上海軟土地區(qū)地鐵車站深基坑變形控制研究

上海軟土地區(qū)地鐵車站深基坑變形控制研究

上海是一個(gè)典型的沿海城市。為了滿足人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的需求，減少城市土地運(yùn)輸對(duì)環(huán)境的影響，上海在過去10年中發(fā)展了大量的軌道（地鐵）交通網(wǎng)絡(luò)。由于地鐵區(qū)域內(nèi)的隧道必須通過城市建筑密集地區(qū)，大多數(shù)地鐵站都采用了地下埋式結(jié)構(gòu)。這些地鐵站通?？拷F(xiàn)有建筑、地下管道設(shè)施和市政高架道路。由于軟土區(qū)域內(nèi)深井的挖掘，可能會(huì)導(dǎo)致周圍區(qū)域地下水位和土壤肥力狀態(tài)的變化、結(jié)構(gòu)變形和土壤沉降，這可能會(huì)影響環(huán)境。因此，軌道隧道結(jié)構(gòu)的變形控制和環(huán)境保護(hù)越來越受設(shè)計(jì)和研究人員的影響。本文通過對(duì)穿越高架的上海市地鐵8號(hào)線西藏南路站6區(qū)基坑的變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析,并結(jié)合上海軟土地區(qū)45個(gè)相關(guān)地鐵車站基坑的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),探討了上海軟土地區(qū)地鐵車站深基坑施工的變形特性及相應(yīng)的變形控制措施,為今后類似工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒和參考.1項(xiàng)目介紹1.1基坑圍護(hù)方案上海市地鐵8號(hào)線西藏南路站6區(qū)基坑位于西藏南路與中山南路交匯處,穿越中山南路高架.車站主體結(jié)構(gòu)為地下二層三跨混凝土結(jié)構(gòu),上覆土層厚3.5m.6區(qū)基坑長(zhǎng)36m,寬22m,開挖深度15.8m,采用?1.0m鉆孔灌注樁圍護(hù),樁深32m.基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與高架承臺(tái)最近距離0.5m(距邊樁1.0m).圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)采用180°定向擺噴樁作為止水帷幕,并采用高壓旋噴樁進(jìn)行坑內(nèi)地基滿堂加固.共采用5道支撐,其中第1道支撐為800mm×800mm鋼筋混凝土支撐,其余4道為?609mm×16mm鋼管支撐.主要施工工況如表1所示.基坑平面及剖面分別如圖1、2所示.根據(jù)文獻(xiàn),本基坑安全等級(jí)為一級(jí),最大允許沉降和變形為:圍護(hù)墻最大水平位移0.14%H(H為基坑開挖深度),最大地表沉降0.1%H.坑底抗隆起穩(wěn)定安全系數(shù)不小于2.2.1.2粘土的組成場(chǎng)地70m深度范圍內(nèi)的地基土均屬第四紀(jì)河口～濱海、淺海相沉積層,主要由飽和粘土、粉性土以及砂土組成.自上而下可依次劃分為:①雜填土;②粉質(zhì)粘土;③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土;④淤泥質(zhì)粘土;⑤1粘土;⑤3粉質(zhì)粘土;⑥粉質(zhì)粘土;⑦2粉細(xì)砂.年平均地下水位為地面以下0.5～0.7m.2主要監(jiān)測(cè)結(jié)果和分析2.1軌道交通基坑類型基坑2個(gè)長(zhǎng)邊布置4個(gè)測(cè)點(diǎn),其側(cè)向位移δh如圖3所示.由于首道支撐采用剛度較大的鋼筋混凝土支撐,圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的側(cè)移受到了有效約束,各施工工況下頂部側(cè)移均很小.隨著深層土體的不斷開挖,圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移迅速增大,同時(shí)最大側(cè)移點(diǎn)深度也隨著開挖不斷下移.上海軟土地區(qū)地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形通常為深層向坑內(nèi)凸鼓形,圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部和底部側(cè)向變形相對(duì)較小.本工程基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形很好地反映了這一特點(diǎn).從基坑開挖到坑底至結(jié)構(gòu)封頂(工況5～11)期間,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移幾乎未增加,表明基坑開挖至坑底后5道水平支撐較好地發(fā)揮了作用.文獻(xiàn)中收集了上海地鐵3號(hào)線6個(gè)地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形數(shù)據(jù),該6個(gè)基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用地下連續(xù)墻.文獻(xiàn)中收集了上海地區(qū)308個(gè)基坑實(shí)例的變形數(shù)據(jù),其收集的基坑實(shí)例包括各種類型的基坑,但未專門針對(duì)上海地區(qū)鐵車站基坑進(jìn)行分析.本文進(jìn)一步將文獻(xiàn)中收集的基坑實(shí)例中有關(guān)39個(gè)地鐵車站基坑分為3類:類型I,為支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的地鐵基坑(圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻);類型II,為采用常規(guī)順作法的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的地鐵基坑;類型III,為采用常規(guī)順作法的SMW工法的地鐵基坑.圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移δh,max與開挖深度H的關(guān)系如圖4(a)所示.本工程δh,max基本介于(0.1%～0.2%)H,δh,max平均值為0.145%H,基本滿足規(guī)范0.14%H的要求;而其他地鐵車站基坑的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的變化范圍要大得多,數(shù)據(jù)離散性也較大,δh,max基本介于(0.04%～0.6%)H,δh,max平均值為0.3%H.圖4(a)表明,δh,max隨H的增加大致表現(xiàn)為線性增長(zhǎng).6區(qū)基坑因鄰近已有高架橋墩承臺(tái)基礎(chǔ),基坑的變形控制要求十分嚴(yán)格.考慮到連續(xù)墻成槽施工會(huì)引起較大的土體水平應(yīng)力釋放及土體擾動(dòng),圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工方案采用了相對(duì)保守的鉆孔灌注樁.為了減小鉆孔樁施工時(shí)孔內(nèi)坍方對(duì)高架橋墩承臺(tái)基礎(chǔ)的影響,高架承臺(tái)南北各4m范圍內(nèi)的鉆孔灌注樁采用跳孔施工.鉆孔樁外側(cè)旋噴樁采用三重管旋噴,考慮旋噴施工擾動(dòng)可能對(duì)高架橋墩承臺(tái)基礎(chǔ)的影響,靠近承臺(tái)基礎(chǔ)的區(qū)域內(nèi)采用背向承臺(tái)基礎(chǔ)的180°定向擺噴.這一系列施工技術(shù)措施使得本工程基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形明顯小于統(tǒng)計(jì)的其他地鐵車站基坑變形的平均值.圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移點(diǎn)深度Hh,max與H關(guān)系如圖4(b)所示.Ou等通過對(duì)臺(tái)北10個(gè)基坑的實(shí)測(cè)分析,發(fā)現(xiàn)最大側(cè)移點(diǎn)位置一般出現(xiàn)在基坑開挖面附近,即Hh,max=H.統(tǒng)計(jì)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)表明,上海軟土地區(qū)地鐵車站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移點(diǎn)深度一般大于開挖深度,其值通常介于開挖面以上1.5m(Hh,max=H-1.5m)至開挖面以下7m(Hh,max=H+7m).當(dāng)基坑開挖深度較淺(H<10m)時(shí),圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移點(diǎn)深度位于開挖面以下(Hh,max>H),隨著開挖深度的不斷增加,圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移點(diǎn)深度逐步趨近于開挖深度,當(dāng)開挖至坑底后,圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移點(diǎn)深度一般位于坑底附近.Mana等根據(jù)粘土地基中11個(gè)基坑的監(jiān)測(cè)資料,結(jié)合Terzaghi建議的坑底隆起安全系數(shù),給出了圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大相對(duì)側(cè)移δh,max/H與坑底抗隆起安全系數(shù)Fs的關(guān)系,如圖5所示.本文統(tǒng)計(jì)的部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也繪于圖5中.除少數(shù)Fs<1.5的數(shù)據(jù)點(diǎn)外,上海軟土地區(qū)地鐵車站基坑的數(shù)據(jù)點(diǎn)基本位于Mana給出的下限附近,表明上海地鐵基坑工程施工規(guī)程規(guī)定的Fs≥2.2對(duì)于有效控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形是合理和有效的.2.2基坑開挖面s1坑外土體最大側(cè)向位移δsh,max與H的關(guān)系如圖6(a)所示.開挖至坑底時(shí),δsh,max=34.7mm(Q15測(cè)點(diǎn)).Q16、Q17和Q18三點(diǎn)位于坑外同一斷面,由近及遠(yuǎn)依次為Q16、Q17和Q18.從監(jiān)測(cè)結(jié)果知,各工況下Q16測(cè)點(diǎn)側(cè)移最大,Q17測(cè)點(diǎn)次之,Q18測(cè)點(diǎn)最小,表明距基坑越遠(yuǎn),基坑施工對(duì)土體的影響越小.δsh,max一般介于(0.23%H-17)～0.23%H,并不明顯小于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移,可能是由于本工程基坑開挖面正好位于上海地區(qū)第③、④層軟土.這2層土強(qiáng)度低、變形大、靈敏度高、側(cè)壓力系數(shù)大,具有明顯的流變特性,施工中土體的應(yīng)力釋放及土體的擾動(dòng)對(duì)基坑周邊軟土層變形的影響較大.坑外土體最大側(cè)移點(diǎn)深度Hs,max與開挖深度H的關(guān)系如圖6(b)所示.淺層土體開挖階段,Hs,max一般位于開挖面以下(Q18點(diǎn)例外),且基本保持在深度11m左右,當(dāng)H>13m,Hs,max逐步接近開挖面.Hs,max一般介于(H-3)～(H+7)m,即開挖面以上3m至開挖面以下7m.2.3ups-ls-msup統(tǒng)計(jì)的地表沉降δv,max與H的關(guān)系如圖7所示.數(shù)據(jù)點(diǎn)較少,離散性也較大,δv,max基本介于(0.05%～0.7%)H,所有測(cè)點(diǎn)的δv,max平均值為0.3%H,δv,max隨H的增加也大致表現(xiàn)為線性增長(zhǎng).統(tǒng)計(jì)的δv,max與δh,max的關(guān)系如圖8所示.兩者關(guān)系的影響因素多且復(fù)雜,除降水引起的土體固結(jié)變形外,基坑開挖卸荷效應(yīng)是引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和地表沉降的主要原因.而基坑開挖卸荷效應(yīng)受到場(chǎng)地地質(zhì)條件、基坑尺寸、開挖順序、開挖時(shí)間、超載、鄰近建筑物、圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、支撐形式與間距、支撐預(yù)加軸力大小與加載時(shí)間等因素的影響.因此,數(shù)據(jù)點(diǎn)有限且離散性較大,一般δv,max=(0.4～1.0)δh,max.3地鐵車站基坑變形(1)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移為基坑開挖深度的0.04%～0.6%,平均值為0.3%.圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形形態(tài)通常為深層凸鼓形,圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部和底部側(cè)向變形較小,圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移點(diǎn)深度一般位于開挖面以上1.5m至開挖面以下7m范圍.(2)最大地表沉降為開挖深度的0.05%～0.7%,為圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)向變形的0.4～1.0.圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形與地表沉降均隨著開挖深度的增加線性增加,開挖至坑底后兩種變形幾乎不再增加.(3)采用地下連續(xù)墻(包括支護(hù)