劉 毅, 張 勇, 袁 青, 陳佳瑋, 李元海, 唐曉杰

(1.中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430040；2 中交(廣州)建設(shè)有限公司，廣東 廣州 511458；3.中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；4.中國礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116)

地鐵車站的施工往往受既有管線、地面交通狀況、鄰近建筑物以及地形地貌的限制[1].鄰近邊坡基坑作為一種偏壓施工情況，隨著城市地鐵線路的增多以及更多的城市加入到地鐵修建的行列變得愈發(fā)地難以避免[2].

偏壓環(huán)境下的基坑變形及應(yīng)力分布作為一個復(fù)雜的三維空間問題[3]，當(dāng)偏壓荷載達到一定值時，基坑圍護結(jié)構(gòu)可能發(fā)生向非偏壓側(cè)的整體偏移[4]，嚴(yán)重影響基坑的穩(wěn)定性.近年來眾學(xué)者在圍護結(jié)構(gòu)變形、地表沉降以及開挖方案優(yōu)化等方面已開展了相應(yīng)的研究.LIU J.等針對工程實例，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形特征，指出偏壓環(huán)境下的基坑變形控制是保障施工安全的關(guān)鍵要素[5].石鈺鋒等基于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了緊鄰鐵路偏壓基坑圍護結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布特征[6].徐燁等以南京地鐵3號線明發(fā)廣場站偏載深基坑工程為背景，采用有限元模擬分析了偏載深基坑的圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形分布關(guān)系[7].劉波等針對偏壓非等深基坑進行了數(shù)值模擬分析，表明地表沉降分布具有明顯的空間效應(yīng)[8].王海龍等采用有限元軟件ABAQUS對臨江下立交匝道偏壓基坑進行了模擬分析并提出了優(yōu)化開挖方案[9].以上研究主要涉及明挖順作基坑，而傳統(tǒng)的明挖順作法因基坑暴露時間長、施工風(fēng)險高、對周邊交通環(huán)境影響大，較大地限制了其在中心城區(qū)的適用性.當(dāng)?shù)罔F車站橫跨交通主干道時，不得不采用順逆相結(jié)合的施工方式.目前關(guān)于偏壓環(huán)境下順逆結(jié)合施工基坑的穩(wěn)定性研究較少.

針對現(xiàn)有研究不足，本文依托深圳市軌道交通2號線蓮塘口岸地鐵站工程項目，首先基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對偏壓環(huán)境下順逆結(jié)合施工過程中地層及圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性情況進行了分析.為進一步研究邊坡偏壓及順逆結(jié)合施工方式對于基坑穩(wěn)定性的影響，基于有限差分程序FLAC3D采用不同模擬方案對施工的全過程進行了數(shù)值模擬，分析項目主要涉及地表沉降特性、地層剪應(yīng)力分布以及基坑圍護樁的變形特征.

1 工程概況

1.1 站位布置

蓮塘口岸站設(shè)于羅沙路與延芳路交匯處.車站西南角為貓窩山，地形為東低西高，坡底高程18.6 m，坡頂高程44.1 m，高差較大，坡度陡，對基坑產(chǎn)生偏壓作用，站位布置如圖1所示.

圖1 蓮塘口岸地鐵車站站位布置圖

1.2 工程地質(zhì)條件

車站地形起伏較大，場地標(biāo)高為20.23 ～56.12 m.沿線范圍內(nèi)地表分布有第四系全新統(tǒng)人工填堆填層(Q4 ml)及全新統(tǒng)沖洪積層(Q4al+pl)、中間主要為上更新統(tǒng)沖洪積層(Q3al+pl)、殘積層(Qel)，下伏主要由石炭系測水組上段石英砂巖(C1c2)、碎裂巖組成.揭露地層巖性從上至下主要為人工填土、粉質(zhì)粘土、強風(fēng)化石英砂巖、中風(fēng)化石英砂巖、微風(fēng)化石英砂巖，平均厚度分別為3.3 m、5.1 m、14.2 m、17.3 m、18.1 m.

1.3 蓮塘口岸站順逆結(jié)合施工工藝

蓮塘口岸站橫跨羅沙路段，車站施工過程中為保證道路不中斷，采用順逆結(jié)合的施工工藝.橫向平面內(nèi)，過羅沙路段采用蓋挖逆作法施工，車站其他區(qū)域開挖采用明挖順作法.南側(cè)明挖順作區(qū)域施工完成后進行中部蓋挖區(qū)施工，隨后施工北側(cè)明挖區(qū).順逆結(jié)合施工布置如圖2所示.

圖2 地鐵車站基坑平面布置

在進行交通疏解后，施工蓮塘口岸站圍護結(jié)構(gòu)及旋噴樁止水、臨時中立柱，隨后進行明挖順作段土體開挖，圍護結(jié)構(gòu)如圖3所示.明挖順作段縱向范圍內(nèi)第一、三、五道支撐采用鋼筋混凝土支撐，第一道支撐與冠梁直接連接.第三、五道設(shè)置混凝土腰梁，支撐水平間距9 m，均設(shè)八字撐.第一、三道支撐斷面尺寸為800 mm×1 000 mm，第五道支撐及腰梁尺寸為1 000 mm×1 200 mm；第二、四、六道支撐采用鋼支撐φ800(t=20 mm)，水平間距為3 m并與鋼腰梁連接，鋼腰梁采用2根I50c工字鋼通過連接鋼板焊接而成.蓋挖區(qū)頂板厚度1 000 mm，中板厚度為800 mm，底板厚度1 300 mm，均使用C35混凝土澆筑.車站基坑開挖采用自基坑南端單向開挖的順序，支護一層開挖一層.蓮塘口岸站基坑北側(cè)偏壓處采用拉錨樁進行支護，錨桿參數(shù)為φ22全長粘結(jié)性錨桿，打設(shè)角度20°，間距1.5 m，偏壓側(cè)樁底打設(shè)錨桿長度為6 m，其余位置長度為3 m.

圖3 蓮塘口岸站基坑圍護結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

2 基于現(xiàn)場監(jiān)測的基坑穩(wěn)定性分析

為了確保施工期間周邊建筑物、管線的安全，蓮塘口岸站施工過程中對工程區(qū)域地表、周邊建筑物及工程本身進行監(jiān)控量測.監(jiān)測布置根據(jù)現(xiàn)有設(shè)計圖紙及《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》GB50911-2013[10]進行.監(jiān)測項目主要包括圍護體系的變形、地表垂直位移、支撐結(jié)構(gòu)的軸力變化.

2.1 地表沉降分析

取基坑南側(cè)偏壓處、無偏壓處以及順逆結(jié)合交界處測點的地表沉降數(shù)據(jù)進行分析，分別繪制明挖(南、北)及蓋挖區(qū)開挖至標(biāo)高時的監(jiān)測結(jié)果，如圖4所示.開挖南側(cè)明挖區(qū)土體時，地表最大累計沉降值為5 mm，地表隆起值為3 mm.中部蓋挖區(qū)的施工對于基坑偏壓處的土體造成了一定的沉降增量，數(shù)值在1 mm左右，但整體的地表位移主要變現(xiàn)為沉降值的減小及地表隆起值的增大，這主要是由于蓋挖逆作封閉的結(jié)構(gòu)控制了擾動土層應(yīng)力場的擴散，且逆作區(qū)基坑結(jié)構(gòu)造成土體自重應(yīng)力增大，使得土層應(yīng)力場向初始應(yīng)力場轉(zhuǎn)變.此外，北側(cè)明挖區(qū)小范圍的基坑開挖對于土體的沉降影響較小.監(jiān)測過程中，地表沉降值及隆起均小于警戒值20 mm，處于穩(wěn)定狀態(tài).

圖4 蓮塘口岸站地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.2 水平支撐分析

為防止基坑開挖過程中樁體變形過大，通常采用鋼支撐及砼支撐組合的形式對圍護樁變形進行約束.支撐軸力的大小與樁體的水平變形具有相互制約、相互作用的關(guān)系.蓮塘口岸站南北側(cè)明挖區(qū)施工過程中的支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖5所示.支撐軸力的增大主要受南側(cè)明挖區(qū)開挖的影響，而中部蓋挖逆作區(qū)的施工使得支撐軸力產(chǎn)生了小幅的增大.北側(cè)明挖區(qū)開挖范圍較小，對于南側(cè)支撐軸力的影響較小.從數(shù)據(jù)上看，各支撐軸力均小于設(shè)計值的80%，處于穩(wěn)定狀態(tài).其中，砼支撐最大支撐力分別為6 000 kN及12 500 kN，分別為警戒值的73.2%、86.3%.鋼支撐最大支撐軸力為2 800 kN，占警戒值的50.5%.可見在類型的工程條件下，上文所述的鋼支撐的參數(shù)設(shè)計偏于保守，支撐體系的軸力設(shè)計方案仍存在一定的優(yōu)化空間.

圖5 蓮塘口岸站水平支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)

2.3 圍護樁及基坑邊墻土體變形

基坑外側(cè)圍護樁水平變形及基坑內(nèi)墻位移曲線如圖6所示.實測值位置選取為基坑鄰近邊坡處以及羅沙路蓋挖區(qū)附近，此三處位置圍護樁及土體的變形對于邊坡穩(wěn)定性控制以及交通干道安全的保障具有重要影響.其中：圖6(a)～(c)為圖示位置圍護樁變形曲線，圖6(d)～(f)為對應(yīng)位置墻體變形曲線.

對比圖6(a)～(c)可以發(fā)現(xiàn)，在明挖順作區(qū)及蓋挖逆作區(qū)施工過程中，圍護樁水平變形低于報警值20 mm，處于穩(wěn)定狀態(tài).南側(cè)明挖區(qū)開挖至地下30 m時，鄰近邊坡處偏壓側(cè)圍護樁最大水平變形為6 mm，無偏壓處為5 mm.而蓋挖逆作區(qū)產(chǎn)生了最大為4 mm的水平變形.當(dāng)中部蓋挖區(qū)施工完成時，三處位置均產(chǎn)生了水平變形增量.其中，鄰近邊坡的偏壓圍護樁CH1及蓋挖逆作區(qū)CH3在圍護樁中部產(chǎn)生了最大約5 mm的水平變形增量.北側(cè)明挖區(qū)由于開挖范圍較小，開挖長度方面約為0.1倍基坑總長，對于圍護樁的變形影響較小，在三處位置均產(chǎn)生約1 mm的水平變形增量.變形模式方面，明挖偏壓處及蓋挖逆作區(qū)圍護樁基本相同，呈現(xiàn)一種類“弓形變形”，最大水平變形出現(xiàn)在樁體中部.而無偏壓處圍護樁則呈現(xiàn)一種“前傾型”變形，最大水平變形出現(xiàn)在樁頂處.此外，水平支撐對于圍護樁的水平變形具有明顯的“抑制”，支撐位置附近的圍護樁變形明顯產(chǎn)生了一定的變形值縮減.

進一步對比圖6(d)～(f)可以發(fā)現(xiàn)，圍護樁對應(yīng)位置的土體變形略大于樁體變形，這種增量變形的現(xiàn)象在蓋挖逆作區(qū)更為明顯，在樁體中部相對于樁變形最大產(chǎn)生了6 mm的增量.可見進行順逆結(jié)合施工過程中，對于蓋挖逆作區(qū)邊墻土體需進行重點防護關(guān)注.類似于圍護樁變形特性，鄰近邊坡的偏壓側(cè)土體CXT1以及蓋挖逆作區(qū)CXT3變形較大，但均小于水平變形警戒值，處于穩(wěn)定狀態(tài).

圖6 基坑圍護樁及邊墻土體水平變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

3 有限差分?jǐn)?shù)值計算

基于現(xiàn)場監(jiān)測的分析，蓮塘口岸站順逆結(jié)合施工過程中基坑及圍護結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)，為進一步分析偏壓環(huán)境下采用順逆結(jié)合施工的影響，基于FLAC3D程序[11-12]對偏壓效應(yīng)及施工方式進行了模擬分析.

3.1 計算模型及材料參數(shù)

蓮塘口岸站基坑開挖深度約30 m，根據(jù)以往工程經(jīng)驗及有限元計算結(jié)果，基坑開挖影響寬度約為深度的3～4倍，影響深度約為開挖深度的2～4倍，在此范圍基礎(chǔ)上擴大計算區(qū)對模擬結(jié)果沒有顯著的影響[13].數(shù)值分析模型長、寬分別定為300 m、150 m.有邊坡部分，高程按實際相對高程取值，無邊坡部分，沿高程方向取土體范圍為70 m.由于深基坑開挖前已進行降水，故計算模型中沒有考慮地下水的作用.為分析偏壓及施工方式對于基坑穩(wěn)定性的影響，分別建立有、無邊坡模型，采用順逆結(jié)合及傳統(tǒng)明挖順作施工方法分別進行模擬，計算模型如圖7所示.

圖7 蓮塘口岸站基坑數(shù)值計算模型

計算區(qū)內(nèi)土體采用摩爾—庫倫模型，土層參數(shù)(見表1).邊坡支護采用預(yù)應(yīng)力錨索加鉆孔樁組合的形式，邊坡施工時先進行土方開挖和支護，再進行鉆孔樁施工.基坑順挖標(biāo)準(zhǔn)段水平支撐按實際設(shè)計值進行賦參.數(shù)值模擬過程中支護結(jié)構(gòu)采用FLAC3D結(jié)構(gòu)單元pile、beam、cable進行模擬，分別對應(yīng)基坑圍護樁、水平支撐以及錨桿，其參數(shù)如表2所示.

表1 巖土體模型物理力學(xué)參數(shù)

注：γ為重度；E為彈性模量；μ為泊松比；c為內(nèi)聚力；φ為內(nèi)摩擦角

表2 支護結(jié)構(gòu)參數(shù)

注：γ為重度；E為彈性模量；μ為泊松比

3.2 監(jiān)測—模擬數(shù)據(jù)對比

選取偏壓模型基坑南側(cè)明挖段第1～6層開挖過程中，基坑拐角處地層沉降模擬數(shù)據(jù)進行對比分析.如圖8所示，隨開挖進行，地表位移呈波動性變化，整體表現(xiàn)為小幅減小的趨勢.現(xiàn)場監(jiān)測值與模擬數(shù)據(jù)的變化趨勢基本一致，且數(shù)據(jù)處于同一數(shù)量級內(nèi)，最大誤差小于0.5 mm，可見模型參數(shù)取值合理，模擬數(shù)據(jù)可基本反映實際地表的位移特性.

圖8 地表位移數(shù)值模擬與監(jiān)測對比分析

樁頂變形與周圍土體的變形有著密切聯(lián)系，基坑開挖過程中，樁頂?shù)奈灰票O(jiān)測對于基坑穩(wěn)定性分析具有重要意義.選取南側(cè)明挖段基坑開挖過程中偏壓一側(cè)圍護樁數(shù)據(jù)進行對比分析，對比曲線如圖9所示.從對比結(jié)果上看，各層開挖后監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的波動趨勢基本一致，最大誤差小于1 mm，數(shù)值模擬的樁變形數(shù)據(jù)基本能反映實際工程中的圍護樁變形情況.

圖9 圍護樁頂水平變形數(shù)值模擬與監(jiān)測對比分析

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 沉降影響區(qū)分析

Hsieh等[14]根據(jù)大量基坑的實測資料，得出基坑支護墻后地表沉降曲線通常為凹槽式分布，最大沉降點距離支護墻邊界具有一定距離，這主要與開挖卸載后土層的應(yīng)力分布有關(guān).通常地表沉降分布區(qū)域分為主要影響區(qū)和次要影響區(qū)兩部分[15]，d/H是基坑開挖后地表沉降的影響距離與基坑開挖深度的比值.圖10所示為三種工況下地表沉降影響區(qū)的劃分示意，其中測線2及測線3處于交通主干道附件，地表沉降對于地面交通環(huán)境的安全具有重要影響.偏壓環(huán)境下順逆結(jié)合施工開挖完成時，基坑周圍地表沉降主要影響區(qū)分布于0～1.25H范圍內(nèi)，次要影響區(qū)分布于1.25～2.0H范圍內(nèi)(H為開挖深度).各測線處最大地表沉降位置略有不同，基坑短邊處(測線#1)出現(xiàn)在0.30H，基坑長邊偏壓處(測線#2)出現(xiàn)在0.20H，而長邊無偏壓處(測線#3)則出現(xiàn)在0.25H.當(dāng)采用全范圍明挖順作方法施工時，沉降影響范圍基本不變，影響邊界位于2.0H處，但測線范圍內(nèi)的最大沉降值較順逆結(jié)合施工有所增長，這主要是由于全明挖施工更大范圍的開挖卸載所導(dǎo)致的.無偏壓模型模擬數(shù)據(jù)顯示，基坑開挖的沉降影響范圍較偏壓環(huán)境有所減小，影響邊界位于1.6H處.測線2及測線3的沉降分布曲線特征相似，在0.25H處出現(xiàn)最大沉降點.可見，偏壓環(huán)境將擴大25%的沉降影響范圍，而順逆結(jié)合的施工方式可減小一定的地表沉降值，但對沉降范圍的影響較小.以上這些數(shù)據(jù)也為信息化施工監(jiān)測中合理布置地表沉降點提供了依據(jù).

圖10 基坑周圍地表沉降影響區(qū)劃分

為進一步獲得偏壓基坑順逆結(jié)合施工過程中施工區(qū)周圍地層易于產(chǎn)生破壞的風(fēng)險區(qū)域，選取最大剪應(yīng)力指標(biāo)進行分析.圖11為蓮塘口岸站基坑南北明挖區(qū)及中部蓋挖逆作區(qū)開挖完成時截面范圍的最大剪應(yīng)力云圖，截面位置如圖中所示.基坑開挖的3個主要階段土體范圍內(nèi)最大剪應(yīng)力值約1 MPa.受偏壓作用影響，開挖完成時，近坡處的最大剪應(yīng)力值明顯大于無偏壓處，此種現(xiàn)象在南、北側(cè)明挖區(qū)尤為顯著.此外，坑壁沿高程下部區(qū)域尤其是基坑坑底較上部產(chǎn)生了更大的剪應(yīng)力集中，在施工監(jiān)測及防護過程中需重點關(guān)注.

圖11 基坑開挖區(qū)周圍地層最大剪應(yīng)力分布圖(單位：Pa)

3.3.2 圍護樁變形分析

圍護樁位移與基坑變形有著密切聯(lián)系，為分析偏壓環(huán)境及順逆結(jié)合施工方法對于圍護結(jié)構(gòu)的變形影響，繪制三種施工條件下圍護樁的變形曲線.選取邊坡處偏壓側(cè)及無偏壓側(cè)圍護樁以及蓋挖逆作區(qū)圍護樁變形數(shù)據(jù)進行分析，PileA、PileB及PileC的位置如圖12位置示意.邊坡偏壓的存在對于鄰近邊坡處圍護樁具有較大的影響，近坡處最大產(chǎn)生了1.2 mm的水平變形增量，遠坡處產(chǎn)生0.8 mm的增量.但對于蓋挖逆作區(qū)圍護樁的水平變形影響較小，約產(chǎn)生了0.5 mm的水平變形增量.這主要在于蓋挖逆作封閉的結(jié)構(gòu)可有效控制擾動土層應(yīng)力場的擴散.在變形模式方面，偏壓的存在使得原有的樁變形情況變得更加顯著，具體表現(xiàn)為前傾變形值增大以及“弓形變形”樁中部變形值加大，原因在于鄰近邊坡造成偏壓側(cè)土體自重應(yīng)力增大，非對稱的應(yīng)力分布情況使得樁體在不同深度位置產(chǎn)生不同程度的水平變形增量.進一步觀察施工方式對于圍護樁的變形影響：采用基坑全范圍明挖順作方式在基坑不同位置產(chǎn)生了圍護樁水平變形增量.偏壓處圍護樁變形影響最為明顯，相對于順逆結(jié)合施工方式，PileA樁頂產(chǎn)生了1 mm的變形增量.基坑全范圍明挖順作造成土體開挖卸載效應(yīng)增大，在圍護結(jié)構(gòu)參數(shù)條件不變的情況下進而產(chǎn)生了圍護樁水平變形的增加.由此可見，圍護參數(shù)的設(shè)置與開挖方式的選擇具有緊密聯(lián)系.

基坑西側(cè)貓窩山坡腳處采用拉錨樁支護，為分析拉錨作用對于圍護樁的變形影響，分別模擬有、無拉錨兩種計算工況下的圍護樁變形特征.如圖13所示，受偏壓影響，無拉錨圍護樁樁頂產(chǎn)生了較大的偏壓傾斜現(xiàn)象，變形模式呈現(xiàn)為“前傾型”，相比于拉錨樁支護，最大水平變形從2 mm增至21 mm(約10倍)，已接近圍護結(jié)構(gòu)變形警戒值.可見，拉錨作用對于偏壓環(huán)境下圍護樁結(jié)構(gòu)的樁頂變形控制具有重要影響.

圖12 基坑圍護樁水平變形分析

圖13 基坑偏壓側(cè)圍護樁拉錨作用分析

4 結(jié)論

(1)地鐵車站橫跨城市交通干道時，采用順逆結(jié)合施工方案可緩解基坑工程施工進度與現(xiàn)有交通之間的矛盾.順逆結(jié)合施工方法在蓮塘口岸地鐵車站修建中得到了成功應(yīng)用.基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，施工過程中基坑土體及圍護結(jié)構(gòu)均處于穩(wěn)定狀態(tài).

(2)數(shù)值分析結(jié)果表明，蓮塘口岸站順逆結(jié)合施工完成后的地表沉降主要與次要影響區(qū)分別在0～1.25H和1.25～2.0H之間，最大沉降出現(xiàn)在0.25H區(qū)域附近，相對于無偏壓環(huán)境擴大了25%的沉降影響范圍.順逆結(jié)合的施工方式可減小一定的地表沉降值，但對沉降范圍的影響較小.開挖過程中坑壁沿高程下部區(qū)域尤其是基坑坑底較上部產(chǎn)生了更大的剪應(yīng)力集中，在施工監(jiān)測及防護過程中需重點關(guān)注

(3)邊坡偏壓的存在對于鄰近邊坡處圍護樁具有較大的影響，但對于蓋挖逆作區(qū)圍護樁的水平變形影響較小.順逆結(jié)合施工方式由于單次開挖范圍較小，卸載效應(yīng)相對于全范圍明挖順作的施工方式較弱，所產(chǎn)生的圍護樁水平變形值較小.

(4)蓮塘口岸站偏壓側(cè)圍護樁拉錨作用對于基坑穩(wěn)定性的控制作用較為顯著，相對于無錨索情況最大可有效縮減10倍的圍護樁水平變形.