來預(yù)估墻體最大側(cè)移也不失為一種有效手段,這一觀點(diǎn)在Mana等[32]的研究中得到證實(shí)?；影踩燃墳橐患?建議取均值Fs=2.5的曲線進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移預(yù)測,這一觀點(diǎn)與上海市基坑工程設(shè)計(jì)規(guī)程所提及的相符。

3.3 墻體測斜與地表沉降的關(guān)系

結(jié)合基坑開挖深度,對不同測試斷面的墻體測斜與地表沉降進(jìn)行無量綱化,對比其他軟土地區(qū)研究成果,建立墻體最大側(cè)移量δhm與最大地表沉降量δvm的關(guān)系,如圖14所示。

圖14 δvm與δhm的關(guān)系Fig.14 Relationships between δvm and δhm

從圖14可以看出,最大地表沉降量取值范圍為δvm=(0.17～1.60)δhm(δhm為墻體最大側(cè)移量),平均值為0.864δhm,與張震等[9]及徐中華等[15]的統(tǒng)計(jì)均值相差較小,但相比Ou等[17]的統(tǒng)計(jì)均值要偏大。主要原因在于:本工程為狹長型深基坑,根據(jù)莊海洋等[20]所提觀點(diǎn),認(rèn)為狹長基坑相比一般基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形要小很多,墻體抗變形能力要強(qiáng),有利于基坑開挖穩(wěn)定;地連墻插入比在1.4～2.7,平均值為2.0,根據(jù)李淑等[8]、劉建航等[19]的研究結(jié)果,在一定范圍內(nèi)的插入比可以有效減少側(cè)移量,提高基坑的整體穩(wěn)定性;既有研究工程案例的地層條件差異以及統(tǒng)計(jì)樣本有限等。因此,縱觀不同軟土地區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析,地表最大沉降與墻體最大側(cè)移的關(guān)系受基坑形狀與開挖深度、支護(hù)剛度、圍護(hù)型式、墻體嵌入深度及地層條件等影響較大?？梢?地連墻變形控制對周邊土體地表沉降有著不容忽視的影響。

4 結(jié)論

(1)南沙港地區(qū)軟土深基坑開挖地連墻最大側(cè)移量主要分布在20～35 mm,占比高達(dá)83.6%,其中最大側(cè)移在30～35 mm區(qū)間的概率分布最高,所占比例為35.3%,墻體變形主要發(fā)生在深開挖階段,墻體側(cè)移沿深度主要影響范圍約為2H,基坑開挖具有“深度效應(yīng)”。

(2)墻體最大側(cè)移變化范圍為0.07%H～0.38%H,平均值為0.22%H,最大側(cè)移所在位置深度范圍為(H-6,H+3),且大多數(shù)位于開挖面附近。墻后最大地表沉降取值范圍為0.17δhm～1.60δhm,平均值為0.864δhm?？梢?基坑開挖地連墻變形控制對地表沉降有著不容忽視的影響。

(3)墻體最大側(cè)移隨著軟土厚度增加呈緩慢增長趨勢,墻底以上軟土厚度越大,墻體側(cè)移就相對越大;墻體最大側(cè)移隨著插入比和支撐系統(tǒng)剛度的增大而緩慢減小,近似趨于水平,這意味著當(dāng)插入比和支撐剛度超出某一量值,繼續(xù)增加對墻體變形控制無明顯作用,工程造價(jià)卻明顯提高。可見,合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對基坑變形控制非常重要。

(4)考慮基坑施工環(huán)境的復(fù)雜性及影響因素多元化,下一步通過對不同圍護(hù)型式、不同開挖方法及不同地層條件下的基坑施工實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析,進(jìn)一步完善軟土地區(qū)明挖隧道深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性,提升軟土基坑施工變形控制技術(shù)水平。