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地铁区间隧道基坑的变形分析
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内容提示： 通过对南京地铁明挖段基坑工程变形情况进行分析,指出狭长条形基坑的变形特征,并分析不均匀超载、降水、地表刚度、开挖范围及开挖时间对基坑变形的影响规律,提出相应的控制基坑变形的工程措施。
摘 要 通过对南京地铁明挖段基坑工程变形情况进行分析,指出狭长条形基坑的变形特征,并分析不均匀超载、降水、地表刚度、开挖范围及开挖时间对基坑变形的影响规律,提出相应的控制基坑变形的工程措施。（参考《建筑中文网》）
关键词 侧移 沉降 不均匀超载 降水 地表刚度
近年来,地铁工程建设在许多城市相继展开,已成为现代城市建设的重要部分。地铁区间隧道的施工中,较多地采用了盾构法和明挖法,前者主要应用于埋深较深的隧道施工,而对于覆土深度浅于5m的隧道,一般则采用基坑支护下明挖法施工。
明挖法地铁区间隧道基坑一般为狭长条形,周围环境变化较大,因而影响基坑变形的因素较多,其中许多因素具有不确定性,使得精确计算基坑的变形十分困难。在工程实践中,更多地依靠“理论导向、量测定量、经验判断、精心监控”[1]综合技术控制基坑的变形。
1 工程实例
南京地铁为南北走向,全长由高架段、地面段和地下段几部分组成,其中埋深较浅的TA4标过渡段区间隧道采用明挖法施工,基坑长312.542m,宽12.90~14.00m,北部开挖深度为8.75m,南部3.50m。该工程东边为城市一主干道,西边北部为一居民区,住宅楼均为6层砖混结构,筏板基础,南部为城市道路及部分生活设施管线。主要地层情况如下:
①杂填土,层厚1m左右;
②素填土,层厚3m左右,微透水,Es,1~2=4·36MPa;
③粉土,层厚2m左右,微透水,稍密,Es,1~2=7.04MPa,C=23kPa,Φ=22.8°;
④淤泥质粉质粘土,层厚12m左右,不透水,软流塑,Es,1~2=3.71MPa,C=14kPa,Φ=9.6°;
⑤粉质粘土,层厚7m左右,不透水,可塑,Es,1~2=7.06MPa,C=61kPa,Φ=9.4°。
该工程北部围护结构为SMW工法挡土墙,水泥土搅拌桩直径为850mm,搭接250mm,型钢为700mm×300mm×12mm×14mm的H型钢,间隔布置(中心距1200mm),水泥土的强度在1.0Mpa以上,设置两道609支撑;中部水泥土搅拌桩直径为650mm,搭接200mm,型钢为500mm×250mm×10mm×12mm的H型钢,间隔布置,设置两道Φ609支撑;南部采用由格栅式水泥土素桩组成的重力式挡土墙。根据工程现场情况及要保护的建筑物情况,在现场布置了两个测斜孔、5个水位观测孔及18个沉降观测点,各测点布置图如图1所示。
围护结构施工完成1个月后开始进行坑内降水,20天后,预计坑内水位以降至开挖面以下,此时观测到坑外水位下降了0.38m,稳定水位10天后设置首道支撑(Φ609钢管),并开始进行开挖。由于基坑较长,采取分段开挖施工的方法,首先开挖北面大约80m长的一段。当开挖至地表下4.5m处时,测得1号沉降观测点沉降值达36.1mm并报警,但此时1号测斜孔测得的围护结构最大侧移仅为16.2mm,当时认为沉降较大是由于降水引起,可能基坑未开挖部分某处出现了渗漏,而当时水位已满足施工要求,便停止降水,继续开挖至地表下6m处,设置第2道支撑,然后开挖至基底,此时测得基坑围护结构最大侧移为58.2mm,超出预估侧移35mm较多,地表沉降最大处(4号点)达43.2mm,地面并出现部分平行于基坑方向的裂缝,此后围护结构侧移在开挖停止后仍在不断增加,但进展较少,浇筑隧道底板后,围护结构侧移也稳定下来。整个施工过程中周围的居民住宅楼未发现任何破坏。
2 变形特征
从基坑变形监测结果可看出该基坑的变形具有以下特征:
(1)总体看来,该基坑工程的变形较正常情况大,但基本达到了对周围建筑物和管线保护的目的。
(2)围护结构的侧移最大处位于开挖面附近稍低于开挖面,总体变化趋势呈抛物线状(见图2)。
(3)基坑周围地面沉降最大值发生在基坑边缘,随着离基坑距离的增大基本上呈线性减小(如图3)。其最大沉降值与围护结构的最大侧移值之比大约等于0.75,地表沉降范围大约为30m,这比文献[2]计算结果大了近1倍,基本等于住宅楼所在的范围。
3 变形原因分析
结合工程现场具体情况,对该基坑的变形特点进行深入分析研究,笔者认为该工程产生较大变形的原因主要有以下几个方面:
1)不均匀超载
采用文献[3]的方法对该基坑进行变形估算,如取地面超载q=30kPa,则基坑围护结构最大侧移为31.2mm,如取地面超载q=100kPa,这基本等于6层居民楼基底的压力,则计算所得的最大侧移将达42.3mm。由于本基坑工程西边建筑物较密集,而东边较空旷,两边超载差别较大,同时基坑采用了内支撑,使得基坑产生部分向东的整体位移,势必加剧基坑西边的变形。工程中虽未对东边围护结构的侧移进行量测,但沉降观测结果充分说明了这一现象,当4号点沉降达43.2mm时,16号点的沉降仅为13.8mm,预计东边围护结构的侧移约为20mm。
2)地面刚度
由于本工程周围住宅楼的基础采用了筏板基础,整体性好且刚度大,这相当于增强了地表的强度与刚度,减小了基坑开挖引起的地表不均匀沉降,但同时增大了基坑开挖影响范围,使地表沉降范围扩大到整个建筑物基础范围内。同时,有效地增强了地表对基坑变形的耐受能力,虽然开挖后期,地表出现了许多平行于基坑方向的裂缝,但房屋内地坪未发现任何新的破坏。
坑内降水势必造成围护结构侧移,引起坑外地面下沉。同时,地下水位下降后,地基附加应力增加,也将造成地面下沉。本工程在开挖前期,进行坑内降水的同时,引起坑外水位降低了0.38m,所以坑外发生了较大的地面沉降,停止降水后,地面下沉明显减缓。
4)时空效应
由于本工程所在的土层透水性很差,根据文献[4]受时间效应的影响,开挖后在相当长的一段时间内,基坑的变形都将缓慢增长。同时,由于本基坑平面为狭长条形,受空间效应的影响,其变形应比一般平面尺寸较小的方形或圆形基坑较大。
4 控制基坑变形的工程措施
根据当时基坑变形的特点,笔者认为该基坑支护结构的强度已满足要求,其变形也未造成需要保护的建筑物的损伤,基本已达到基坑工程支护的目的,但由于变形较大,并且在缓慢增长,对附近的建筑物仍存在潜在的危险。因此,会同工程技术人员提出了以下控制措施:
(1)加快施工进度,提高隧道底部垫层混凝土的强度等级至C30,并在垫层内加配直径为16mm,间距为200mm双向钢筋网片,以期求尽早在基底施加一道支撑。
(2)由于工程所处土层透水性很差,在施工可行的情况下尽量减少降水,并对基坑渗漏处及时堵漏。
(3)合理组织施工现场,适当在基坑东边堆载,以缓和基坑两边超载不均匀的矛盾。
(4)采取分段施工,减小一次开挖的范围,每次开挖后,尽快浇筑垫层和底板。
经过采取以上措施,有效地控制了基坑的变形,在后续工段施工的过程中,基坑围护结构的侧移及西边地表的沉降均有不同程度的减轻。实测基坑围护最侧移控制在41mm内,地表沉降最大处控制在30mm以内,保证了基坑施工及周围建筑物的安全。
5 结论
综合以上分析可得出如下结论:
(1)基坑周围存在不对称的超载时,将引起超载较大的一边的变形加大,超载较小的一边的变形减小,对这类基坑分析应积极探讨整体分析方法。
(2)基坑降水应随着基坑开挖分阶段进行,同时应严格控制基坑周围重要建筑物和管线处的水位。
(3)在软土地区,基坑开挖步序及开挖后暴露时间均对基坑变形产生一定的影响,在施工中应充分考虑时空效应对基坑变形的影响。
(4)整体性较好的建筑物对基坑变形的耐受能力较强,同时对基坑变形具有一定的抵抗作用。
参考文献
[1]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997·
[2]侯学渊,陈永福.深基坑开挖引起周围地基土沉陷的计算[J].岩土工程师,1989,1(1)·
[3]孔德志.SMW工法土挡墙的性能分析及在南京地铁工程中的应用[D].同济大学硕士学位论文,2001.
[4]刘建航,侯学渊,等.基坑时空效应理论和实践[R].上海市科委课题报告,1997.
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200807/8921.htm
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