2. 保利(成都)实业有限公司, 四川 成都 610000;
3. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 四川 成都 610059;
4. 中铁二院 华东勘察设计有限责任公司, 上海 200023;
5. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室, 上海 200092
2. Poly(CHENGDU) Holdings Company Limited, Chengdu 610000, China;
3. National Professional Laboratory of Geological Hazards Prevention and Geological Environment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China;
4. China Railway Eryuan Engineering Group Company, East China Survey and Design limited Company, Shanghai 200023, China;
5. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China
软土地区深基坑开挖引起土体应力状态改变, 不可避免造成周围地层的移动, 对周围环境产生不同程度的影响.
在过去的几十年里, 许多学者通过现场监测等手段建立了一系列的经验法和半经验法评估软土基坑开挖引起的围护结构变形、地表沉降、建筑物变形[1-4].
近年来, 诸多学者利用各种研究手段对基坑开挖变形进行了各方面的研究.俞建霖等[5]用空间有限单元法研究了基坑开挖过程中围护结构变形、周围地表沉降、基坑底部隆起的空间分布；刘国彬等[6]对基坑工程进行了全方位的介绍；Wang等[7]基于大量的现场监测数据研究了上海地区采用不同施工方案以及不同围护结构基坑的变形性状；Tan等[8]发现：软土地区的地铁深基坑开挖至坑底后, 及时浇筑混凝土底板能够有效抑制围护结构侧向变形和地表沉降的发展；Tan等[9]系统研究了上海软土地层中顺作法基坑的变形性状及基坑几何形状与平面尺寸大小对开挖变形的影响；Xu等[10]研究了周边超载对基坑变形的影响；郑刚等[11]通过数值模拟研究了不同围护结构变形形式对周围建筑物变形的影响机理；徐长节等[12]利用有限元软件, 分析了非对称开挖条件下基坑的变形性状；应宏伟等[13]研究了坑外地下水位波动对软土地区基坑水土压力的影响机理.
城市建筑密集区域的地铁车站深基坑工程需重点关注开挖对周边环境的影响.逆作法基坑采用现浇混凝土楼板作为围护结构的水平支撑, 能够增大基坑支护系统的整体刚度, 有效控制基坑变形、减少基坑开挖对周围环境的不利影响, 逆作法工艺被应用于城市中心地区的深基坑工程[14-15].本文依托上海某逆作法地铁车站基坑工程, 结合实际施工过程, 对现场监测数据进行分析, 研究了软土地层中逆作法地铁车站深基坑的变形特点及对周边建筑物和地下管线的影响.
1 基坑周边环境本文的研究背景为位于上海商业区的某地铁车站基坑项目, 基坑平面布置如图 1所示.基坑由南端头井、中间标准段、北端头井3部分组成, 基坑平面尺寸为152 m×25 m, 最大开挖深度为24~26 m.基坑周边有大量建筑物：基坑南边有某在建1号楼、某4层砖混2号楼；基坑西边有某新开发项目和某8层钢筋混凝土3号楼；基坑西北角有某4层砖结构4号楼；基坑东北角有某4层砖结构的5号楼；基坑东边有某4层砖结构6号楼、某4层砖结构7号楼及某5层砖结构8号楼.除1号楼外, 其余的邻近建筑物均有50至100年的历史.在基坑开挖之前, 在新开发项目和基坑之间施工了厚1 m、深30 m的地下连续墙.基坑西边的8层钢筋混凝土结构采用预应力高强度混凝土管桩深基础支撑, 其余建筑物均采用条形基础, 属于典型的浅基础建筑物.基坑周边还有大量地下管线设施：1条混凝土雨水管道、2条铸铁供水管道、2条铸铁天然气供应管道、1条铸铁通讯电缆管道、3条铸铁电力管道及其他电力管道.这些管道的埋置深度为地表以下0.50~1 m.
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图 1 基坑平面及测点布置图 Fig. 1 Site plan of project along with instrumentations layout |
根据地质勘探报告, 地表以下2 m为填土层、地表以下2~7 m为粉质黏土层、地表以下7~18 m为淤泥质黏土层、地表以下18~39 m为粉质黏土层、地表以下39~43 m为黏土层、地表以下43~56 m为密实粉砂层、地表以下56~70 m为密实粉砂夹砂质黏土层, 各土层的物理力学性质参数见图 2, 其中, h为土层深度、γ为土体重度、c’为有效黏聚力、φ’为有效内摩擦角、Es为压缩模量、e为孔隙比、St为灵敏度、Su为不排水抗剪强度.长期观测的地下水位线为地表以下0.5~0.7 m.
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图 2 土层分布及主要物理力学参数 Fig. 2 Soil profiles and main physic-mechanical parameters |
本基坑采取逆作法施工, 支护结构采取“地下连续墙+混凝土支撑+钢支撑”的形式.本工程采用1 200、1 000、800 mm这3种规格的地下连续墙, 南端头井地下连续墙深55 m, 北端头井地下连续墙深46 m, 中间标准段地下连续墙深44 m.南端头井开挖深度为26.1 m, 共设7道支撑, 第1、3道为混凝土支撑, 其余为钢支撑, 下一层板框架逆作法施工；北端头井开挖深度为25.8 m.共设7道支撑, 第1、3道为混凝土支撑, 其余为钢支撑, 下一层板框架逆作法施工；中间标准段开挖深度为24.2 m, 共设7道支撑, 第1、3、5道为混凝土支撑, 其余为钢支撑, 下一层板逆作法施工.车站主体结构基础底部标准段每隔3 m抽条加固, 加固深度为坑底以下3 m, 其中封堵墙以北部分标准段第6道支撑底2.5 m范围内及坑底以下3 m范围内进行旋喷桩加固；南端头井第3、6道支撑底2.5 m范围内及坑底以下3 m范围内旋喷桩加固；北端头井第6道支撑底2.5 m范围内及坑底以下3 m范围内旋喷桩加固, 要求加固土体28 d无侧限抗压强度qu≥1.2 MPa.
如图 3所示为中间标准段支护结构剖面.
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图 3 中间标准段支护结构剖面 Fig. 3 Profile of supporting structures at central standard segments |
为全面掌握施工中基坑变形及对周边环境的影响, 对该基坑从以下几个方面进行了动态监控：地下连续墙侧向变形、墙顶位移、支撑轴力、地下水位、立柱隆起、周边地表沉降、周围建筑物沉降、管线沉降, 测点布置如图 1所示.图 1中仅列出雨水管线的测点分布图, 其余管线的走向和测点分布与雨水管线类似, 不再单独列出.
5 施工工况基于缩短施工周期、减少基坑开挖对周围环境的影响等因素.本基坑采取分区段开挖, 按南端头井→北端头井→换乘大厅中间标准段的先后顺序施工, 各部分的施工周期见表 1, 表中t为持续时间.
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表 1 3个区段的施工持续时间 Table 1 Construction duration of 3 sections |
本基坑采取逆作法施工, 中间标准段的主要施工工况及持续时间如表 2所示.值得注意的是本基坑采取移动钢支撑的设计方案：即在开挖至深度5和深度8时分别将原本安装于深度4和深度7的钢支撑移至相应深度, 具体施工工况参见图 3和表 2.
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表 2 中间标准段主要施工工况 Table 2 Main stages of construction at central standard segments |
如图 4所示为基坑开挖至不同深度时, 各测斜点处围护结构最大侧移δhm与基坑开挖深度H的关系.从图中可知, 中间标准段的围护结构最大侧移普遍较大：中间标准段δhm的变化范围为(0.25%~0.45%)H, 明显大于端头井δhm的变化范围(0.10%~0.25%)H.这是由于端头井的空间角效应显著, 在一定程度上限制了围护结构侧向变形的发展[5, 16].
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图 4 开挖深度与围护结构最大侧移关系 Fig. 4 Relationships between maximum wall deflections δhm and excavation depth H |
如图 5所示为开挖至坑底时Q9和Q10测点处围护结构侧向位移曲线, δh为围护结构侧向位移, z为围护结构深度.从图 1可知Q9与Q10测点均位于中间标准段跨中、且对称布置, 但Q9测点的侧向位移明显大于Q10测点.这是由于Q10测点位于基坑西侧, 邻近的已建地下连续墙和两层换乘大厅等既有地下结构对基坑变形有显著的遮拦作用, 从而限制了Q10测点处围护结构的侧向变形, 这与Tan等[17]和朱炎兵等[18]针对软土地区顺作法基坑的研究结果相似.
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图 5 开挖至坑底时Q9与Q10侧向变形曲线 Fig. 5 Final lateral deflections of diaphragm walls at Q9 and Q10 |
如图 6所示为中间标准段的围护结构墙顶水平位移δdh时程曲线, 正值表示墙顶向基坑开挖侧移动, 负值表示墙顶向非开挖侧移动.从图中可以看到：基坑西侧测点(Q8、Q10、Q12、Q14) 的墙顶水平位移值不超过2 mm, 且在开挖过程中保持稳定；而基坑东侧的测点(Q7、Q9、Q11、Q13) 向开挖一侧产生较大的水平位移, 尤其是当开挖深度大于17.17 m时, 东侧的墙顶水平位移明显增大, 待底板浇筑后墙顶水平位移保持稳定.这是由于已建2层换乘大厅的楼板结构与基坑西侧的围护结构联结成一整体, 有效地限制了相应位置处围护结构的墙顶水平位移.
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图 6 中间标准段墙顶水平位移时程曲线 Fig. 6 Development of horizontal displacements at wall top of central standard segments |
如图 7所示为中间标准段东侧的围护结构最大侧移δhm时程曲线.从图中可以看到, δhm始终呈近似的线性增长, 当开挖深度大于17.17 m时, δhm没有发生明显的突变, 这表明当开挖深度大于17.17 m时, 东侧的围护结构并未产生向基坑开挖侧的整体水平位移突变, 仅有墙顶产生向基坑开挖侧的水平位移突变
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图 7 中间标准段东侧围护结构最大侧移时程曲线 Fig. 7 Development of maximum wall deflections δhm of eastern central standard segments |
结合图 6、7分析导致中间标准段东侧墙顶水平位移在开挖深度大于17.17 m时发生明显突变的原因可能是运输车辆等临时地面超载所引起.
6.3 立柱隆起如图 8所示为中间标准段的立柱隆起Lv时程曲线.从图中可以看到：立柱隆起在基坑开挖初期呈线性增长、在养护混凝土楼板1阶段保持相对稳定、当基坑开挖至17.17 m后保持较高速率的增长、底板浇筑后略有回落并保持稳定.总体来说, 位于端部的立柱隆起量(L17、L18、L25) 小于中部的立柱(L19, L20, L21, L22), 这符合文献[5, 9, 15]关于坑底土体回弹呈“中间大、两端小”分布的结论；此外, 两端端头井已建地下结构亦会抑制端部的立柱隆起.同一监测断面的立柱隆起量有明显的差异, 如L17和L18测点的最大隆起量相差20 mm, 这可能是立柱与混凝土楼板结构联结强度的差异性导致的.
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图 8 中间标准段立柱隆起时程曲线 Fig. 8 Development of vertical displacements of interior columns at central standard segments |
如图 9所示为基坑开挖深度与立柱隆起的关系.从图中可以看到：中间标准段立柱隆起Lv的变化范围较比端头井大, 这是由于其开挖跨度较大导致.中间标准段Lv的上限为0.26%H, 明显大于端头井Lv的上限0.18%H, 这是由于端头井的空间角效应显著[5], 限制了坑底土体回弹, 导致立柱的隆起量较小.
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图 9 开挖深度与立柱隆起关系 Fig. 9 Relationships between column uplifts Lv and excavation depth H |
如图 10所示为Z3测点的支撑实测轴力F的时程曲线, 正值表示压力.Z3-1至Z3-7的设计轴力值F0、实测轴力最大值Fmax、实测轴力稳定值Ft见表 3, 其中, 支撑轴力设计值F0基于弹性地基梁原理[6]计算得到.为了连续监测钢支撑轴力, 本监测断面未移动钢支撑Z3-4和Z3-6, 即位于深度4和深度7的钢支撑并未下移至深度5和深度8.
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图 10 Z3支撑轴力时程曲线 Fig. 10 Development of measured axial strut forces at Z3 |
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表 3 Z3测点处各道支撑轴力值 Table 3 Axial strut forces at Z3 |
钢支撑普遍承受较小的轴力值, 这说明墙后土压力主要由刚度较大的混凝土结构(支撑、楼板)承担.Z3-1与Z3-5处实测轴力最大值为轴力设计值的1.04倍和1.21倍；实测轴力最终稳定值为轴力设计值的0.78倍和1.21倍.然而, 大部分的钢支撑实测轴力最大值仅为设计值的50%左右；实测轴力最终稳定值为设计值的29%~45%.
同混凝土支撑Z3-1相比, 混凝土支撑Z3-3承受较小的支撑轴力可能是由于以下原因：及时浇筑的混凝土楼板1与混凝土支撑Z3-3共同承担土压力；实际施工中, 本断面的钢支撑Z3-4未按设计方案下移至深度5处, 分担了本该由混凝土支撑Z3-3承担的土压力.
6.5 浅基础建筑物沉降如图 11所示为7号楼的建筑物沉降Db的时程曲线.该建筑为4层砖结构, 采用条形基础支撑, 属于典型的浅基础建筑物.从图中可以看到：邻近基坑的J25和J26测点在开挖过程中发生较大的沉降, 当基坑开挖至17.1 m深度后沉降速率明显增大, 在混凝土底板浇筑后仍产生一定的沉降变形, 最大沉降值达68 mm；而其余测点仅产生不超过10 mm的微量沉降；在现场施工过程中, 在北面墙体邻近J25测点处和南面墙体邻近J26测点的位置都观察到明显的裂缝, 相应位置处的墙体发生明显的断裂沉降.
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图 11 7号楼沉降时程曲线 Fig. 11 Development of settlements at building 7 |
如图 12所示为8号楼的沉降时程曲线, 该建筑为5层砖结构, 采用条形基础支撑, 同样属于典型的浅基础建筑物.从图中可以看到：在基坑开挖过程中, 各测点的沉降值呈近似的线性增长；当基坑开挖至17.1 m后, 各测点的沉降速率有不同程度的增大；在混凝土底板浇筑后, 仍产生一定的沉降变形.
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图 12 8号楼沉降时程曲线 Fig. 12 Development of settlements at building 8 |
如图 13所示为8号楼的沉降剖面图, d为墙后距离.从图中可以看到：该建筑物产生倒向基坑的整体倾斜变形, 随开挖的进行倾斜率逐渐增大, 在基坑开挖结束后仍产生一定的倾斜增量, 最大倾斜率为0.17%.在基坑开挖过程中, 于沿J27至J27-1测点的北面墙体和沿J28至J30-1测点的南面墙体上都观察到明显的裂缝, 这表明该建筑的结构整体性同样受到破坏.
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图 13 8号楼沉降剖面图 Fig. 13 Settlements profiles of building 8 |
本文中的浅基础建筑物并未发生类似于徐中华等[14]总结的上拱变形, 且同为浅基础建筑物的7、8号楼的沉降形式有明显区别：7号楼除邻近基坑开挖侧的墙体发生断裂沉降外, 建筑物并未产生明显的整体沉降；而8号楼发生倒向基坑的整体倾斜变形.这说明基坑开挖引起的建筑物沉降变形与既有建筑物本身有密切关系, 不能一概而论.
6.6 地下管线沉降如图 14所示分别为南端头井、北端头井和中间标准段对应的雨水管线沉降Dp的时程曲线.不同区段的雨水管线沉降趋势表现出一定的相似性：基坑开挖前的土体注浆加固将引起管线产生微量的隆起, 但随后又经历一定的沉降, 这是注浆压力施加和消散的结果；基坑开挖引起的沉降量占总沉降量的主要部分；待混凝土底板浇筑后, 雨水管线仍产生一定的沉降, 但沉降速率明显小于基坑开挖阶段.
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图 14 雨水管线沉降时程曲线 Fig. 14 Development of settlements at storm sewers |
值得注意的是：中间标准段的管线沉降速率在基坑开挖至17.17 m深度后有明显的增大, 这可能和中间标准段东侧的地下连续墙顶部水平位移显著增大有关(见图 5中Q7、Q9、Q11、Q13测点).类似的, 北端头井的管线沉降速率在基坑开挖至17.1 m深度后也有一定程度的增大, 这与6.5节中7、8号楼的沉降趋势相符合.
如图 15所示为基坑开挖引起的管线沉降Dp沿基坑纵向的分布图, l为测点纵向距离、L为基坑纵向长度.从图中可以看到：受基坑空间角效应的显著影响[5], 端头井区段对应的管线沉降明显小于中间标准段对应的管线沉降, 导致较大的管线不均匀沉降：如雨水管线的最大不均匀沉降达100 mm.
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图 15 基坑开挖引起的管线沉降分布 Fig. 15 Settlements distribution of pipelines due to excavation |
从6.2、6.3、6.5和6.6节中的分析可总结出如下规律：当基坑开挖深度大于17.1 m时, 基坑各项变形指标都有明显的突变, 如墙顶水平位移、立柱隆起、浅基础建筑物沉降、管线沉降.付艳斌等[19]指出上海地区软土在高卸载应力水平下表现出较强的流变特性, 即土体变形急剧增加.从表 2可知, 当中间标准段开挖至17.17 m后, 由于安装钢支撑、施工混凝土结构等工况, 开挖区域有10 d的暴露期(北端头井段有22 d的暴露期), 此时基坑开挖面位于强度极低的淤泥质黏土层中(见图 2), 土体容易产生流变变形, 导致基坑各项变形指标经历明显的突变.此外, 同样受软土流变特性的影响, 浅基础建筑物沉降和管线沉降都产生一定的开挖后沉降增量, 如图 11、12和图 14所示.
8 结论本文对上海软土地区某逆作法地铁车站基坑的现场监测数据进行了详细的分析, 得出以下结论：
(1) 本基坑变形表现出显著的空间效应：中间标准段围护结构最大侧移δhm的统计范围为(0.25%~0.45%)H, 明显大于端头井的(0.10%~0.25%)H；中间标准段立柱隆起Lv的上限为0.26%H, 明显大于端头井的上限0.18%H；中间标准段开挖对应的管线沉降Dp明显大于端头井开挖对应的管线沉降.
(2) 在逆作法基坑施工中, 邻近的既有地下结构对基坑变形的遮拦作用也较为显著, 导致中间标准段西侧的围护结构侧向变形较小.
(3) 及时浇筑的混凝土支撑和楼板共同承担了绝大部分的墙后土压力, 导致钢支撑的实测轴力较小.
(4) 基坑开挖导致邻近浅基础建筑物和产生较大的不均匀沉降, 甚至破坏建筑物的结构整体性, 导致墙体开裂.
(5) 受上海地区软土流变特性的影响, 当基坑开挖深度大于17.1 m时, 基坑各项变形指标均经历明显的突变, 且浅基础建筑物和地下管线设施都产生一定程度的工后沉降.
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