承压水地层地铁宽基坑围护结构的变形特征

2022-02-18董凯孔恒郭飞张旭徐煌华

科学技术与工程 2022年2期

董凯，孔恒，郭飞，张旭，徐煌华

(1.北京市政建设集团有限责任公司，北京 100048； 2.内蒙古科技大学土木工程学院，包头 014010)

城市大型建筑中、城市轨道交通工程中以及城市特殊建筑中都存在大型基坑开挖工程。城市地铁车站开挖宽度越来越大，且伴随承压水的存在，这会带来一系列的复杂的岩土工程问题。中国地铁基坑施工中安全问题主要是挡土支护整体失效或局部失效引起的，占工程总事故的10%～20%[1]。为保证基坑安全施工，学者们通过模拟研究和实测分析得出了许多基坑变形特征、时空效应及变形因素等许多有益于工程实践的结论。

通过数值模拟研究学者们发现不同参考应力下的摩尔库伦本构模型比单一参考应力下的摩尔库伦本构模型预测变形更加精确，数值模拟结合现场监测数据及采取土方分区开挖进行实时监测、实时建模的方法，能较好地反映基坑实际土方开挖情况和围护结构变形特性[2-4]。不同地区的基坑变形特性有所差异，如南京地区地铁基坑围护结构最大水平位移为0.09%～0.24%开挖深度，苏州地区地铁车站基坑围护结构最大水平位移平均值为0.20%开挖深度，北京地区基坑围护结构最大水平位移为0.04%～0.218%开挖深度[5-7]。空间效应上，学者研究发现基坑的空间效应沿远离坑角方向衰减且基坑长深比越大空间效应越明显，临界面尺寸可有效地减小围护结构的变形，因此基坑支护结构设计时应充分考虑时空效应[8-10]，开挖时应采用分层、分区、分段，边开挖边支护开挖的方法，减小土体扰动[11]。影响围护结构变形因素较多，主要包括支撑架设及梁板结构施作是否及时[12-13]、土层性质[14]、围护桩刚度和入土深度[15]、钢支撑间距、预应力设置值及开挖方式等[16-17]。学者们对基坑围护结构变形进行了多方面研究，但对于伴随承压水地层的宽基坑研究较少，基坑边开挖、边施作主体结构方面基坑变形规律也研究较少，且目前针对宽基坑围护结构概率统计的内容不明确。

为此，现以北京上清桥站宽基坑工程为依托，通过数值模拟和现场监测，研究围护结构水平位移规律，并采用概率统计的方法，研究基坑工程的围护结构变形特征，以期对承压水地层基坑工程围护结构变形做进一步的了解，并为后期同类工程的施工提供一定的借鉴。

1 工程概况

北京昌平线南延工程06标上清桥地铁车站采用明挖法施工，为地下双柱三跨结构形式的岛式车站。车站规模为351.2 m×28.9 m，底板埋深为32.652 m，顶板覆土为7.772 m。上清桥站深基坑工程平面布置如图1所示。

车站所处杂填土①层、中粗砂②4层、粉质黏土③1层、粉质黏土④层、粉细砂④3层、中粗砂⑤1、卵石⑤层、粉质黏土⑥层、粉质黏土⑦4层，如图2所示。

地下连续墙成槽深度约为46.65 m，嵌固深度为12 m。承压水(三)水位埋深约19.32 m，承压水(四)水位埋深约29.22 m。

上清桥站基坑围护结构采用厚1 000 mm地下连续墙、砼支撑和钢支撑的围护支撑体系。设5道支撑，第1道支撑采用钢支撑和砼支撑混合形式，第2～5道支撑均为钢支撑，砼支撑水平间距为6 m，钢支撑水平间距为3 m。沿基坑跨中设置φ1 500 mm立柱桩，桩长15 m，立柱上方设置格构柱，格构柱插入立柱桩的深度不小于3 m。上清桥站全长352.1 m，共有135幅地连墙，其中有标准直型墙幅129幅、特殊L型墙6幅，共设置23个围护墙体水平位移测点，测点平面布置如图3所示，使用活动式测斜仪进行地连墙变形监测，现场围护墙变形控制值标准为30 mm。基坑共划分为15个流水段，每段长度20～27 m。基坑开挖采用“纵向分区、竖向分层、随撑随挖、中间拉槽”的施工方法，纵向分为15个流水段，进行流水段开挖，依次开挖形成台阶状出土通道，竖向分层开挖共分6层，做到随挖随撑。

图1 工程平面布置图Fig.1 Project floor plan

图2 典型的围护结构横剖面Fig.2 Cross section of typical envelope

2 宽基坑变形预测分析

2.1 建立模型

建立三维模型，包含87 559个单元和161 971个节点。模型尺寸为595 m×255 m×68 m(长×宽×

高)，基坑区域尺寸为352.3 m×34.6 m×30.5 m(长×宽×高)，如图4(a)所示。地层简化为4.95 m厚杂填土、8.1 m厚中粗砂、16.9 m厚粉质黏土、4 m厚粉细砂、4.55 m厚卵石圆砾、39.5 m厚粉质黏土。基坑区域分五层，开挖厚度依次为6、9、7、5.5、3 m。地下连续墙深46.65 m，嵌入土层16.15 m，如图4(b)所示。由于存在一层潜水和两层承压水，在数值模型中地表以下10、17、28.5 m三处水平面上设置水头。

2.2 计算参数

地层采用修正摩尔-库伦模型，可以改善摩尔-库伦本构引起基坑隆起过大问题，钢、混凝土支撑及地连墙结构使用弹性本构。根据岩土工程勘察报告以及相关规范确定计算参数如表1所示。地层采用实体单元模拟，地连墙采用板单元，钢支撑、混凝土支撑采用梁单元。

共设计两组数值方案，方案1是按照实际工程进行基坑降水，并进行出土方开挖和主体结构施工；方案2是基础对比工况，按照实际工程进行基坑降水，并进行出土方开挖，但是不拆除支撑和施作主体结构。两组方案基坑开挖步骤一致，先施工地下连续墙，再按照实际施工顺序进行土方降水、开挖和支撑。基坑水平方向分为15仓，竖直方向分为5层。

图3 基坑流水段及测点平面布置Fig.3 Layout of flow section of foundation pit and measuring points

图4 模型建立Fig.4 Model building

表1 计算参数Table 1 Calculation parameters

2.3 计算结果分析

由图5(a)可知，围护墙体存在局部变形较大的地方，基坑西侧围护墙体水平位移最大值为39.1 mm，基坑东侧围护墙体水平位移最大值为46.9 mm，最大水平位移都超过了现场变形控制值30 mm。方案2基坑西侧围护墙体水平位移最大值为15.3 mm，基坑东侧围护墙体水平位移最大值为16.2 mm，方案2围护墙体水平位移明显小于方案1。为研究围护结构变形超限原因，下面通过分析围护墙体随施工工况变形特征研究发生该现象原因，不同工况下围护墙体水平位移图，如图6所示。

从图6可以看出，在基坑开挖至基底时，围护墙体最大变形为14 mm，远小于变形控制值30 mm，当拆除第4、5道支撑时，地连墙17 m深度以下，变形迅速增加，拆除第1、2道支撑时，地连墙变形超过控制值，可见，基坑支撑的拆除对基坑的变形影响很大。通过对比基础方案2与方案1，进一步研究围护结构超限原因。

图5 基坑围护结构水平位移云图Fig.5 Cloud diagram of horizontal displacement of foundation pit retaining structure

由图7中方案2云图可知，围护墙体变形主要表现为，中部变形大两端小的特点，从变形值及变形状态来看，基坑东西两侧地连墙大致相同，基坑西侧围护墙体水平位移最大值为15.3 mm，基坑东侧围护墙体水平位移最大值为16.2 mm，最大水平位移都小于现场变形控制值30 mm，方案1的最大围护墙体水平位移是方案2的最大围护墙体水平位移的3.07倍，可见方案1的变形较大，因此，在主体施工拆除支撑对围护墙体的变形影响较大。由图7中方案1和方案2围护墙体水平位移对比也可以看出，方案1的变形明显大于方案1，且最大变形位置明显，大致在地连墙深度23 m深度位置处。

图6 不同工况下围护墙体水平位移Fig.6 Horizontal displacement of retaining wall under different working conditions

图7 最大围护墙体水平位移对比Fig.7 Comparison of maximum horizontal displacement of enclosure wall

通过上述分析及结合现场施工情况，造成围护墙体变形大的原因主要是：局部拆除组合支撑之后大约需要一个月时间才能完成主体结构施作，而这段时间基坑围护结构由于没有足够刚度导致向坑内产生较大变形，这种方式尽管加快了施工进度，但拆除支撑导致的基坑缺少足够支撑作用及结构浇筑后强度到达设计值也需要一定时间，这会使得围护结构在一定时间内存在刚度不足现象，因此实际施工中应该在拆除支撑之后尽快进行该部主体结构施作防止变形过大。

说出从血液中初步获取血红蛋白的原理和方法；说明凝胶色谱法的原理和方法；说出SDS-PAGE电泳的基本原理和方法；进行样品的预处理；运用凝胶色谱法对血红蛋白进行分离纯化；运用SDS-PAGE电泳对血红蛋白进行纯度鉴定。

3 宽基坑变形实测分析

为了更好地说明研究结论，通过结合现场实测数据，选择不同位置处围护结构墙体水平位移进行进一步分析。北京上清桥站基坑围护墙体水平位移监测点共有23个，从2019年5月1日开始监测。选择基坑北扩大段、标准段及南扩大段典型测点，绘制测点围护墙体水平位移-时程曲线，如图8～图10所示，围护墙水平位移测点变形值为正表示向基坑内偏移，为负表示向基坑外偏移。

由图8可知，基坑北扩大段围护墙体的整体变形趋势来看，墙体水平位移呈增大趋势，并呈现出中部大、上部与底部小的凸形。在基坑开挖初期，凸出部位(即最大位移处)靠近上部，随着开挖深度的增加，该位置逐步下移；墙体水平变形随开挖深度增大而不断增大，但不同阶段墙体变形的增幅存在差异。围护墙水平变形模式始终呈现为“抛物形”，墙体水平变形以8 m处为分界点，向上基坑以向基坑外变形为主，向下以向基坑内变形为主，最大变形位置在向下移动，最大变形的位置最终固定在25 m深度左右处。由于存在两层高承压水，围护结构承受了较大的水土压力荷载，在底板结构施工完成后，围护结构的水平变形速率显著增加。

相比较于北扩大段墙体水平位移测点，标准段墙体水平变形分界点下移现象较为明显，大体分布在10～15 m，且个别测点下移到了20 m，下移越多，墙体上部分向基坑外偏移越明显。标准段墙体最大变形位置最终固定在27 m深度处左右，相比较于北扩大端最大变形的位置，也相对向下移动。

南扩大段墙体水平位移测点最大水平位移位置大致在25 m处，墙体水平变形分界点在5～10 m，除ZQT-11-02测点之外，其余测点最大变形值都超过了控制值30 mm，ZQT-10-01、ZQT-10-01测点在基坑开挖到22 m时，变形超过控制值，ZQT-11-01测点在基坑底板结构施工完成时，变形超过控制值。

图8 基坑北扩大段围护墙体水平位移Fig.8 Horizontal displacement of retaining wall in the northern enlarged section of foundation pit

图9 基坑标准段围护墙体水平位移Fig.9 Horizontal displacement of retaining wall in standard section of foundation pit

图10 基坑南扩大段围护墙体水平位移Fig.10 Horizontal displacement of enclosure wall in south enlarged section of foundation pit

通过上述分析可知，围护墙体水平位移变形的整体趋势来看，墙体水平位移随工况呈增大趋势，并呈现出“抛物形”；凸出部位(即最大位移处)随着开挖深度的增加，该位置逐步下移；墙体水平变形随开挖深度增大而不断增大，但不同阶段墙体变形的增幅存在差异；变形分界点越接近基底，墙体上部分向基坑外偏移越明显；主体结构施工阶段墙体水平变形明显。

4 围护墙变形概率分布特征

对于宽基坑工程目身和周围环境的安全事故，围护结构水平位移、坑底隆起量、周围地面沉降量都是能够反映基坑工程安全状态的参数，其中围护结构水平位移对于一般的基坑工程事故类型，都具有较好的指向性和敏感性。宽基坑工程安全风险主要控制指标为围护结构水平位移最大值δhm及其深度位置Hhm。

4.1 最大水平位移大小概率分布特征

围护墙水平位移最大值δhm及其深度位置Hhm是描述围护墙变形的两个基本特征值。通过统计23个围护结构墙体水平位移测点在施工期间的5个不同开挖深度He(开挖深度5、15、22、27.5、32 m)下最大水平位移，绘制围护墙最大水平位移大小与开挖深度关系图，如图11所示。

围护墙水平位移最大值δhm与开挖深度He呈线性关系。δhm/He介于0.05%～0.15%。基坑开挖深度≤15 m时，围护墙水平位移都处于控制值标准30 mm范围内，δhm/He较小，小于0.1%；基坑开挖22 m时，围护墙水平位移超过30 mm，δhm/He最大超过了0.3%。；在开挖接近基坑底部时，δhm相对发散，但大部分数据还是集中在一定范围。该基坑的δhm/He平均值为0.15%，23个测点最大水平位移测点，超过现场监测控制值标准30 mm的有18个，超过控制值标准比例为78%。

根据上清桥站基坑开挖深度5、15、22、27.5、32 m对应的围护墙水平位移最大值，得到各围护墙水平位移最大值与开挖深度比值的概率分布特征，如图12所示。

由图12可知，δhm/He分成15个区间，各区间的长度为0.02%，δhm/He集中分布在0～0.13区间，概率总和为85%。采用Logistic函数拟合结果的方差较小，可见数据离散性不大，概率密度较高的区间也符合常规对于δhm/He的认识，说明结果可信。通过上述概率统计分析，围护结构水平位移最大值与开挖深度比值δhm/He拟合函数样本均值为0.13%，可将样本均值作为该基坑指示值，判断基坑随开挖围护结构最大变形值。《上海地基基础设计标准》(DGJ08-11—2018)根据上海软土基坑工程经验，规定从一级基坑至三级基坑，δhm/He分别为0.14%、0.3%和0.7%[14]。上清桥站基坑等级为一级，其δhm/He样本均值与现规范大致相同。通过累计概率曲线还可以估计该基坑变形小于某值的发生概率，更加便于控制估计的结果带来的风险。

图11 最大水平位移大小与开挖深度关系Fig.11 The relationship between the maximum horizontal displacement and the excavation depth

图12 δhm/He概率分布Fig.12 δhm/He probability distribution

4.2 最大水平位移深度位置概率分布特征

上清桥站围护墙最大水平位移深度与开挖深度关系如图13所示。当He=5 m时，Hhm的范围是0～5 m；当He=15 m时，Hhm的范围是10～20 m；当He=22 m时，Hhm的范围是15～30 m；当He=27.5 m时，Hhm的范围是17～33 m；当He=32 m时，Hhm的范围是15～33 m。可见，随着基坑的开挖最大水平位移的位置也随着向下移动。由图13可知，上清桥站围护墙最大水平位移深度Hhm总体处于0.375～1.333倍的开挖深度He的范围内。

图13 最大水平位移位置与开挖深度关系Fig.13 The relationship between the maximum horizontal displacement position and the excavation depth

为确定上清桥站基坑开挖导致的围护墙变形的模式，还需对围护墙水平位移最大值位置Hhm进行同样的概率统计分析，这样就可通过这两个量的分布特征研究围护墙可能变形状态。各围护墙水平位移最大值位置与开挖深度比值的概率分布特征，如图14所示。

通过对Hhm/He统计，将其分为7个区间，区间长度0.2，Hhm/He概率分布主要在0.6～1.0区间，概率总和为0.64，超过了总数的一半。通过对不同开挖深度范围的Hhm/He概率密度的统计，得到了Hhm/He的分布仍然比较符合正态分布函数。拟合函数的样本的均值为0.71，与实际样本均值基本相同。通过统计分析得到的采用正态分布函数拟合Hhm/He的概率分布的标准差为0.12。根据文献[18]，上海、台北和新加坡地区的Hhm/He概率特征值与本文研究中有所差异，如表2所示。