在城市复杂地况下进行地铁建设已成为常见现象。随着地铁车站规模的不断扩大和加深,受限的施工空间及复杂的外部环境使得基坑开挖过程中的变形控制显得尤为重要
[1-3]。尤其是在富水砂性地区施工超大狭长形异形地铁车站基坑,其开挖时的变形规律具有重要的研究意义。
基坑开挖对围护结构的影响一直是岩土工程领域备受关注的问题,众多学者通过数值模拟、实地监测、人工智能等方式,展开对其全方位、系统性的探索。王才生等
[4]基于监测数据分析了深圳市填海区28 m超深基坑地下连续墙的变形、内支撑轴力、地表沉降等关键参数的变化规律;Li等
[5]、Zhang等
[6]通过总结各类深基坑施工过程中支护结构的变形特征,得出深基坑开挖过程中支护结构变形的一般规律为从顶部向下逐渐增大,最大变形深度约为开挖深度的一半;万晶等
[7]、王龙等
[8]、徐凯等
[9]、任晓敏等
[10]、刘学明等
[11]、李刚等
[12]依据不同地区基坑开挖现场监测数据,分析了基坑围护结构的侧向位移、地表沉降、水位变化以及周边建筑沉降等变形规律;臧延伟等
[13]基于PLAXIS软件构建地铁车站基坑变形的二维有限元模型,研究发现,围护结构变形曲线呈“抛物线”形,表现为“中间大,两边小”的单峰值形态(约0.5倍的开挖深度);不同基坑宽度下,地表沉降峰值与软土层厚度呈线性关系;王位赢等
[14]基于数值模拟和现场监测,发现基坑开挖变形的规律为:偏压荷载下,基坑开挖深度增加导致围护结构内力和位移增大。地表竖向位移呈“凹槽”形,主动压力侧沉降大于被动侧。桩体整体向被动侧偏移,主动侧桩体向基坑内侧偏移,变形曲线呈“勺”形。朱彦鹏等
[15]基于现场监测,研究了高水位红砂岩地层基坑降水开挖所引起的变形模式,发现随着基坑开挖深度的加深,桩体最大水平位移的位置逐渐向下移动,最终稳定在基坑底部上方1~2 m处。同时,地表最大沉降值出现在距离基坑边缘5~7 m的位置,相当于基坑开挖深度的0.29~0.41倍;梅源等
[16]研究西安地铁车站深基坑开挖过程中桩体侧移、地表沉降等时空演变规律,在特定范围内,提高支护桩的刚度和插入比可以有效控制基坑变形。
南昌是典型的富水砂性地层地区之一。富水砂性地层一般表现出地下水位高、渗透性强、无黏聚力等特点,在基坑开挖过程中易出现墙体接缝处渗漏等问题。中外学者对富水砂性地层基坑开挖变形特性进行了广泛研究,但对在富水砂性地层的超大型异形深基坑开挖变形规律研究较少。为此,以南昌地铁2号线胡坊站深基坑工程为工程背景,通过分析围护结构侧向位移、地表沉降、地下水位变化以及邻近建筑物沉降等监测数据,分析富水砂性地层中超大型异形深基坑在开挖过程中的变形规律,旨在为同类地质环境下基坑施工提供数据支撑和理论依据。
1 工程概况与地质条件
1.1 工程概况
胡坊站位于广州路与规划滨湖大道路交叉口,车站主体结构沿广州路呈东西向布置。车站结构设计为地下三层岛式站台车站,车站主体结构包含东西端头井和标准段,车站总长631.9 m,标准段宽22.9 m,标准段基坑深约25.22 m。基坑平面及测点布置如
图1所示。
1.2 地质条件
根据地层的地质时代、成因类型、岩性特征、风化程度等工程特性,将场地内揭露的岩土层分为①第四系全新统填土层(Q4ml)和植物层(Q4pd)、②第四系全新统湖积层(Q4l)、③第四系上更新统冲积层(Q3al)、⑤古近系新余群基岩(Exn)。
其中填土层主要为杂填土;冲积层包括粉质黏土、中砂、砾砂、圆砾等砂层;基岩层则包括强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩。基坑场地的土层分布及其物理力学特性参数详如
表1所示。
2 基坑支护方案
基坑横断面图如
图2所示,基坑采用明挖顺作法施工,胡坊站地下三层主体围护结构采用1 000 mm地下连续墙,地下二层部分采用800 mm地下连续墙。地下两层部分沿竖向设3道支撑;地下三层部分沿竖向设4道支撑(两层与三层分界位置增设一道换撑)。第一道支撑除注明外均为800 mm×1 000 mm砼支撑;第二、三、四道支撑采用钢支撑处,钢支撑为800 mm(
t=16/20,Q355B),第二、三、四道支撑采用混凝土支撑处,砼支撑截面为1 000 mm×1 000 mm。
3 基坑施工及监测方案
3.1 施工方案
该基坑开挖采用明挖顺作法,采用地下连续墙+内支撑围护方案,整个开挖过程分3个阶段进行施工,基坑主体结构施工顺序为:分层分段开挖,从两端向中间双向进行。基坑施工各工况如
表2所示。
在基坑的纵向施工中,采取从西向东的方向,使用挖掘机进行放坡分层倒退式开挖,每段纵向分区的长度控制在10 m以内;基坑的竖向开挖划分为4个主要层次,每个主要层次再细分为若干个子层,每个子层的开挖深度不超过3 m。
在进行土方开挖时,围护结构的强度必须达到设计强度的100%,混凝土支撑的强度也需要达到100%,同时,地下水控制必须符合开挖的要求。施工应遵循“纵向分段、竖向分层、自上而下、中间拉槽、先支撑后开挖”的原则,严禁超挖行为。
3.2 监测方案
3.2.1 监测目的
基坑施工过程中,支护结构的变形和对周围环境的影响成为工程控制的重点。故选取地下连续墙的侧向位移、周围地表沉降、邻近建筑物沉降以及地下水位变动等典型数据进行分析探讨。
3.2.2 监测项目和监测仪器
各监测项目以及对应所需的仪器和精度要求如
表3所示。
开挖期间,每日一测,遇高风险工况(如暴雨、超挖等)时监测频率为每日2、3次;架设支护结构时监测频率为2、3日一测,重点监测内支撑轴力的变化情况。
3.2.3 各监测项目预警值
根据《建筑基坑工程监测技术规范》,各监测项目的预警值如
表4所示。
4 监测结果分析
4.1 侧向位移
评价基坑质量的关键指标是基坑围护结构的变形。根据工程特征,选取了基坑东部端头井、西部端头井、中部异形角、标准段等典型位置进行围护结构水平位移监测。
如
图3所示为基坑开挖至坑底过程中各特征位置的地下连续墙侧向位移变化情况。基坑开挖过程中,土的卸载导致了土压力由静止状态向主动状态演变,引起墙体向基坑内变形。随着开挖深度的增加,墙体水平位移逐渐增大,当开挖深度达到15 m时,基坑内的支撑结构开始发挥作用,表现为墙体水平位移随着开挖深度的增加达到峰值后逐渐减小。为防止开挖过程中围护结构变形过大,从而导致整个基坑支护体系失稳,在施工过程中及时架设支撑,并时刻对基坑进行监测
[17]。
从整体看可见,墙体的侧向位移随着墙体的深度呈“弓”字形变化趋势,位移峰值出现在墙体深度约15 m(0.5
H,
H为基坑开挖深度)处,中间区域的土体因应力释放集中,形成“拱效应”破坏,从而加剧地连墙向坑内的位移。墙体侧向位移峰值表现为标准段>端头井>异形角,其中西部标准段的墙体侧向位移峰值最大,为20.32 mm(0.67%
H),与Ou等
[18]基于实测数据研究基坑支护结构最大水平位移与基坑开挖深度
H的关系相符合。此外,侧向位移均在30 mm的监测预警值以下,说明基坑地下连续墙的形变得到良好控制。
如
图4所示为地下连续墙的最大侧向位移
δhm与基坑开挖深度
H之间的关系。可见,在富水砂性地层中,
δhm介于0.014 6%
H~0.13%
H,其平均水平为0.059%
H。与上海软土地区采用顺作法施工的
δhm统计范围0.1%
H~1%
H相比,这一数值显著较低
[19]。
当开挖深度达到15 m时,地下连续墙的侧向位移峰值基本保持不变。此时支撑系统发挥有效作用,抑制了后续墙体的变形,同时也展现了分层分段开挖、先撑后挖的优势所在,即墙体在基坑初挖阶段就已充分释放部分形变,后续开挖时其时空效应叠加较小。在同一开挖深度下,基坑标准段的墙体侧向位移普遍大于端头井和异形角区域的侧向位移。这一差异可归因于端头井和异形角位置的空间约束效应,该效应在某种程度上抑制了围护结构侧向变形的扩展。
地下连续墙的最大侧向位移点
Hm是评估基坑变形程度的重要参数,它与墙体后方地表的沉降形态及其影响范围密切相关。在最大侧向位移值相同的情况下,位移位置越靠近墙底,相应的地表沉降影响区域就越宽泛
[20]。
如
图5所示为地下连续墙最大侧向位移的位置
Hm与开挖深度之间
H的关系,可知,基坑开挖导致的地下连续墙最大侧向位移点发生在基坑开挖深度(
H-20 m)~(
H+15 m)范围内。各区域连续墙最大侧向位移基本集中在基坑开挖深度10~15 m。当开挖深度达到10 m时,连续墙最大侧向位移的位置基本保持稳定。
墙体深度15 m处的水平位移历时曲线如
图6所示。可见,待基坑开挖至7.6 m深度(开挖12~18 d)后,侧向位移迅速增大,这是由于基坑开挖卸荷状态下,深层土体因应力释放产生侧向回弹变形。此时正好开挖至粉质黏土土层,卸荷过程可能引发吸水膨胀,从而进一步增大位移。基坑开挖完成并底板浇筑后,围护结构侧向位移趋于稳定,此时围护结构与底板形成整体,使侧向移位发展得到有效控制。此外,不同特征位置下,异形角处位移最小且变化最为平缓,可见异形角处的空间角效应比端头井处更为明显,具有更好的变形约束能力。
4.2 地表沉降
为确定基坑开挖对地表沉降的影响范围和最大沉降位置,选取DBC4、DBC7、DBC13、DBC15、DBC31、DBC36这一系列监测点的数据进行了详细分析。
如
图7所示为基坑背后地表的沉降分布情况。可知,基坑开挖造成的地表沉降影响范围在30 m以内,约为1.0倍开挖深度,与研究结论相一致。沉降峰值出现距基坑约8 m处,约为0.27倍开挖深度。
DBC4系列是西部端头井地表沉降监测点,其沉降历时曲线如
图8所示。可见,富水砂性地层条件下,靠近基坑8 m范围内的地表呈沉降趋势,远离基坑8 m的地表呈隆起的变化趋势。其中监测点DBC4-8离基坑边缘最远,在开挖后期呈趋于稳定变化的趋势,与其他监测点的沉降规律不一致。远离基坑区域的地表沉降程度通常低于接近基坑的地表,这表明地表沉降现象随着与基坑距离的减小而变得更加显著。同时,这一组监测点在中后期的数据变化较为剧烈。这种变化主要是由于在该监测点附近中后期出现了堆载活动,堆载增加了地面承受的荷载,从而导致地面沉降的幅度加剧。
DBC13系列为中部异形角地表沉降监测点,其沉降历时曲线如
图9所示。可见,中部异形角处的地表沉降值呈前期趋于平稳变化、中期呈线性增长、后期又趋于平稳变化的趋势。前期开挖深度较小,受异形角处空间效应的作用使得地表沉降趋于稳定变化且沉降值较小,中期该系列监测点附近出现了大型机器施工,增大了地面的荷载,从而导致沉降呈线性增加的趋势,后期开挖支护基本完成,地表沉降趋于稳定变化。
DBC36系列是东部端头井地表沉降监测点。其沉降历时曲线如
图10所示。可看出,地表沉降的峰值出现在开挖后期阶段,最大沉降值为7.33 mm。整体地表沉降变化趋势和西部端头井处相似。
DBC7系列是标准段地表沉降的监测点。从如
图11所示标准段地表沉降可以看出标准段处的地表沉降值比端头井和异形角处要大,最大沉降值为10.82 mm。整体地表沉降变化趋势为先增后趋于平稳,前期地表沉降随开挖深度的增加而增加,直至开挖后期,架设的支撑结构发挥作用,使得地表沉降趋于稳定变化。
此外,该系列监测点的地表竖向位移都在-35~10 mm控制范围内。
4.3 建筑物沉降
周边建筑物沉降监测数据如
图12所示。可见,在开挖初期,建筑物沉降量变化较为平缓;在开挖中后期,基坑周边出现动态荷载或土方堆载情况,从而导致建筑物沉降量的增加。其中,由于监测点JGC-1和JGC-3距基坑边缘更近,其沉降量最为明显,沉降值最大可达3.15 mm,而JGC-6和JGC-7由于离基坑边缘较远,沉降量则变化不大。从
图12中还可看出,在开挖35 d左右时,监测点JGC-1、JGC-3、JGC-4、JGC-7处出现人为堆载情况,导致沉降量呈先增后减的趋势。
可知,基坑开挖引发的沉降模式大体一致,表现为靠近基坑一侧的沉降较为显著,而远离基坑一侧的沉降相对轻微,整体呈现向基坑方向倾斜的变形特征。所有监测点的沉降值均未超过-35~10 mm的预警值,可见建筑物沉降量均在可控范围内。
4.4 地下水水位变化
本工程所处地层主要为较强透水性的砂层,地下水水位在底板以上5~8 m,下部砂层水量丰富,车站主体、附属基坑开挖过程中必须持续降水,采用坑内降水保证地下水位低于开挖面2 m以下。
由
图13~
图16可知,西部端头井的地下水水位在0~0.35 m范围内波动,东部端头井、中部异形角、标准段处的地下水水位变化幅度均不大,在0~0.2 m范围内波动。所有监测点的水位变化均未超过1 m的监测预警值范围,这表明在施工过程中实施的坑内降水(管井降水)措施取得了显著成效。
5 结论
(1)在富水砂性地层中,地下连续墙最大侧向位移δhm在0.014 6%H~0.13%H,均值约为0.059%H,最大位移位置位于(H-20 m)~(H+15 m)。
(2)基坑开挖引起的地表沉降影响范围在30 m以内,最大沉降发生在距基坑约8 m处。实时监测地表沉降有助于控制施工机器和堆载对沉降的影响,保持在可控范围内。
(3)通过对邻近建筑物的持续监测,能够实时了解建筑物的状况,指导施工活动,确保对周边建筑物的影响保持在可控制水平。
(4)由于富水砂性地层地下水位高且渗透性强,施工中采用坑内降水措施能有效控制地下水位,确保施工安全。
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