敏感環(huán)境下大型基坑變形控制及分析*
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黃 沛1,2，陳 華3，張 倩3
（1．同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；2．長(zhǎng)安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061：3．中國(guó)建筑第八工程局總承包公司，上海200135）
[摘要]上海某大型基坑緊鄰運(yùn)營(yíng)的地鐵線(xiàn)路和大型廠房，為有效減小基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建（構(gòu)）筑物的影響，現(xiàn)場(chǎng)除采取常規(guī)的地基加固變形控制措施外，還采用分區(qū)開(kāi)挖法，即利用多幅中隔墻將大型基坑分隔為若干小面積基坑的方法�，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，地下連續(xù)墻水平位移、地表沉降、鄰近地鐵和建筑物的變形均遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)的變形控制指標(biāo)，這說(shuō)明在敏感環(huán)境下大型基坑開(kāi)挖過(guò)程中，分區(qū)開(kāi)挖與地基加固相結(jié)合的方法為有效的變形控制方法。
[關(guān)鍵詞]基坑；軟土；地鐵；分區(qū)開(kāi)挖；變形控制
[中圖分類(lèi)號(hào)]TU753 [文章編號(hào)]1002-8498(2016)05-OO92-04
1工程概況
工程位于上海某地區(qū)，場(chǎng)地地貌類(lèi)型單一。對(duì)工程影響較大的地層由上至下按成因類(lèi)型、土層結(jié)構(gòu)和性狀依次可分為9層。表層為1. 8m厚的雜填土，其下為1. 2m厚的②1層褐黃色黏土。第3層和第4層分別為5. 7m厚的③層和7.5m厚的④1層灰色淤泥質(zhì)黏土，③層和④1層土強(qiáng)度低，具有較高的壓縮性和靈敏度。第5層為4. 4m厚④2層灰色粉質(zhì)黏土，具有中~高壓縮性。第6層為5. 6m厚⑤1層灰色粉質(zhì)黏土，其下為13m厚⑤2層粉細(xì)砂，該層強(qiáng)度較高。第8層和第9層分別為6. 5m厚⑦1層草黃~灰色粉細(xì)砂和16m厚⑦2層灰色細(xì)砂。場(chǎng)地年平均地下水水位埋深為0. 57~1.10m。
工程平面如圖1所示，基坑北側(cè)為一地下2層的地鐵車(chē)站。車(chē)站長(zhǎng)、寬和高分別為200，22.5，18. 5m。車(chē)站底板頂面標(biāo)高為- 17. 800m。車(chē)站采用1m厚、33m深地下連續(xù)墻做圍護(hù)結(jié)構(gòu)�；幽蟼�(cè)為一大面積廠房，廠房基礎(chǔ)采用深30m、直徑0.6m鉆孔灌注樁�；�?xùn)|側(cè)為一地下2層、地上6層的建筑，基礎(chǔ)采用長(zhǎng)35m、直徑0.6m鉆孔灌注樁。
工程由主體基坑和附屬基坑2部分組成，主體基坑和附屬基坑開(kāi)挖深度分別為14.9，11. 8m。在基坑開(kāi)挖前，分別在主體基坑和附屬基坑內(nèi)部增設(shè)若干中隔墻，將基坑劃分為A，B，C，D，E，F(xiàn)6個(gè)小型基坑，以減小基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵、廠房和建筑物的影響。為了減小基坑外部地下水對(duì)工程的影響，在主體基坑地下連續(xù)墻外側(cè)設(shè)置49m深的ɸ850SMW止水帷幕。
主體基坑采用3道鋼筋混凝土支撐，附屬基坑第1道采用鋼筋混凝土支撐，第2道和第3道采用外徑和壁厚分別為609mm和16mm的鋼支撐。各道支撐的標(biāo)高如圖2所示，幾何尺寸和平均水平間距如表1所示。
2 變形控制措施
由于基坑周邊既有運(yùn)營(yíng)的地鐵，又有廠房，基坑開(kāi)挖期間如果變形控制措施采取不當(dāng)，極有可能對(duì)地鐵的正常運(yùn)營(yíng)和廠房的正常使用造成影響，甚至影響地鐵和廠房安全。在基坑開(kāi)挖前，經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，如果只采取常規(guī)的地基加固措施，將很難確保鄰近地鐵的正常運(yùn)行，因此現(xiàn)場(chǎng)采取了分區(qū)開(kāi)挖和大面積土體加固相結(jié)合的方法控制基坑開(kāi)挖所產(chǎn)生的變形，以確保鄰近地鐵正常運(yùn)營(yíng)。
2.1分區(qū)開(kāi)挖
通過(guò)在基坑內(nèi)部適當(dāng)位置增加若干中隔墻，將主體基坑劃分為圖1所示A，B，C，D4個(gè)基坑，附屬基坑劃分為E和F2個(gè)基坑。中隔墻的厚度、深度以及施工工藝均與基坑外圍地下連續(xù)墻相同。與基坑內(nèi)部支撐相比，中隔墻具有較大的截面面積和剛度，因此中隔墻可以抵抗更大的土壓力，且在相同的土壓力下所產(chǎn)生的變形也遠(yuǎn)小于混凝土支撐。另外，由于中隔墻在基坑開(kāi)挖前便澆筑成型且中隔墻具有較大的插入深度，因此與基坑內(nèi)部的支撐相比，中隔墻還可以有效減小基坑開(kāi)挖后無(wú)支撐階段所產(chǎn)生的變形以及基坑開(kāi)挖面以下部位土體變形。
此外，分區(qū)以后還可以通過(guò)調(diào)整不同分區(qū)的開(kāi)挖次序，充分利用時(shí)空效應(yīng)對(duì)基坑變形的影響，進(jìn)一步減小基坑開(kāi)挖所引起的變形。分區(qū)后首先同步開(kāi)挖B和D基坑，之后同步開(kāi)挖A和C基坑。各基坑的開(kāi)挖工況如表2所示。
2.2土體加固
在基坑開(kāi)挖前對(duì)A，B，C，D4個(gè)基坑坑底兩側(cè)10m裙邊、坑底以下2~3.5m、坑底以上8m進(jìn)行旋噴加固，對(duì)E和F基坑坑底以下5m、坑底以上3m進(jìn)行旋噴加固，加固范圍如圖2所示。加固后的土體28d單軸抗壓強(qiáng)度>1.0MPa，黏聚力>0.2MPa。
3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)
為了確�；邮┕ぐ踩�，及時(shí)掌握基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑物和地鐵線(xiàn)路的影響，基坑開(kāi)挖前現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)了一系列位移測(cè)點(diǎn)。其中，地下水水位監(jiān)測(cè)孔5個(gè)，地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)55個(gè)，地下連續(xù)墻測(cè)斜和沉降測(cè)點(diǎn)共49個(gè)，土體測(cè)斜3個(gè)，建筑物沉降測(cè)點(diǎn)30個(gè)，地鐵車(chē)站及車(chē)站兩端盾構(gòu)隧道沉降測(cè)點(diǎn)和水平位移測(cè)點(diǎn)分別為65個(gè)和36個(gè)。測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)方法及監(jiān)測(cè)均按照上海市《基坑工程施工監(jiān)測(cè)規(guī)程》DG/TJ08-2001-2006進(jìn)行。
4監(jiān)測(cè)結(jié)果分析
受現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境狹小的影響，在附屬基坑（E和F基坑）開(kāi)挖時(shí)，地下連續(xù)墻水平位移、地表沉降、建筑物沉降、地鐵車(chē)站的沉降和水平位移未進(jìn)行監(jiān)測(cè)，因此在此主要分析主體基坑（A，B，C，D基坑）開(kāi)挖所引起的變形以及基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵車(chē)站和廠房變形的影響。
4.1 地下連續(xù)墻水平位移
基坑開(kāi)挖期間地下連續(xù)墻最大水平位移6。。與基坑開(kāi)挖深度H之間的關(guān)系如圖3所示，圖中加入了徐中華等、Clough等和Hashash等關(guān)于基坑變形的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。本工程地下連續(xù)墻最大水平位移為0.11%H(H為基坑開(kāi)挖深度)，此值小于地鐵車(chē)站基坑的0.14%H，與受力性能較好的圓形基坑較為相近。此外，本工程地下連續(xù)墻的最大水平位移遠(yuǎn)小于Clough等關(guān)于軟土地區(qū)基坑變形統(tǒng)計(jì)值的下限，而接近Hashash等對(duì)中等硬度地區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形統(tǒng)計(jì)的下限值。這說(shuō)明本工程采用的分區(qū)開(kāi)挖與地基加固相結(jié)合的變形控制方法起到了較好作用。
4.2地表沉降
基坑開(kāi)挖期間最大地表沉降6。。與基坑開(kāi)挖深度H之間的關(guān)系如圖4所示，圖中加入了徐中華等、Clough等和Hashash等關(guān)于基坑開(kāi)挖引起地表沉降的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。本工程最大地表沉降為0.12%H，此值接近于上海地區(qū)地鐵車(chē)站基坑地表沉降的下限值0.09%H，而處于受力性能較好的圓形基坑變形范圍之中。此外，本工程地表沉降最大值也小于Clough等關(guān)于軟土地區(qū)基坑地表沉降的下限值0.15%H，而處于Hashash等關(guān)于中等硬度地區(qū)基坑地表沉降統(tǒng)計(jì)范圍之中。這進(jìn)一步說(shuō)明本工程采用的分區(qū)開(kāi)挖與地基加固相結(jié)合的變形控制方法大大減小了基坑開(kāi)挖所引起的變形。
4.3地鐵車(chē)站變形
基坑開(kāi)挖所引起的地鐵車(chē)站最大豎向沉降沿車(chē)站長(zhǎng)度方向的變化如圖5所示，圖中正值表示隆起。由圖可知，由于基坑開(kāi)挖卸荷，鄰近地鐵車(chē)站發(fā)生明顯上抬變形，上行線(xiàn)由于距離基坑較近，因此上行線(xiàn)的上抬變形比下行線(xiàn)的上抬變形大；車(chē)站兩端受地下連續(xù)墻影響，上抬變形較小；車(chē)站中部偏右部位上抬量相對(duì)較大。上行線(xiàn)和下行線(xiàn)最大豎向變形分別為9.6mm和6.9mm，車(chē)站的豎向變形遠(yuǎn)小于地鐵線(xiàn)路20mm的豎向變形容許值。
基坑開(kāi)挖所引起的地鐵車(chē)站最大水平位移沿車(chē)站長(zhǎng)度方向的變化如圖6所示，圖中正值表示車(chē)站朝向基坑方向移動(dòng)。由圖可知，基坑開(kāi)挖使地鐵車(chē)站向基坑的方向移動(dòng)，上行線(xiàn)和下行線(xiàn)的水平位移基本相近；車(chē)站的水平位移沿車(chē)站長(zhǎng)度方向變化不大，各點(diǎn)的水平位移比較接近。上行線(xiàn)和下行線(xiàn)最大水平位移分別為5.1mm和4.4mm，車(chē)站的水平位移也遠(yuǎn)小于地鐵線(xiàn)路20mm水平變形的容許值。
基坑開(kāi)挖期間地鐵車(chē)站的豎向變形和水平變形均遠(yuǎn)小于相對(duì)應(yīng)的變形控制值，這也說(shuō)明本工程采取的變形控制措施起到了很好的作用。
4.4建筑物變形
基坑開(kāi)挖期間鄰近廠房代表性部位沉降隨時(shí)間的變化如圖7所示，圖中負(fù)值表示沉降。由圖可知，基坑開(kāi)挖引起鄰近的廠房發(fā)生沉降，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工期間廠房便開(kāi)始沉降，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工期間的沉降值占各點(diǎn)總沉降值的33%~60%；這一現(xiàn)象與相關(guān)文獻(xiàn)的研究結(jié)果相吻合，說(shuō)明圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工期間對(duì)鄰近建筑物產(chǎn)生的影響也較大。受地質(zhì)條件等因素影響，廠房靠近基坑左側(cè)的沉降值較基坑右側(cè)的變形稍大，各測(cè)點(diǎn)的最大沉降值分布在- 11.7~- 15.7mm，各測(cè)點(diǎn)的最大沉降值也遠(yuǎn)小于現(xiàn)場(chǎng)的變形控制指標(biāo)。
由此可見(jiàn)，基坑開(kāi)挖期間地下連續(xù)墻水平位移、地表沉降、鄰近地鐵車(chē)站的豎向位移和水平位移，以及鄰近建筑物的沉降均遠(yuǎn)小于對(duì)應(yīng)的變形控制指標(biāo)，這充分說(shuō)明本工程所采取的分區(qū)開(kāi)挖和地基加固相結(jié)合的變形控制方法有效減小了基坑開(kāi)挖所產(chǎn)生的變形，以及基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近地鐵車(chē)站和廠房的影響。
5 結(jié)語(yǔ)
1)在基坑內(nèi)部增設(shè)中隔墻的分區(qū)開(kāi)挖法為一種有效的變形控制方法。分區(qū)后可以充分利用中隔墻截面面積大、剛度大、插入深度大、發(fā)揮作用時(shí)間早以及時(shí)空效應(yīng)對(duì)基坑變形的影響，從而大幅減小基坑開(kāi)挖所引起的變形以及基坑開(kāi)挖對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物的影響。
2)在基坑周邊環(huán)境復(fù)雜、變形控制要求嚴(yán)格的情況下，分區(qū)開(kāi)挖和大面積地基加固相結(jié)合的方法可以有效減小基坑開(kāi)挖所引起的變形。本工程中，基坑開(kāi)挖所引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移和最大地表沉降分別為0.11%H和0.12%H，均小于相關(guān)學(xué)者統(tǒng)計(jì)所得的基坑變形值；鄰近地鐵車(chē)站的豎向沉降和水平位移以及廠房的沉降也均遠(yuǎn)小于相應(yīng)的變形控制指標(biāo)。
