摘要:研究目的:對(duì)某大型地鐵車站深基坑開挖過程中的軟弱場地變形監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)基坑開挖引起的地面沉降、墻體水平位移和立柱樁體沉降的時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行了整體分析，尤其是對(duì)不同基坑開挖深度對(duì)基坑變形速度的影響規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。相關(guān)的結(jié)論和建議對(duì)城市軟弱地基內(nèi)地鐵車站深基坑的變形監(jiān)測方案設(shè)計(jì)、施工組織設(shè)計(jì)和施工安全控制等都具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

      研究結(jié)論:( 1) 在深軟場地深基坑開挖完成后地鐵車站主體結(jié)構(gòu)施工過程中拆撐可能造成地面的沉降比基坑開挖過程中產(chǎn)生的累積沉降還要大，應(yīng)加強(qiáng)地鐵主體結(jié)構(gòu)施工過程中地面的沉降觀測; ( 2) 基坑側(cè)壁水平累積位移與每次開挖土層厚度及其土層性質(zhì)關(guān)系密切，隨著開挖土層埋深的增大，基坑側(cè)壁水平累積位移累積速度明顯加快; ( 3) 當(dāng)基坑開挖深度有較大差異和基坑底部土層厚度分布極不均勻時(shí)，應(yīng)考慮驗(yàn)算立柱樁的差異沉降; ( 4) 軟弱場地深基坑工程開挖引起的場地變形時(shí)空效應(yīng)非常明顯，隨著開挖的進(jìn)行，應(yīng)沿縱向按限定長度逐段開挖，在每個(gè)開挖段分層、分小段開挖。

關(guān)鍵詞:地鐵車站; 基坑開挖; 現(xiàn)場監(jiān)測; 軟弱場地

 

      城市大型復(fù)雜地下工程結(jié)構(gòu)的施工將對(duì)周圍城市生命線工程和地面結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，大型復(fù)雜地下工程的超大規(guī)模施工開挖，直接破壞周圍地基的原應(yīng)力平衡場，引起周圍地基土體的大變形，從而導(dǎo)致周圍城市生命線的斷裂或爆炸，以及地下結(jié)構(gòu)周圍的地面沉降。

      在大型地下結(jié)構(gòu)深開挖過程中地基的沉降與變形主要是由兩個(gè)方面造成的，一方面是開挖引起地基應(yīng)力狀態(tài)的改變而產(chǎn)生的沉降和變形; 另一方面主要是由于地下降水導(dǎo)致地面沉降及其對(duì)環(huán)境的影響^［1］。目前對(duì)該問題的研究手段主要為現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬研究^{［2 －7］}，通常的做法是首先對(duì)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，在此基礎(chǔ)上采用數(shù)值計(jì)算方法建立力學(xué)分析模型，然后通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)之間的對(duì)比分析，驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可行性和可靠性。但是，到目前為止，由于數(shù)值計(jì)算方法對(duì)工程實(shí)際情況的模擬存在諸多急需解決的難題，因此，工程上主要還是采用現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)對(duì)深開挖引起的環(huán)境效應(yīng)進(jìn)行監(jiān)控，通過不斷對(duì)不同時(shí)刻監(jiān)測數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息反饋，對(duì)施工過程、施工工藝和相關(guān)設(shè)計(jì)做出應(yīng)有的變更和工程事故應(yīng)急措施。雖然現(xiàn)場施工監(jiān)測能夠有效地獲得動(dòng)態(tài)施工效應(yīng)的信息，但無法對(duì)工程施工的不確定因素進(jìn)行有效的預(yù)測與控制，往往會(huì)導(dǎo)致工程事故應(yīng)急措施的失效和工程造價(jià)的失控。造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。因此，如何有效的結(jié)合數(shù)值計(jì)算預(yù)測方法和必要的現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)仍是近階段該課題急需解決的問題。

      本文基于上海深厚軟弱地基上某大型地鐵車站深開挖的實(shí)際工程為背景，對(duì)開挖過程中獲得的場地變形實(shí)際監(jiān)測資料進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)與分析，對(duì)該深基坑開挖引起的場地變形時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，以此為基礎(chǔ)，為下一步進(jìn)行該工程深開挖的數(shù)值模擬分析與研究提供必要的指導(dǎo)和論證。

 

      擬建車站北端是道路，路北側(cè)為居民住宅; 車站東端為大型購物超市和某公司貨棧; 以南為現(xiàn)狀火車站貨場。場地內(nèi)原有儲(chǔ)油設(shè)施、運(yùn)輸軌道、軌道和各種管道等已全部移走，原有建筑物也已被全部拆除并經(jīng)過平整，整個(gè)地塊已用圍墻圈定作為開發(fā)用地。該車站主體為地下雙層島式車站，沿線路呈南北走向，車站全長約 489 m，車站結(jié)構(gòu)頂板覆土厚度為 2． 5 m，換乘處結(jié)構(gòu)底板埋深約 22 m，從換乘處往南約 150 m 底板埋深約 16 m，再往南直到車站里程終點(diǎn)處底板埋深約26 m。車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，47 軸以南墻厚1 000 mm，47 軸以北墻厚 800 mm。車站采用明挖法施工，即開挖至坑底后順筑車站底板、中板、頂板、內(nèi)襯和其他結(jié)構(gòu)，基坑第一道支撐主要采用間距為9 m的800 mm × 800 mm 的鋼筋混凝土支撐，第二道 ～ 第六道支撐采用間距為 3 m 左右的直徑為 609 mm 的鋼管支撐。車站所在場地地質(zhì)條件如表 1 所示，其中④₁層灰色淤泥質(zhì)黏土，具有高含水量和大孔隙比、高壓縮性和低強(qiáng)度、高靈敏度和弱滲透性，易在臨空面處因流變而產(chǎn)生較大的變形，埋深約 7 ～8． 5 m，層厚約 8 ～9m 左右; ④₂層灰色砂質(zhì)粉土為粉性土，在一定動(dòng)水壓力條件下易產(chǎn)生流砂、管涌等現(xiàn)象，埋深約 16 ～17 m，厚度約 5 ～7 m; ⑤_{1 － 1}層灰色粉質(zhì)黏土均屬高壓縮性軟黏性土，靈敏度高、強(qiáng)度低( 擾動(dòng)后強(qiáng)度更低) ，易在臨空面處因流變而產(chǎn)生較大的變形，埋深約 21 ～ 23 m，厚度約 4 ～6 m; ①₂層為地表暗浜填土，最大深度 4． 5m，呈灰黑色，含有機(jī)質(zhì)、生活垃圾、磚塊、煤渣、石塊、混凝土塊等，土質(zhì)松散。

      車站采用明挖法施工，第一道混凝土支撐完成施工完后才開始第二批土的開挖，開挖順序?yàn)閺?57( c)軸到 37 軸的開挖方向，第二批土開挖近一半時(shí)開始開挖第三批土，第三批土開挖接近一半時(shí)開始第四批土的開挖，第四批土完全開挖后才進(jìn)行第五批土的開挖，待第五批土開挖完成后再進(jìn)行第六批土的開挖。根據(jù)車站結(jié)構(gòu)的縱斷面特點(diǎn)及其工程地質(zhì)特點(diǎn)，采用如表 2的基坑施工開挖工序。

      本工程段分別設(shè)置了 23 個(gè)圍護(hù)墻頂沉降位移監(jiān)測點(diǎn)、23 個(gè)圍護(hù)墻體水平位移監(jiān)測點(diǎn)、6 個(gè)坑外地下水位監(jiān)測孔、12 個(gè)立柱沉降監(jiān)測點(diǎn)、30 個(gè)地表沉降監(jiān)測點(diǎn)、16 個(gè)導(dǎo)墻監(jiān)測點(diǎn)、4 個(gè)土體回彈監(jiān)測點(diǎn)和 27 個(gè)支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)的布置圖如圖 1 所示。

 

      基坑開挖引起的地面沉降往往對(duì)鄰近建筑物地基產(chǎn)生不良影響，主要表現(xiàn)為鄰近地面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻沉降裂縫或更為嚴(yán)重的地面建筑物倒塌。本工程根據(jù)基坑平面分布特征和工程地質(zhì)條件，沿基坑長邊共布置了三個(gè)斷面的地面沉降觀測面。以 40 mm 為地面沉降報(bào)警值，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，在第六批土挖完時(shí) J7 －2監(jiān)測點(diǎn)的地面沉降實(shí)測值超過了報(bào)警值，在基坑回填前，J7 －1 ～ J7 －3 和 J8 －1 ～ J8 －4 監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)測值都超過了報(bào)警值，且這些點(diǎn)都位于基坑的最南側(cè)觀測斷面上，主要原因?yàn)樵撚^測斷面的上部地層正好穿越約4． 5 m 厚的暗浜，因暗浜填土土質(zhì)松散，基坑開挖時(shí)容易產(chǎn)生土體坍方和流變現(xiàn)象，對(duì)淺部基坑開挖穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響，設(shè)計(jì)、施工時(shí)須引起注意，同時(shí)，該處開挖深度為最深( 約 22 m) 。

      圖 2 ～ 圖 4 給出了不同開挖深度時(shí)三個(gè)觀測斷面上地面沉降曲線，由圖可知，由于受到地下連續(xù)墻的影響，離基坑壁最近的觀測點(diǎn)的沉降相對(duì)較遠(yuǎn)觀測點(diǎn)的沉降要小，其他觀測點(diǎn)的沉降基本都是隨著與坑壁距離的增大而逐漸減小。隨著開往深度的增加，各點(diǎn)沉降實(shí)測值基本都是增大的。沉降梯度較大的區(qū)域主要位于距離基坑 14 ～24 m 范圍內(nèi)。圖 5 給出了最終沉降較大的觀測點(diǎn) J7 － 2 和 J8 － 2 的地面沉降時(shí)程曲線，由圖可知，第 2 批土和第 6 批土的開挖對(duì)地面該兩點(diǎn)的沉降影響明顯比其他四次開挖要大，同時(shí)，在基坑第六批土開挖結(jié)束之后在 J7 －2 點(diǎn)的沉降觀測值發(fā)生了明顯的快速增長，主要與在該觀測斷面南部近 56 ～57c 軸處發(fā)生明顯的流砂現(xiàn)象有關(guān)，同時(shí)也與該處的底板澆筑較遲有關(guān)。

      根據(jù)地下連續(xù)墻的水平位移可以預(yù)測基坑側(cè)面地基的水平向變形和間接評(píng)價(jià)基坑地下連續(xù)墻的彎矩值，從而動(dòng)態(tài)控制基坑開挖對(duì)側(cè)向地基中地下管線的破壞和基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞等，本工程沿著地下連續(xù)墻每隔 6 m 左右的距離共布置了 23 個(gè)測斜孔，且都盡量避開支撐預(yù)埋件的位置。根據(jù)工程規(guī)定，測斜孔觀測值的報(bào)警值為日變化量為 3 mm，累計(jì)變化量為59 mm。根據(jù)實(shí)測結(jié)果，CX18 孔在開挖第六批土剛完成時(shí)在 － 21 m 處的水平累積位移為 62． 55 mm，超過報(bào)警值，以后隨著第 6 批土的不斷向南開挖，CX17 ～CX13 孔的水平位移累計(jì)值依次超過報(bào)警值，總的累積水平位移最大值也由 CX18 孔轉(zhuǎn)移到 CX15 孔的－ 21 m 處，最大累積水平位移為 73． 42 mm。

      圖 6 給出了分別位于不同觀測斷面處的測斜孔位置土體開挖完后最終水平累積位移曲線，由圖可知，同一觀測斷面處的基坑兩側(cè)壁的最終水平位移累積曲線相差不大，但不同觀測斷面處的最終水平位移累積曲線相差較大，主要影響因素為基坑的開挖深度不同，其次為該處土層條件也有一定的影響。圖 7 和圖 8 分別給出了不同位置測斜孔的水平位移位移累積曲線隨開挖深度變化而變化的情況，可以看出，第 4 批土和第5 批土的開挖對(duì)基坑側(cè)壁的水平位移的影響明顯比前三批次土的開挖影響要大，同時(shí)第 5 批次土的開挖明顯比第 4 批次土的開挖影響要大的多，根據(jù)分析，基坑側(cè)壁水平累積位移與開挖深度和每次開挖土層性質(zhì)關(guān)系密切，第4 批次和第5 批次開挖的土層為④₁層灰色淤泥質(zhì)粘土，易在臨空面處因流變而產(chǎn)生較大的變形。同時(shí)，隨著開挖土層埋深的增大，基坑側(cè)壁水平累積位移累積速度明顯加快。圖 9 給出了位于 48 軸斷面處在第 5 批土開挖過程中 CX23 測斜孔實(shí)測水平位移位移累積曲線的變化規(guī)律，由圖可知，隨著土層開挖接近48 軸時(shí)，水平位移位移累積值逐漸變大，且增加速度越來越快，當(dāng)土層開挖超過 48 軸時(shí)水平位移累積值繼續(xù)增大且增大速度也較快，當(dāng)隨著土層開挖至距離 48軸較遠(yuǎn)的 52 軸時(shí)與較近的 50 軸的水平位移位移累積曲線基本重合，即水平位移累積曲線趨于穩(wěn)定。

      立柱起到把基坑內(nèi)支撐的自重傳到立柱樁上承擔(dān)，在該豎向荷載作用下，立柱樁將產(chǎn)生一定的沉降，該沉降變形將對(duì)基坑內(nèi)支撐的穩(wěn)定性產(chǎn)生必然的影響，將導(dǎo)致內(nèi)支撐產(chǎn)生偏心受壓，甚至產(chǎn)生基坑內(nèi)支撐的失穩(wěn)。本工程共設(shè)置了 12 個(gè)立柱沉降觀測點(diǎn)，立柱累積沉降的報(bào)警值定為 20 mm，根據(jù)實(shí)測結(jié)果，LZ5 ～LZ10 的實(shí)測立柱累積沉降于第 4 批土開挖完后都達(dá)到了報(bào)警值，且 LZ10 的沉降最大。但隨著第五批土開挖完，LZ2 ～ LZ10 的累積沉降都超過了報(bào)警值，且LZ5 的累積沉降值最大，達(dá)到 33． 58 mm，根據(jù)立柱樁的樁長設(shè)計(jì)結(jié)果，LZ5 ～ LZ10 處的立柱樁進(jìn)入⑦₁層的長度明顯比 LZ1 ～ LZ4 的要短很多，從而導(dǎo)致立柱樁側(cè)土層所提供的摩阻力明顯要小，從而導(dǎo)致 LZ5 ～LZ10 處的立柱樁的沉降相對(duì)偏大。

      圖10 給出了不同開挖批次下立柱樁的累積沉降變化曲線，隨著開挖深度的增加，立柱樁的沉降值也越來越大，尤其是第5 批土開挖完時(shí) LZ4 和 LZ5 的沉降差達(dá)14． 32 mm，這將對(duì)該部位的內(nèi)支撐產(chǎn)生較大的影響。

 

      本文對(duì)深厚軟弱地基上某大型地鐵車站深基坑開挖的變形監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了分析，對(duì)土體不同開挖批次條件下基坑周圍地面的沉降、基坑側(cè)壁水平位移和立柱沉降的變化規(guī)律進(jìn)行了對(duì)比分析，根據(jù)分析結(jié)果，得出如下的結(jié)論與建議:

      ( 1) 深基坑深層土的開挖對(duì)地面沉降的影響相對(duì)較大，尤其是深土層開挖過程中應(yīng)及時(shí)加撐和加快車站結(jié)構(gòu)底板的施工速度。同時(shí)，在基坑開挖完后地鐵車站主體結(jié)構(gòu)施工過程中拆撐施工可能造成地面的沉降比基坑開挖過程中產(chǎn)生的累積沉降還要大，應(yīng)加強(qiáng)地鐵主體結(jié)構(gòu)施工過程中地面的沉降觀測和合理施工;

      ( 2) 基坑側(cè)壁水平累積位移與開挖深度和每次開挖土層厚度及其土層性質(zhì)關(guān)系密切，隨著開挖土層埋深的增大，基坑側(cè)壁水平累積位移累積速度明顯加快;

      ( 3) 立柱樁的設(shè)計(jì)要充分考慮樁側(cè)土體工程地質(zhì)條件，當(dāng)基坑開挖深度有較大差異和基坑底部土層厚度分布極不均勻時(shí)，應(yīng)考慮驗(yàn)算立柱樁的差異沉降;

      ( 4) 基坑工程開挖引起的場地變形時(shí)空效應(yīng)非常明顯，隨著開挖的進(jìn)行，應(yīng)沿縱向按限定長度逐段開挖，在每個(gè)開挖段分層、分小段開挖，隨挖隨撐，按規(guī)定時(shí)限開挖，及時(shí)安裝支撐并施加預(yù)應(yīng)力，按規(guī)定時(shí)間施工底板鋼筋混凝土，減少暴露時(shí)間;

      ( 5) 本文對(duì)深厚軟弱地基中某大型地鐵車站深基坑的變形監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行了分析，主要目的之一是對(duì)細(xì)長平面深基坑開挖的時(shí)空變形規(guī)律進(jìn)行總結(jié)與分析，另一個(gè)主要目的為后繼建立考慮流固耦合和軟弱土體材料非線性的三維有限元分析模性對(duì)該工程的深開挖過程進(jìn)行數(shù)值仿真分析做出前期的準(zhǔn)備。