董凱， 孔恒， 郭飛， 張旭， 徐煌華

(1.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100048； 2.內(nèi)蒙古科技大學(xué)土木工程學(xué)院， 包頭 014010)

城市大型建筑中、城市軌道交通工程中以及城市特殊建筑中都存在大型基坑開挖工程。城市地鐵車站開挖寬度越來越大，且伴隨承壓水的存在，這會帶來一系列的復(fù)雜的巖土工程問題。中國地鐵基坑施工中安全問題主要是擋土支護(hù)整體失效或局部失效引起的，占工程總事故的10%～20%[1]。為保證基坑安全施工，學(xué)者們通過模擬研究和實測分析得出了許多基坑變形特征、時空效應(yīng)及變形因素等許多有益于工程實踐的結(jié)論。

通過數(shù)值模擬研究學(xué)者們發(fā)現(xiàn)不同參考應(yīng)力下的摩爾庫倫本構(gòu)模型比單一參考應(yīng)力下的摩爾庫倫本構(gòu)模型預(yù)測變形更加精確，數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及采取土方分區(qū)開挖進(jìn)行實時監(jiān)測、實時建模的方法，能較好地反映基坑實際土方開挖情況和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特性[2-4]。不同地區(qū)的基坑變形特性有所差異，如南京地區(qū)地鐵基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.09%～0.24%開挖深度，蘇州地區(qū)地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移平均值為0.20%開挖深度，北京地區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為0.04%～0.218%開挖深度[5-7]?？臻g效應(yīng)上，學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)基坑的空間效應(yīng)沿遠(yuǎn)離坑角方向衰減且基坑長深比越大空間效應(yīng)越明顯，臨界面尺寸可有效地減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，因此基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)充分考慮時空效應(yīng)[8-10]，開挖時應(yīng)采用分層、分區(qū)、分段，邊開挖邊支護(hù)開挖的方法，減小土體擾動[11]。影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形因素較多，主要包括支撐架設(shè)及梁板結(jié)構(gòu)施作是否及時[12-13]、土層性質(zhì)[14]、圍護(hù)樁剛度和入土深度[15]、鋼支撐間距、預(yù)應(yīng)力設(shè)置值及開挖方式等[16-17]。學(xué)者們對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了多方面研究，但對于伴隨承壓水地層的寬基坑研究較少，基坑邊開挖、邊施作主體結(jié)構(gòu)方面基坑變形規(guī)律也研究較少，且目前針對寬基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)概率統(tǒng)計的內(nèi)容不明確。

為此，現(xiàn)以北京上清橋站寬基坑工程為依托，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移規(guī)律，并采用概率統(tǒng)計的方法，研究基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特征，以期對承壓水地層基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形做進(jìn)一步的了解，并為后期同類工程的施工提供一定的借鑒。

1 工程概況

北京昌平線南延工程06標(biāo)上清橋地鐵車站采用明挖法施工，為地下雙柱三跨結(jié)構(gòu)形式的島式車站。車站規(guī)模為351.2 m×28.9 m，底板埋深為32.652 m，頂板覆土為7.772 m。上清橋站深基坑工程平面布置如圖1所示。

車站所處雜填土①層、中粗砂②4層、粉質(zhì)黏土③1層、粉質(zhì)黏土④層、粉細(xì)砂④3層、中粗砂⑤1、卵石⑤層、粉質(zhì)黏土⑥層、粉質(zhì)黏土⑦4層，如圖2所示。

地下連續(xù)墻成槽深度約為46.65 m，嵌固深度為12 m。承壓水(三)水位埋深約19.32 m，承壓水(四)水位埋深約29.22 m。

上清橋站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用厚1 000 mm地下連續(xù)墻、砼支撐和鋼支撐的圍護(hù)支撐體系。設(shè)5道支撐，第1道支撐采用鋼支撐和砼支撐混合形式，第2～5道支撐均為鋼支撐，砼支撐水平間距為6 m，鋼支撐水平間距為3 m。沿基坑跨中設(shè)置φ1 500 mm立柱樁，樁長15 m，立柱上方設(shè)置格構(gòu)柱，格構(gòu)柱插入立柱樁的深度不小于3 m。上清橋站全長352.1 m，共有135幅地連墻，其中有標(biāo)準(zhǔn)直型墻幅129幅、特殊L型墻6幅，共設(shè)置23個圍護(hù)墻體水平位移測點，測點平面布置如圖3所示，使用活動式測斜儀進(jìn)行地連墻變形監(jiān)測，現(xiàn)場圍護(hù)墻變形控制值標(biāo)準(zhǔn)為30 mm?；庸矂澐譃?5個流水段，每段長度20～27 m?；娱_挖采用“縱向分區(qū)、豎向分層、隨撐隨挖、中間拉槽”的施工方法，縱向分為15個流水段，進(jìn)行流水段開挖，依次開挖形成臺階狀出土通道，豎向分層開挖共分6層，做到隨挖隨撐。

圖1 工程平面布置圖Fig.1 Project floor plan

圖2 典型的圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面Fig.2 Cross section of typical envelope

2 寬基坑變形預(yù)測分析

2.1 建立模型

建立三維模型，包含87 559個單元和161 971個節(jié)點。模型尺寸為595 m×255 m×68 m(長×寬×

高)，基坑區(qū)域尺寸為352.3 m×34.6 m×30.5 m(長×寬×高)，如圖4(a)所示。地層簡化為4.95 m厚雜填土、8.1 m厚中粗砂、16.9 m厚粉質(zhì)黏土、4 m厚粉細(xì)砂、4.55 m厚卵石圓礫、39.5 m厚粉質(zhì)黏土?；訁^(qū)域分五層，開挖厚度依次為6、9、7、5.5、3 m。地下連續(xù)墻深46.65 m，嵌入土層16.15 m，如圖4(b)所示。由于存在一層潛水和兩層承壓水，在數(shù)值模型中地表以下10、17、28.5 m三處水平面上設(shè)置水頭。

2.2 計算參數(shù)

地層采用修正摩爾-庫倫模型，可以改善摩爾-庫倫本構(gòu)引起基坑隆起過大問題，鋼、混凝土支撐及地連墻結(jié)構(gòu)使用彈性本構(gòu)。根據(jù)巖土工程勘察報告以及相關(guān)規(guī)范確定計算參數(shù)如表1所示。地層采用實體單元模擬，地連墻采用板單元，鋼支撐、混凝土支撐采用梁單元。

共設(shè)計兩組數(shù)值方案，方案1是按照實際工程進(jìn)行基坑降水，并進(jìn)行出土方開挖和主體結(jié)構(gòu)施工；方案2是基礎(chǔ)對比工況，按照實際工程進(jìn)行基坑降水，并進(jìn)行出土方開挖，但是不拆除支撐和施作主體結(jié)構(gòu)。兩組方案基坑開挖步驟一致，先施工地下連續(xù)墻，再按照實際施工順序進(jìn)行土方降水、開挖和支撐?；铀椒较蚍譃?5倉，豎直方向分為5層。

圖3 基坑流水段及測點平面布置Fig.3 Layout of flow section of foundation pit and measuring points

圖4 模型建立Fig.4 Model building

表1 計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters

2.3 計算結(jié)果分析

由圖5(a)可知，圍護(hù)墻體存在局部變形較大的地方，基坑西側(cè)圍護(hù)墻體水平位移最大值為39.1 mm，基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)墻體水平位移最大值為46.9 mm，最大水平位移都超過了現(xiàn)場變形控制值30 mm。方案2基坑西側(cè)圍護(hù)墻體水平位移最大值為15.3 mm，基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)墻體水平位移最大值為16.2 mm，方案2圍護(hù)墻體水平位移明顯小于方案1。為研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形超限原因，下面通過分析圍護(hù)墻體隨施工工況變形特征研究發(fā)生該現(xiàn)象原因，不同工況下圍護(hù)墻體水平位移圖，如圖6所示。

從圖6可以看出，在基坑開挖至基底時，圍護(hù)墻體最大變形為14 mm，遠(yuǎn)小于變形控制值30 mm，當(dāng)拆除第4、5道支撐時，地連墻17 m深度以下，變形迅速增加，拆除第1、2道支撐時，地連墻變形超過控制值，可見，基坑支撐的拆除對基坑的變形影響很大。通過對比基礎(chǔ)方案2與方案1，進(jìn)一步研究圍護(hù)結(jié)構(gòu)超限原因。

圖5 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移云圖Fig.5 Cloud diagram of horizontal displacement of foundation pit retaining structure

由圖7中方案2云圖可知，圍護(hù)墻體變形主要表現(xiàn)為，中部變形大兩端小的特點，從變形值及變形狀態(tài)來看，基坑?xùn)|西兩側(cè)地連墻大致相同，基坑西側(cè)圍護(hù)墻體水平位移最大值為15.3 mm，基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)墻體水平位移最大值為16.2 mm，最大水平位移都小于現(xiàn)場變形控制值30 mm，方案1的最大圍護(hù)墻體水平位移是方案2的最大圍護(hù)墻體水平位移的3.07倍，可見方案1的變形較大，因此，在主體施工拆除支撐對圍護(hù)墻體的變形影響較大。由圖7中方案1和方案2圍護(hù)墻體水平位移對比也可以看出，方案1的變形明顯大于方案1，且最大變形位置明顯，大致在地連墻深度23 m深度位置處。

圖6 不同工況下圍護(hù)墻體水平位移Fig.6 Horizontal displacement of retaining wall under different working conditions

圖7 最大圍護(hù)墻體水平位移對比Fig.7 Comparison of maximum horizontal displacement of enclosure wall

通過上述分析及結(jié)合現(xiàn)場施工情況，造成圍護(hù)墻體變形大的原因主要是：局部拆除組合支撐之后大約需要一個月時間才能完成主體結(jié)構(gòu)施作，而這段時間基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)由于沒有足夠剛度導(dǎo)致向坑內(nèi)產(chǎn)生較大變形，這種方式盡管加快了施工進(jìn)度，但拆除支撐導(dǎo)致的基坑缺少足夠支撐作用及結(jié)構(gòu)澆筑后強(qiáng)度到達(dá)設(shè)計值也需要一定時間，這會使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)在一定時間內(nèi)存在剛度不足現(xiàn)象，因此實際施工中應(yīng)該在拆除支撐之后盡快進(jìn)行該部主體結(jié)構(gòu)施作防止變形過大。

說出從血液中初步獲取血紅蛋白的原理和方法；說明凝膠色譜法的原理和方法；說出SDS-PAGE電泳的基本原理和方法；進(jìn)行樣品的預(yù)處理；運用凝膠色譜法對血紅蛋白進(jìn)行分離純化；運用SDS-PAGE電泳對血紅蛋白進(jìn)行純度鑒定。

3 寬基坑變形實測分析

為了更好地說明研究結(jié)論，通過結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，選擇不同位置處圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體水平位移進(jìn)行進(jìn)一步分析。北京上清橋站基坑圍護(hù)墻體水平位移監(jiān)測點共有23個，從2019年5月1日開始監(jiān)測。選擇基坑北擴(kuò)大段、標(biāo)準(zhǔn)段及南擴(kuò)大段典型測點，繪制測點圍護(hù)墻體水平位移-時程曲線，如圖8～圖10所示，圍護(hù)墻水平位移測點變形值為正表示向基坑內(nèi)偏移，為負(fù)表示向基坑外偏移。

由圖8可知，基坑北擴(kuò)大段圍護(hù)墻體的整體變形趨勢來看，墻體水平位移呈增大趨勢，并呈現(xiàn)出中部大、上部與底部小的凸形。在基坑開挖初期，凸出部位(即最大位移處)靠近上部，隨著開挖深度的增加，該位置逐步下移；墻體水平變形隨開挖深度增大而不斷增大，但不同階段墻體變形的增幅存在差異。圍護(hù)墻水平變形模式始終呈現(xiàn)為“拋物形”，墻體水平變形以8 m處為分界點，向上基坑以向基坑外變形為主，向下以向基坑內(nèi)變形為主，最大變形位置在向下移動，最大變形的位置最終固定在25 m深度左右處。由于存在兩層高承壓水，圍護(hù)結(jié)構(gòu)承受了較大的水土壓力荷載，在底板結(jié)構(gòu)施工完成后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形速率顯著增加。

相比較于北擴(kuò)大段墻體水平位移測點，標(biāo)準(zhǔn)段墻體水平變形分界點下移現(xiàn)象較為明顯，大體分布在10～15 m，且個別測點下移到了20 m，下移越多，墻體上部分向基坑外偏移越明顯。標(biāo)準(zhǔn)段墻體最大變形位置最終固定在27 m深度處左右，相比較于北擴(kuò)大端最大變形的位置，也相對向下移動。

南擴(kuò)大段墻體水平位移測點最大水平位移位置大致在25 m處，墻體水平變形分界點在5～10 m，除ZQT-11-02測點之外，其余測點最大變形值都超過了控制值30 mm，ZQT-10-01、ZQT-10-01測點在基坑開挖到22 m時，變形超過控制值，ZQT-11-01測點在基坑底板結(jié)構(gòu)施工完成時，變形超過控制值。

圖8 基坑北擴(kuò)大段圍護(hù)墻體水平位移Fig.8 Horizontal displacement of retaining wall in the northern enlarged section of foundation pit

圖9 基坑標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)墻體水平位移Fig.9 Horizontal displacement of retaining wall in standard section of foundation pit

圖10 基坑南擴(kuò)大段圍護(hù)墻體水平位移Fig.10 Horizontal displacement of enclosure wall in south enlarged section of foundation pit

通過上述分析可知，圍護(hù)墻體水平位移變形的整體趨勢來看，墻體水平位移隨工況呈增大趨勢，并呈現(xiàn)出“拋物形”；凸出部位(即最大位移處)隨著開挖深度的增加，該位置逐步下移；墻體水平變形隨開挖深度增大而不斷增大，但不同階段墻體變形的增幅存在差異；變形分界點越接近基底，墻體上部分向基坑外偏移越明顯；主體結(jié)構(gòu)施工階段墻體水平變形明顯。

4 圍護(hù)墻變形概率分布特征

對于寬基坑工程目身和周圍環(huán)境的安全事故，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、坑底隆起量、周圍地面沉降量都是能夠反映基坑工程安全狀態(tài)的參數(shù)，其中圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移對于一般的基坑工程事故類型，都具有較好的指向性和敏感性。寬基坑工程安全風(fēng)險主要控制指標(biāo)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)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

圍護(hù)墻水平位移最大值δhm及其深度位置Hhm是描述圍護(hù)墻變形的兩個基本特征值。通過統(tǒng)計23個圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體水平位移測點在施工期間的5個不同開挖深度He(開挖深度5、15、22、27.5、32 m)下最大水平位移，繪制圍護(hù)墻最大水平位移大小與開挖深度關(guān)系圖，如圖11所示。

圍護(hù)墻水平位移最大值δhm與開挖深度He呈線性關(guān)系。δhm/He介于0.05%～0.15%?；娱_挖深度≤15 m時，圍護(hù)墻水平位移都處于控制值標(biāo)準(zhǔn)30 mm范圍內(nèi)，δhm/He較小，小于0.1%；基坑開挖22 m時，圍護(hù)墻水平位移超過30 mm，δhm/He最大超過了0.3%。；在開挖接近基坑底部時，δhm相對發(fā)散，但大部分?jǐn)?shù)據(jù)還是集中在一定范圍。該基坑的δhm/He平均值為0.15%，23個測點最大水平位移測點，超過現(xiàn)場監(jiān)測控制值標(biāo)準(zhǔn)30 mm的有18個，超過控制值標(biāo)準(zhǔn)比例為78%。

根據(jù)上清橋站基坑開挖深度5、15、22、27.5、32 m對應(yīng)的圍護(hù)墻水平位移最大值，得到各圍護(hù)墻水平位移最大值與開挖深度比值的概率分布特征，如圖12所示。

由圖12可知，δhm/He分成15個區(qū)間，各區(qū)間的長度為0.02%，δhm/He集中分布在0～0.13區(qū)間，概率總和為85%。采用Logistic函數(shù)擬合結(jié)果的方差較小，可見數(shù)據(jù)離散性不大，概率密度較高的區(qū)間也符合常規(guī)對于δhm/He的認(rèn)識，說明結(jié)果可信。通過上述概率統(tǒng)計分析，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值與開挖深度比值δhm/He擬合函數(shù)樣本均值為0.13%，可將樣本均值作為該基坑指示值，判斷基坑隨開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形值?！渡虾５鼗A(chǔ)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(DGJ08-11—2018)根據(jù)上海軟土基坑工程經(jīng)驗，規(guī)定從一級基坑至三級基坑，δhm/He分別為0.14%、0.3%和0.7%[14]。上清橋站基坑等級為一級，其δhm/He樣本均值與現(xiàn)規(guī)范大致相同。通過累計概率曲線還可以估計該基坑變形小于某值的發(fā)生概率，更加便于控制估計的結(jié)果帶來的風(fēng)險。

圖11 最大水平位移大小與開挖深度關(guān)系Fig.11 The relationship between the maximum horizontal displacement and the excavation depth

圖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

上清橋站圍護(hù)墻最大水平位移深度與開挖深度關(guān)系如圖13所示。當(dāng)He=5 m時，Hhm的范圍是0～5 m；當(dāng)He=15 m時，Hhm的范圍是10～20 m；當(dāng)He=22 m時，Hhm的范圍是15～30 m；當(dāng)He=27.5 m時，Hhm的范圍是17～33 m；當(dāng)He=32 m時，Hhm的范圍是15～33 m?？梢姡S著基坑的開挖最大水平位移的位置也隨著向下移動。由圖13可知，上清橋站圍護(hù)墻最大水平位移深度Hhm總體處于0.375～1.333倍的開挖深度He的范圍內(nèi)。

圖13 最大水平位移位置與開挖深度關(guān)系Fig.13 The relationship between the maximum horizontal displacement position and the excavation depth

為確定上清橋站基坑開挖導(dǎo)致的圍護(hù)墻變形的模式，還需對圍護(hù)墻水平位移最大值位置Hhm進(jìn)行同樣的概率統(tǒng)計分析，這樣就可通過這兩個量的分布特征研究圍護(hù)墻可能變形狀態(tài)。各圍護(hù)墻水平位移最大值位置與開挖深度比值的概率分布特征，如圖14所示。

通過對Hhm/He統(tǒng)計，將其分為7個區(qū)間，區(qū)間長度0.2，Hhm/He概率分布主要在0.6～1.0區(qū)間，概率總和為0.64，超過了總數(shù)的一半。通過對不同開挖深度范圍的Hhm/He概率密度的統(tǒng)計，得到了Hhm/He的分布仍然比較符合正態(tài)分布函數(shù)。擬合函數(shù)的樣本的均值為0.71，與實際樣本均值基本相同。通過統(tǒng)計分析得到的采用正態(tài)分布函數(shù)擬合Hhm/He的概率分布的標(biāo)準(zhǔn)差為0.12。根據(jù)文獻(xiàn)[18]，上海、臺北和新加坡地區(qū)的Hhm/He概率特征值與本文研究中有所差異，如表2所示。

圖14 Hhm/He概率分布Fig.14 Hhm/He probability distribution

表2 Hhm/He概率分布特征對比Table 2 Comparison of Hhm/He probability distribution characteristics

由表2可知，基坑Hhm/He的概率分布的均值和標(biāo)準(zhǔn)差均小于其他3個地區(qū)，主要原因是北京地區(qū)的地層主要是砂卵石地層，而上海等地主要是軟土，各地區(qū)的土體和施工條件的變化導(dǎo)致概率特征值存在差異，符合地域特性。

根據(jù)上述研究成果，在基坑開挖深度確定后，根據(jù)得到的Hhm/He和δhm/He的概率密度函數(shù)，可大概得到上清橋站圍護(hù)墻的變形形態(tài)分布結(jié)果。

5 結(jié)論

(1)造成圍護(hù)墻體變形大的原因主要是由支撐的拆除有關(guān)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)由于沒有足夠剛度導(dǎo)致向坑內(nèi)產(chǎn)生較大變形，因此實際施工中應(yīng)該在拆除支撐之后盡快進(jìn)行該部主體結(jié)構(gòu)施作防止變形過大。

(2)上清橋站寬基坑圍護(hù)墻的水平變形模式呈“拋物形”，拆除鋼支撐和施作主體結(jié)構(gòu)期間，大部分測點都超過變形控制值，圍護(hù)墻水平位移最大值和最大值的位置發(fā)生了變化。

(3)上清橋站寬基坑概率密度最大的δhm/He區(qū)間為[0.05,0.15]，可將樣本均值0.13%作為該基坑指示值，判斷基坑隨開挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形值；上清橋站寬基坑Hhm/He概率分布最大的區(qū)間是[0.6,1.0]，Hhm/He的分布符合正態(tài)分布函數(shù)。

(4)寬基坑工程在北京地區(qū)面臨較大安全問題，若要建立更加符合實際、更具可信性的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，需要總結(jié)更多的實測數(shù)據(jù)，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)圍護(hù)墻最大水平位移及其位置的概率分布特征，能夠?qū)崿F(xiàn)對地鐵基坑工程的動態(tài)分級預(yù)警。