異形深基坑施工過(guò)程支護(hù)結(jié)構(gòu)和地表沉降研究

虞雙林

（中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司軌道交通分公司，北京 100088）

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，城市基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，大量的深基坑不斷出現(xiàn)，深基坑工程事故也有所增加。因此，必須在基坑施工中做好現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作，這是基坑工程中非常重要的環(huán)節(jié)。施工人員可通過(guò)基坑監(jiān)測(cè)手段預(yù)測(cè)基坑變形的趨勢(shì)，并對(duì)基坑的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估[1-2]。

本文以南通地鐵1號(hào)線能達(dá)商務(wù)區(qū)站異形深基坑工程為依托，對(duì)地表沉降、墻頂沉降和立柱沉降的監(jiān)控量測(cè)進(jìn)行分析，探討了異形深基坑施工過(guò)程中所引起的不同位置處的沉降規(guī)律和影響因素。利用Flac3D6.0對(duì)異形深基坑的施工過(guò)程進(jìn)行了三維數(shù)值分析，并用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，得出了異形深基坑不同開挖深度時(shí)地表沉降、墻頂沉降和立柱沉降的規(guī)律。

2 工程和地質(zhì)概況

2.1 工程概況

能達(dá)商務(wù)區(qū)站位于南通市崇川區(qū)，通盛大道和星湖大道交口處，沿南北向布置，是南通地鐵1號(hào)線和3號(hào)線的換乘站。能達(dá)商務(wù)區(qū)站基坑形狀較為特殊，屬于典型的異形深基坑，基坑沿長(zhǎng)度方向分為喇叭口段、異形段、標(biāo)準(zhǔn)段、換乘段?；娱L(zhǎng)度約288 m，寬度7~39.34 m（標(biāo)準(zhǔn)段寬21.29 m）；基坑深度約為16.59~25.29 m?；硬捎妹魍诜ㄊ┕ぃёo(hù)結(jié)構(gòu)采用“800 mm厚地下連續(xù)墻+支撐”的組合形式?；釉趯挾确较蛏喜贾?道支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，間距約為5.2~8.5 m；第二道~第四道為鋼筋混凝土支撐和鋼支撐，分別布置在埋深7.5 m、10.5 m、13.5 m處，間距約為2.4~3.0 m。

2.2 地質(zhì)概況

擬建工程場(chǎng)區(qū)主要以軟土層為主，地質(zhì)勘探資料顯示，基坑影響范圍內(nèi)依次為填土、黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉砂。

本場(chǎng)地地下水位較高，約1.5~3.0 m，以潛水和承壓水為主。潛水一般貯存在淺部粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土中，第I承壓水一般貯存在粉砂、細(xì)砂中。為了減少土方開挖時(shí)地下水的干擾，確保施工安全，在基坑開挖前采用井點(diǎn)降水法進(jìn)行降水。

3 試驗(yàn)方案與測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)本工程施工特點(diǎn)和一級(jí)基坑變形控制要求，需進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)的內(nèi)容為：地表沉降、墻頂沉降、立柱沉降。其中，地表沉降和墻頂沉降沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)共布置34組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，立柱沉降共布置9組測(cè)點(diǎn)。

由于篇幅有限及考慮到基坑形狀的特殊性，分別在喇叭口段、異形段、標(biāo)準(zhǔn)段各選取一組地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)和墻頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)地表沉降和墻頂沉降進(jìn)行分析，選取3組立柱進(jìn)行沉降分析，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。每組地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)由6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)組成，構(gòu)成一條沉降線，與地下連續(xù)墻的距離分別為2 m、5 m、10 m、16 m、32 m、48 m。

結(jié)合基坑監(jiān)測(cè)相關(guān)規(guī)范，并參考該地區(qū)土層特點(diǎn)和現(xiàn)有監(jiān)測(cè)成果，地表沉降、墻頂沉降、立柱沉降的累計(jì)警戒值分別為30 mm、30 mm、15 mm。

4 數(shù)值模擬

4.1 數(shù)值計(jì)算模型

本文采用Flac3D6.0動(dòng)態(tài)模擬土方開挖過(guò)程，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形和地表沉降特征。所建模型在X、Y、Z三個(gè)方向的尺寸分別為450 m、240 m、80 m，重力方向與Z軸負(fù)方向一致，地表為自由邊界，無(wú)約束作用，模型其他界面均施加法向約束。模型共劃分378 189個(gè)節(jié)點(diǎn)和364 400個(gè)單元。三維計(jì)算模型如圖2所示。

4.2 計(jì)算參數(shù)選取

計(jì)算模型采用HSS本構(gòu)模型，地層和地下連續(xù)墻采用實(shí)體單元，鋼筋混凝土支撐、鋼支撐采用梁?jiǎn)卧M。由于在土方開挖前已經(jīng)通過(guò)降水井進(jìn)行了人工降水，計(jì)算時(shí)不考慮地下水的影響。

4.3 計(jì)算結(jié)果

4.3.1 地下連續(xù)墻水平位移

基坑開挖后，就平面位置而言，東側(cè)地下連續(xù)墻的最大位移發(fā)生在異形段中部附近，方向朝向基坑，最大值為18.77 mm；西側(cè)地下連續(xù)墻的位移最大值為18.77 mm，方向同樣朝向基坑，發(fā)生在異形段處。由于異形段附近基坑寬度不斷變化，受到空間效應(yīng)的影響，該處地下連續(xù)墻水平位移較大。就深度而言，基底以上部分水平位移較大，基底以下部分水平位移較小，這主要是由于土體開挖導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)水平土壓力卸載，導(dǎo)致地下連續(xù)墻向基坑方向發(fā)生變形。

4.3.2 基坑周邊地表沉降

基坑開挖完成后，異形段的地表沉降比其他區(qū)段大，異形段距離地下連續(xù)墻10 m附近，地表沉降最大，約為-23.5 mm。地表沉降隨著與基坑距離的增大而逐漸減小，在距離基坑2倍開挖深度以內(nèi)的區(qū)域地表沉降較大，距離基坑2倍開挖深度以外的區(qū)域地表沉降較小。

4.3.3 基坑周邊地表水平變形

基坑開挖完成后，基坑?xùn)|側(cè)地表水平位移為負(fù)，最大值發(fā)生在異形段附近，最大值為17.95 mm；基坑西側(cè)地表水平位移為正，最大值發(fā)生在異形段和第一標(biāo)準(zhǔn)段交界處，約為17.12 mm。隨著與地下連續(xù)墻距離的增大，地表水平位移逐漸減小。

5 監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果分析

5.1 地表沉降分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地表沉降實(shí)測(cè)可知，1號(hào)沉降線隨著基坑挖土的進(jìn)行，地表沉降有所增大。當(dāng)對(duì)11 m以上的土方開挖時(shí)，地表沉降速率較均勻；當(dāng)對(duì)11 m以下的土方開挖時(shí)，DB1-1~DB1-4處地表沉降較快；當(dāng)開挖至基底時(shí)，地表沉降達(dá)到最大，最大值為-6.68 mm，遠(yuǎn)小于預(yù)警值，這主要是由于該位于喇叭口處，基坑寬度較小且鋼支撐布置較密，土方開挖連續(xù)完成，耗時(shí)較短，地表沉降受時(shí)空效應(yīng)影響不大。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可知，1號(hào)沉降線各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值隨著施工的進(jìn)行而逐漸增大，沉降規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)規(guī)律基本一致；施工完成時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量均達(dá)到最大，為7.51 mm。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地表沉降實(shí)測(cè)可知，當(dāng)開挖至5 m時(shí)，2號(hào)沉降線各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量差異不大；當(dāng)開挖至5 m以下時(shí)，隨著挖土深度的增加，沉降線逐漸呈勺形分布，DB2-1~DB2-4的沉降量增長(zhǎng)較大，形成勺斗；DB2-5和DB2-6的沉降量增長(zhǎng)不大，形成勺柄；開挖結(jié)束時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到最大，為-18.19 mm。同1號(hào)沉降線相比，2號(hào)線最大沉降量較大，這是由于2號(hào)沉降線位于異形段處，該段基坑寬度較大，施工時(shí)橫向分為左右兩塊分別開挖，施工耗時(shí)較長(zhǎng)，受時(shí)空效應(yīng)的影響比較顯著，地下連續(xù)墻水平位移和基底隆起相對(duì)較大，導(dǎo)致該段地表沉降量增大，所以，沉降線的勺斗也較深。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著開挖深度的增加，2號(hào)沉降線沉降逐漸增大，DB2-1~DB2-4隨挖深增長(zhǎng)較為迅速，DB2-5和DB2-6增長(zhǎng)不大，當(dāng)開挖至基底時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降達(dá)到最大，沉降線形狀和監(jiān)測(cè)結(jié)果比較接近，呈勺形分布。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地表沉降實(shí)測(cè)可知，隨著施工的進(jìn)行，3號(hào)沉降線沉降量逐漸增大。當(dāng)開挖至5 m時(shí)，沉降線基本上呈直線分布；隨著開挖的增加，DB3-1~DB3-4沉降量增長(zhǎng)較為明顯，DB3-5和DB3-6變化不大，3號(hào)沉降線逐漸呈勺形分布，且勺斗逐漸變深；當(dāng)開挖至14 m時(shí)，DB3-1~DB3-4沉降量增幅較大，這是由于在開挖該處土體時(shí)由于受到春節(jié)假期的影響，施工曾一度中斷，開挖面長(zhǎng)時(shí)間暴露，土體的蠕變較大，導(dǎo)致地表沉降增長(zhǎng)較大。當(dāng)基坑開挖完成后，DB3-3的沉降量達(dá)到最大，為10.80 mm。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著挖深的增加，3號(hào)沉降線逐步由直線分布轉(zhuǎn)變?yōu)樯仔畏植迹?dāng)開挖到基底時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量達(dá)到最大，DB3-4的沉降量最大，最大值為11.78 mm，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本一致。

5.2 墻頂沉降分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)墻頂沉降實(shí)測(cè)可知，各段墻頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)均發(fā)生豎直向上的隆起，隨著開挖的進(jìn)行，墻頂隆起逐漸增大。開挖11 m以上的土體時(shí)墻頂隆起較小；開挖11 m以下的土體時(shí)，由于開挖卸載基底隆起較大，導(dǎo)致地下連續(xù)墻向上隆起較大，墻頂隆起也比較明顯。開挖完成后，墻頂隆起達(dá)到最大，根據(jù)隆起值由大到小各監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)依次為QD2＞QD3＞QD1，QD2處的墻頂沉降最大，最大值為5.83 mm。

通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可知，各段墻頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移均逐漸增大，方向?yàn)樨Q直向上，當(dāng)開挖至14 m以上的土體時(shí)增長(zhǎng)速率基本相等，當(dāng)開挖至基底時(shí)增長(zhǎng)速率有所增大，當(dāng)開挖完成后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)按沉降值排序依次為QD2＞QD3＞QD1，QD2處的墻頂沉降最大，為7.89 mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬結(jié)果可知，由于QD2位于異形段處，開挖尺寸較大，基底隆起也較大，所以，該處的墻頂隆起也比較明顯。

5.3 立柱沉降分析

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)立柱（L1~L3）的沉降實(shí)測(cè)可知，隨著挖土深度的增加，立柱逐漸向上隆起，且隆起速率略有增大，當(dāng)施工完成時(shí)，立柱隆起達(dá)到最大，依次為L(zhǎng)1＞L2＞L3，L1的隆起值為7.84 mm。通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果可知，隨著基坑的開挖，立柱的隆起與開挖深度近似成正比，當(dāng)開挖至基底時(shí)，立柱隆起達(dá)到最大，由大到小為L(zhǎng)1＞L2＞L3。由于異形段處基坑寬度較大，基底隆起也較大，所以該處的立柱隆起較大。

6 結(jié)語(yǔ)

為了保證深基坑工程的安全性，對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。本文結(jié)合能達(dá)商務(wù)區(qū)站異形深基坑工程，對(duì)地表沉降、墻頂沉降和立柱沉降的情況進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）地表沉降隨著與基坑距離的增大呈勺形分布，距離基坑1倍挖深范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降較大形成勺斗，其余監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降較小形成勺柄。施工時(shí)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)1倍挖深范圍內(nèi)的監(jiān)控量測(cè)，如沉降量過(guò)大，及時(shí)采取加密鋼支撐等工程措施。（2）地表沉降、墻頂沉降、立柱沉降都隨著開挖的進(jìn)行而增大。當(dāng)開挖較淺時(shí)，沉降增長(zhǎng)較慢；當(dāng)開挖較深時(shí)，沉降增長(zhǎng)較快。（3）監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處位置對(duì)沉降有一定影響。喇叭口處沉降值比其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)小，這主要是因?yàn)槔瓤诙蔚幕訉挾容^小，施工耗時(shí)較少，所以，地表沉降和墻頂隆起小。施工中斷會(huì)造成沉降增大，施工時(shí)應(yīng)盡量縮短施工時(shí)間，連續(xù)作業(yè)，避免沉降過(guò)大。（4）“地下連續(xù)墻+支撐”可作為異形深基坑的支護(hù)形式，能夠滿足對(duì)變形控制的要求。