巖溶區(qū)深基坑開挖對鄰近地鐵車站影響分析

摘 要：簡要梳理了巖溶區(qū)深基坑的類型，對四周結(jié)構(gòu)變形開展了分析，以此確定巖溶區(qū)深基坑施工對四周環(huán)境形成的干擾作用。以武漢某工程為例，開展有限元分析，分析圍護、現(xiàn)有地鐵的變形狀況。合理布設(shè)監(jiān)測方案，以此分析圍護位移數(shù)據(jù)。經(jīng)實際研究發(fā)現(xiàn)，巖溶處理能夠有效控制圍護、現(xiàn)有地鐵的位移量。

關(guān)鍵詞：巖溶區(qū)深基坑；結(jié)構(gòu)類型；支護結(jié)構(gòu)

中圖分類號：U231.3 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標(biāo)識碼：A " " " " " " " " " " " " " " " " " 文章編號：2096-6903（2024）12-0007-03

0 引言

在基坑施工期間，四周巖石應(yīng)力分布具有較高的復(fù)雜性。自然巖石內(nèi)含有較多的孔隙、裂隙等組成，在外部荷載條件下，會出現(xiàn)多個方向、間歇性的裂隙分布特點?；邮┕淖兺馏w自身的應(yīng)力平衡體系，因此要在四周土體環(huán)境中，建立新型的應(yīng)力關(guān)系，對四周地物的功能形成一定影響。在巖溶地區(qū)開展基坑施工時，需要遠離巖溶體，采取對應(yīng)的地基加固處理，以此增強基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性。

1 巖溶區(qū)深基坑分析

1.1 結(jié)構(gòu)類型

1.1.1 重力型結(jié)構(gòu)

重力類擋墻多用于基坑支護中，運行水泥攪拌樁設(shè)備，增強水泥與土的混合效果，獲得的水泥加固土體主要為柱狀，強度測值處于0.8～1.2 MPa，滲透性不強。重力類擋墻具有施工資金需求小、工藝操作便捷、對環(huán)境污染少，施工時間短等技術(shù)優(yōu)勢。具有適用于4～8 m的基坑條件。如果基坑深度較大，不建議使用重力類擋墻。

1.1.2 加固型結(jié)構(gòu)

加固型結(jié)構(gòu)具有原土性能優(yōu)異、成本經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)輕便、工藝操作便捷、結(jié)構(gòu)占地小、施工時間短等特點。土釘墻規(guī)格較大，土釘極易出現(xiàn)形變問題。在基坑形變量控制期間，盡量不選擇土釘支護方法。土釘墻可用于深度在12 m以內(nèi)的基坑項目中，施工時間最長為18個月。參照現(xiàn)場實際狀況，合理設(shè)計土釘規(guī)格，以此保證變形控制效果。

1.1.3 支檔型結(jié)構(gòu)

1.1.3.1 樁錨支護結(jié)構(gòu)

樁錨支護結(jié)構(gòu)含有擋土、外拉兩個部分。擋土墻組成中，主要利用鉆孔灌注樁施工而成。外拉體系含有拉桿部件、錨固裝置。樁錨支護結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出成本小、變形易控、結(jié)構(gòu)剛性高、工藝操作易學(xué)等技術(shù)優(yōu)勢。在施工期間，基坑內(nèi)無須設(shè)計支檔，操作空間較大，便于土方處理，能夠優(yōu)化用工方案，減少施工時間。樁錨支護結(jié)構(gòu)施工期間，需要保證土層、巖層的平穩(wěn)性，以此增強錨固質(zhì)量。如果地質(zhì)條件欠佳，極易出現(xiàn)樁錨結(jié)構(gòu)受損、傾覆等問題。樁錨支護結(jié)構(gòu)多用于施工區(qū)域較大的基坑項目。

1.1.3.2 樁撐支護結(jié)構(gòu)

樁撐支護結(jié)構(gòu)含有圍護、內(nèi)支護兩種組成。依照支護形式，含有水平、斜向兩種支撐形式。樁撐支護結(jié)構(gòu)使用時，平穩(wěn)性、抗壓性較好。技術(shù)不足表現(xiàn)為：①所需工期較長。②內(nèi)支護結(jié)構(gòu)規(guī)格較大，對于土方施工會形成一定干擾。③整體施工效率不高。④施工面較大時，需要設(shè)立內(nèi)部支護結(jié)構(gòu)，所需的技術(shù)支出較高。因此，樁撐支護結(jié)構(gòu)多用于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求較高的支護項目。

1.1.3.3 地下連續(xù)墻

使用機械設(shè)備開展鉆挖處理，采用泥漿護壁成膜形式，在溝槽內(nèi)設(shè)立鋼筋籠。在混凝土灌注處理下，形成連續(xù)的、閉合性較好的墻體。此結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出較強的擋土、擋水功能，水平、豎直兩個方向均能承受較大荷載作用，結(jié)構(gòu)安全性較強，對四周環(huán)境、設(shè)備形成的干擾性較小，適用于城市建筑項目較為密集的區(qū)域。

此結(jié)構(gòu)工藝的不足：一是所需施工時間較長、技術(shù)規(guī)范較多，需要人機聯(lián)合施工。二是工藝成本較高，會使用較多的材料，調(diào)運較多的設(shè)備。三是施工期間會形成較多的廢棄材料。因此，地下連續(xù)墻適用于環(huán)境條件欠佳的項目[1]。

1.2 巖溶地質(zhì)分析

可溶性巖石發(fā)生侵蝕可形成巖溶，巖溶是一種較為特殊的地質(zhì)特征。巖溶地層主要處于山脈多、水系資源富足、石灰?guī)r沉積量較大的區(qū)域。溶洞、地下空洞等各類地質(zhì)構(gòu)造，會增大巖溶區(qū)域施工的風(fēng)險，比如巖溶塌陷、支護結(jié)構(gòu)失效等。巖溶區(qū)域的建筑基坑施工條件欠佳。

在開展施工規(guī)劃時，需要勘探地質(zhì)情況，預(yù)測可能發(fā)生的各類地質(zhì)風(fēng)險。在城市交通體系發(fā)展期間，城市地下空間獲得了充分利用。在實際施工期間，引入了深基坑開挖的工程方法，是將開挖深度控制在7 m以內(nèi)的基坑任務(wù)。施工點位是將可能設(shè)在距離地表10 m以上的地下空間。

1.3 基坑四周結(jié)構(gòu)變形分析

1.3.1 三角形沉降

在圍護結(jié)構(gòu)嵌固段長度不足、基坑項目所在區(qū)域的土體強度不大時，基坑施工期間會引起圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。產(chǎn)生此種現(xiàn)象，主要是土體性能欠佳，無法承擔(dān)基坑開挖施工形成的應(yīng)力作用，引起圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，致使四周土體出現(xiàn)沉降現(xiàn)象[2]。

基于此，地表位置發(fā)生的最大沉降，主要分布在圍護結(jié)構(gòu)四周位置。在圍護沉降與基坑間距增加時，地表沉降量會逐步變小，沉降變化具有三角形分布特征。此類地表沉降現(xiàn)象，主要是土體開挖期間，承受了較大的剪力破壞作用，致使原有的抗剪強度變小，土體支撐力逐步降低，出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況。三角形沉降中，計算沉降量最大值的方法，見式（1）。

（1）

式中，ζmax表示基坑四周地表呈三角形沉降時的沉降最大值，單位為mm；Sw表示基坑內(nèi)部設(shè)立的支護結(jié)構(gòu)側(cè)向位置移動區(qū)域，單位為mm2；x表示基坑施工對四周區(qū)域形成干擾的范圍，單位為m。

1.3.2 凹槽沉降

在圍護組成嵌固區(qū)域長度較大、基坑項目四周土體強度較高時，基坑開挖期間，圍護組成中心處的變形量，會高于頂部、底部各個位置。此種變形特點，會降低圍護結(jié)構(gòu)四周的地表沉降量，而沉降最大的點與圍護組成有一定間隔區(qū)域，表現(xiàn)出凹槽形沉降狀態(tài)。

2 工程案例

武漢某新建地鐵車站基坑施工規(guī)劃時，四周存在現(xiàn)有的地鐵車站，將基坑劃分成兩部分。其中，南、北兩側(cè)基坑采取明挖施工方法，挖掘位置在25 m，至豎直向下（25+6）mm的區(qū)域。兩個地鐵線風(fēng)亭位置的基坑，開挖寬度分別為35.86 m、48.12 m，開挖深度分別為23.12 m、21.44 m。

項目現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)：基坑開挖區(qū)域的地層，主要成分為“中級風(fēng)化灰?guī)r”。在基坑開挖施工期間，會形成一定的荷載擾動作用，會打破土體結(jié)構(gòu)平衡性，致使出現(xiàn)溶洞塌陷問題，間接干擾著基坑結(jié)構(gòu)的平穩(wěn)性。為此，針對基坑底板下方區(qū)域的溶洞問題，開展對應(yīng)的處理，較為關(guān)鍵。地質(zhì)勘察期間，共發(fā)現(xiàn)5處溶洞，1號溶洞在基坑圍護之外，2號、3號溶洞在南側(cè)基坑區(qū)域，4號溶洞在北側(cè)基坑范圍，5號溶洞在基坑圍護樁之下。

3 有限元模型分析過程

3.1 創(chuàng)建模型

從更全面的角度，客觀描述基坑開挖對四周區(qū)域形成的干擾作用，認為基坑開挖的干擾區(qū)域，等同于開挖深度的3至4倍，由此確定模型的各個邊長。車站基坑橫穿現(xiàn)有地鐵線，含有南、北兩部分。南側(cè)基坑表現(xiàn)出梯形，西側(cè)基坑作為車站的主要區(qū)域。具體建模參數(shù)為：模型長邊為380 m、寬邊為200 m、高度為60 m。東側(cè)基坑建模數(shù)據(jù)為25 m（梯形長邊）、15 m（梯形短邊）、寬邊為27.5 m、坑深32 m。西側(cè)基坑建模數(shù)據(jù)為長邊168 m、寬邊處于22.2～42 m、坑深處于27～32 m。

3.2 模型分析結(jié)果

3.2.1 圍護變形情況

3.2.1.1 初開挖階段

在樁體深度改變時，圍護樁橫向位置的移動量會發(fā)生一定變化。在起初開挖環(huán)節(jié)中，基坑挖掘深度參數(shù)設(shè)計為2.63 m。在處理溶洞前期，圍護樁橫向位移變動量的最大值為0.58 mm。溶洞處理完成時，圍護樁橫向位置的變動量最大值為0.47 mm，減少了0.11 mm。產(chǎn)生較大位移的點處于樁頂位置，此處未設(shè)橫向支護結(jié)構(gòu)?；诖?，樁身在缺少內(nèi)撐結(jié)構(gòu)時，承受懸臂受力，其變形最大點位于樁頂。此處位移具有三角形變化特點。

3.2.1.2 第二個開挖階段

在第二個開挖階段中，土方挖掘點在地下20.88 m位置。在溶洞處理后，圍護樁橫向移動量的最大值，從處理前的14.56 mm，減少至3.55 mm，位置變動量減少了11.01 mm。位移最大的點發(fā)生在樁深11.86 m位置。在繼續(xù)開展土方開挖施工時，平行方向位移最大的點位，會逐步向下變化。在此開挖環(huán)節(jié)中，添加了首個內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，對于橫向位移具有一定約束作用，以此減少了支護結(jié)構(gòu)變形量。在基坑下方，未添加內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)時，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的橫向位移量較大。

3.2.1.3 第三個開挖階段

在土方開挖的第三個階段，土方挖掘點距離地表有33 m。在溶洞處理之前，此處支護結(jié)構(gòu)橫向位置變動的最大值為25.42 mm。在溶洞處理后，此處位移量變?yōu)?1.68 mm，位移量減少了13.76 mm。在土方開挖施工完成時，支護結(jié)構(gòu)底部產(chǎn)生的橫向移動量較大，在第二個平行支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計后，土方挖掘至最低點時，支護結(jié)構(gòu)的橫向位置形態(tài)為“B”。

在水平方向上設(shè)立支撐結(jié)構(gòu)，能夠在一定程度上，減少支護結(jié)構(gòu)形成的位置變化量。溶洞處理之前，結(jié)構(gòu)的橫向位置變化量，達到預(yù)警參數(shù)24 mm。溶洞處理完成后，橫向位移量處于允許值范圍內(nèi)，尚未達到位移預(yù)警條件。

3.2.2 現(xiàn)有車站變形情況

現(xiàn)有地鐵車站處于運行狀態(tài)，應(yīng)嚴(yán)加控制鄰近車站主體結(jié)構(gòu)的受力形變量，使其保持較好的工況。在處理溶洞前后的兩個時間段，基坑開挖施工活動，引起地鐵車站豎向位置變動量，表現(xiàn)出一定差異性。當(dāng)土方開挖至離地33 m位置時，能夠發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有地鐵車站豎向方向的受力，主要分布在主體基坑、站點匯聚區(qū)的兩個位置。此種受力現(xiàn)象，可回顧施工初期階段，基坑開挖至離地3 m位置時，基坑挖掘點與車站頂板尚有較長距離，此時形成的干擾作用，可忽略不計。在基坑開挖量增大時，現(xiàn)有車站土體會出現(xiàn)卸載情況，會引起主體結(jié)構(gòu)施工面凸起的現(xiàn)象，間接降低了四周構(gòu)筑物的平穩(wěn)性，引起車站出現(xiàn)向下形變情況[3]。

基坑開挖至最后階段時，在未處理溶洞時，車站豎直方向產(chǎn)生的變形量，相比允許值多出了0.4 mm。在溶洞處理完成時，車站豎向位置下沉量的最大值為4 mm，相比處理之前減少了25%。由此可知：采取溶洞處理措施，能夠有效控制坑底豎向變形量，以此減弱基坑開挖施工對四周地鐵車站形成的干擾作用。由于主體基坑規(guī)格較大，在開挖施工期間，對四周構(gòu)筑物形成的干擾作用更為明顯[4]。為此，現(xiàn)有地鐵車站的位移最大值，會發(fā)生在主體基坑鄰近的位置。

4 監(jiān)測分析

在布設(shè)基坑監(jiān)測方案時，橫向、豎向各設(shè)計3個測點。在車站區(qū)域內(nèi)，采取20 m/個測點的形式，合理設(shè)計監(jiān)測點。從全面監(jiān)測角度出發(fā)，基坑的東西方向各設(shè)計10個監(jiān)測點。在基坑開挖的初始階段，圍護樁橫向發(fā)生的變形，主要表現(xiàn)為三角形，橫向位移最大值為0.49 mm，此問題出現(xiàn)在樁頂。在基坑挖掘深度增加至21 m時，添加了首個橫向支撐結(jié)構(gòu)，圍護樁橫向位置變動量具有“凹槽”特點。位移最大值測得結(jié)果為2.79 mm，主要出現(xiàn)在樁深11 m位置。在挖坑第三階段，橫向位置變動量逐步增加，位置最大值增加至7.89 mm，處于樁深23 m位置。而基坑圍護樁橫向位置變動量的預(yù)警參數(shù)為24 mm。由此可知：各項位移測值均小于24 mm，處于允許范圍內(nèi)。

支護結(jié)構(gòu)橫向位置的變動，共有3個流程，采取現(xiàn)場檢測與模擬數(shù)據(jù)對比分析的形式，對比結(jié)果見表1。數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)：數(shù)據(jù)模擬結(jié)果與實際檢測數(shù)據(jù)存在一定差別，最大位置的點位一致。第二、三階段的實際檢測結(jié)果比數(shù)據(jù)模擬結(jié)果略小。尤其在第三階段，數(shù)據(jù)模擬結(jié)果為11.68 mm，實際監(jiān)測結(jié)果是7.89 mm，數(shù)據(jù)相差了3.79 mm。而實際觀測、有限元模擬的結(jié)果，均處于24 mm警戒值以內(nèi)。

5 結(jié)束語

基坑結(jié)構(gòu)類型較多，變形特征主要有“三角形”、“凹槽”兩種。在武漢一個巖溶區(qū)的基坑項目分析中，對于四周地鐵形成的干擾中，出現(xiàn)了車站豎向下沉、圍護結(jié)構(gòu)橫向位移情況。采取有限元分析、現(xiàn)場監(jiān)測兩種措施，對比車站、圍護的變形情況。實踐發(fā)現(xiàn)：①溶洞處理，有助于控制車站、圍護的變形量，減少其發(fā)生位置變化量。②有限元分析與實際監(jiān)測結(jié)果存在較小差異，測得結(jié)果均小于24mm位移預(yù)警值。由此說明：基坑支護與溶洞處理的聯(lián)合工藝，有助于增強車站、圍護的穩(wěn)固性，使其位移量處于安全范圍。

參考文獻

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