地中壁工法控制邻近地铁深基坑变形的机理及应用

刘 磊 贾 坚

(同济大学地下建筑与工程系,200092,上海∥第一作者,硕士研究生)

近年来,城市建设快速发展,为缓解土地资源紧张、交通拥挤的状况,市中心地下空间得到大力开发,出现了大量的深大基坑工程。这些位于城市中心的深大基坑通常四周密布各类地下管线,并邻近运营地铁及各类建筑,环境保护要求很高。因此,软土地区深基坑的变形控制已经成为一个重要的研究课题。控制深基坑变形保护周边环境主要从控制围护墙体侧向变形及坑内土体隆起入手。目前,控制墙体侧向变形的方法主要有以下几种:①加强支护体系刚度;②增大基坑抗隆起稳定性系数;③改善被动区土体抗力;④针对软土流变特性,利用基坑空间效应和时间效应进行开挖支护。具体措施有增加支撑刚度、减小支撑间距、增大围护墙厚度及入土深度、坑内土体加固、地中壁工法、分块开挖、及时支撑等。其中,地中壁工法在软土地区深基坑中逐渐被应用,但目前针对其在软土地区深基坑中的变形控制机理及设计计算研究较少。本文以紧邻上海轨道交通2号线运营隧道的“协和二期”深基坑为背景,研究地中壁工法控制深基坑变形的机理、设计计算方法,以及工程实践的效果。

1 地中壁工法控制深基坑变形的机理

地中壁是基坑开挖前采用地下连续墙的施工工艺施作的一道素混凝土墙。它横置于开挖区域,且两侧与围护地下连续墙垂直衔接;随着基坑开挖,在挖除土层的同时凿除露出的墙体,然后施工支撑体系。地中壁工法平面及剖面示意图如图1所示。

图1 地中壁工法平面及剖面示意图

地中壁工法控制基坑变形的机理类似于“地中梁”的作用,通过对其作用断面及附近一定范围内围护地下连续墙侧向变形的控制,达到控制基坑及周围地层变形的目的。地中壁的作用可视为基坑开挖前预先施作于坑内的具有一定刚度的支撑或是坑内加固体。文献[1]提出,坑内加固可以有效控制其作用断面的地墙最大侧向变形值,同时可以使该断面基坑下部的地墙变形形态为收敛的凹状。采用坑内加固后产生的基坑最大变形部位要高于不加固的情况。图2为实际工程考虑加固与不加固的计算曲线对比情况。图中曲线上的编号为工况号(如曲线1为工况一)地中壁对其作用断面的墙体变形的控制作用和坑内加固相同,由于其刚度比加固体大,控制变形效果也更明显。

图2 某深基坑工程北坑计算变形曲线

在深基坑工程中,由于顶圈梁与各道支撑的作用,相邻围护桩墙紧密地结合在一起,基坑变形呈现出坑角空间效应[2-3];同时,与坑角围护墙体作用相似,地中壁的约束作用抑制了其邻近区域的土压力和土体位移的发展[4-6]。因此,地中壁对其附近一定范围内的基坑及地层变形有控制作用。

综合上海地区大量深基坑工程围护墙变形、地表沉降的计算值和实测值,以及周边建筑物、构筑物、地下管线的变形特征和保护要求后,文献[7]将基坑变形控制标准分为四个保护等级。《地基基础设计规范》(GB J-11—1999)提出按基坑变形分级控制标准来设计施工基坑的要求,并将保护等级分为三级。同时文献[7-8]对各级标准做出了详述。在工程实践中,控制深基坑变形通常采用增加围护结构刚度、坑内加固等措施。而针对更加严格的变形控制要求,可在以上措施基础上,采用地中壁工法进一步控制基坑变形,以达到保护周边环境的目的。

2 工程概况

“协和二期”位于上海市长宁区永源路以北,基坑东西方向约171 m,南北方向约38 m,占地面积约7 600 m2,平均开挖深度为17 m。基坑总平面图见图3,基坑与地铁隧道相对关系剖面图见图4。

图3 基坑总平面图

图4 基坑与地铁隧道的相对关系剖面图

本工程基坑南侧紧邻轨道交通2号线运营隧道,离隧道最近处为7.3 m。隧道埋置深度处于基坑开挖引起的最大侧向墙体及土层位移区段,基坑开挖对隧道位移影响较大。基坑东侧、北侧及西侧邻近多幢20世纪20～40年代的砖木结构建筑,最近处仅为5.8 m。这些建筑中部分为优秀历史保护建筑,建筑层数为3层,为大放脚基础,埋深不超过1.5 m,基础对地基沉降较敏感。因此,必须严格控制开挖引起的基坑及地层变形,减少对邻近轨道交通及建筑物的影响。

依照文献[7-8]对各级标准做出的详述,本基坑属一级基坑。为减少对周边环境的影响,基坑采取分区开挖、地下连续墙及4道支撑的支护形式,并对坑内土体进行了裙边加固。此外,为了减少地下连续墙施工时槽壁坍塌,以及基坑开挖时渗漏水对周围环境的影响和危害,邻近保护建筑及运营轨道交通线路侧施工地下连续墙前,先在拟施工的地下连续墙内外两侧各施工了一排 Φ850的劲性水泥土墙(SMW)工法搅拌桩加固。

文献[9]研究了自1995年起,近5年内上海轨道交通1号线隧道结构安全保护区内建筑活动对隧道结构的影响,指出“凡是在已建地铁安全保护区内进行的建筑活动,都不同程度地引起地铁结构的沉降、位移、变形”。此外,地质条件也是影响隧道结构安全的重要因素。文献[9-10]指出上海软土地区淤泥质软黏土具有高压缩性和大流变性,扰动后强度明显降低,而且会在较长时间内发生固结沉降。

深基坑开挖引起的地层变形一方面会对施工影响范围内的地铁隧道结构产生破坏,另一方面加速了局部区段地铁隧道的不均匀沉降及隧道变形,造成道床与管片开裂,影响了地铁运营安全。针对软土地区特殊的地铁保护要求,为进一步控制基坑变形,保护邻近地铁安全运营,本工程基坑均采用了地中壁工法。

基坑场地主要土层物理力学性质见表1。

表1 基坑主要地层物理力学性质表

3 三维有限元预估分析

深基坑工程的变形具有三维空间特性。在理论分析中要较全面地反映地中壁工法对开挖基坑变形的影响和控制作用,还需要考虑围护结构及土体变形的三维空间特性。文献[11]提出应该采用三维有限元预测分析采用地中壁工法的基坑变形情况。因此,本文采用Z-Soil三维岩土有限元软件进行建模计算,分析“协和二期”基坑在不采用及采用地中壁工法开挖情况下基坑的变形情况,研究地中壁工法对围护墙体变形、坑外地表沉降以及邻近地铁隧道变形的控制作用。

3.1 不采用地中壁工法的深基坑开挖有限元分析

考虑基坑开挖对周围土体及建筑物的影响范围,三维计算模型选取270 m×170 m×70 m。先对基坑不采用地中壁工法开挖进行预测分析。地下连续墙采用Shell单元模拟,支撑、立柱采用Beam单元模拟,土体采用Continuum 3D单元模拟。土体材料模型采用了Drucker-Prager模型。土体计算参数详见表1,部分计算参数由以往同类工程实测数据反分析获得。

通过先挖土后支撑的分层开挖模拟,可以得出基坑在不采用地中壁工法开挖施工时的地下连续墙及地铁隧道的变形情况。图5和图6为三维计算模型图,图7为计算结果。

图5 模型网格图

图6 围护墙和地铁隧道模型图

图7 不采用地中壁工法开挖围护墙及隧道总位移云图

通过三维预测分析,不采用地中壁工法开挖,大坑北侧围护墙最大侧向变形为42 mm,坑外最大地表沉降为31 mm,窄坑南侧围护墙最大侧向变形为22 mm,隧道最大竖向位移为9 mm,最大水平位移为10.3 mm,难以满足周围建筑物和地铁隧道的保护要求。此外,由于上海软土地区特殊的地质条件,基坑开挖不仅在施工阶段引起邻近地铁隧道结构变形,施工完成后受扰动土层产生的固结沉降也会影响隧道结构安全。因此,为保护邻近运营地铁安全,应采取措施进一步控制基坑变形。

3.2 采用地中壁工法的深基坑开挖有限元分析

采用Shell单元来模拟地中壁工法在基坑开挖中的作用,通过先挖土后支撑的分层开挖模拟,可以得出基坑在采用地中壁工法开挖施工下的变形情况。图8为地中壁工法、围护墙及隧道模型图,图9为计算结果。

图8 地中壁、围护墙及地铁隧道模型图

图9 采用地中壁工法开挖围护墙及隧道总位移云图

通过三维预测分析,采用地中壁工法情况下,基坑开挖完成时,大坑北侧围护墙最大侧向变形为27 mm,坑外最大地表沉降为19 mm,大坑南侧围护墙最大侧向变形为15 mm,窄坑南侧围护墙最大侧向变形为9 mm,隧道最大竖向位移为4.6 mm,最大水平位移为5.5 mm,可基本满足邻近地铁运营保护要求。

3.3 计算结果对比分析

对比图7与图9可以看出,地中壁作用断面地墙变形得到一定的控制,基坑角部墙体位移表现出空间效应,同时,地中壁的附近区域地墙变形也呈现出空间效应。因此,采用地中壁工法可有效控制深基坑变形。

图10和图11为窄坑开挖完成紧邻的地铁隧道位移计算结果对比。从中可以看出,采用地中壁工法可以进一步减少基坑开挖对邻近隧道的影响。

图10 下行线隧道竖向位移计算结果对比

图11 下行线隧道水平位移计算结果对比

4 工程实测与计算预测比较

根据有限元分析结果,“协和二期”工程采用了地中壁工法进一步控制基坑变形,并在施工中实施信息化的监测监控,动态设计管理。在整个工程施工过程中,大坑开挖至坑底时北侧围护墙最大侧向变形为28.3 mm,大坑南侧围护墙最大侧向变形为16.8 mm,坑外地表沉降最大值19.4 mm;窄坑开挖至坑底时,窄坑南侧围护墙最大侧向变形为10.5 mm,隧道最大竖向位移为4.8 mm。图12和图13为实测与计算结果对比情况。

通过工程实测与计算预测结果对比可知,利用以往工程实测反分析得出的计算参数,采用三维有限元分析的方法,可以有效地计算预测基坑开挖产生的墙体变形及邻近地铁隧道的变形;同时,有限元分析及工程实测均表明,在采取了加强围护结构刚度、分区开挖、及时支撑、坑内加固等措施后,采用地中壁工法可进一步控制深基坑开挖变形,减少对邻近地铁隧道的影响。

图12 地墙侧向变形计算与实测结果对比

图13 下行线隧道竖向位移计算与实测结果对比

5 结语

本文通过计算分析及工程实践,研究分析了地中壁工法控制深基坑变形的机理和作用,并得出以下结论:

(1)地中壁工法可有效控制其作用断面墙体变形,并对两侧邻近的地墙侧向位移有一定的控制作用,进而达到控制周围地层变形的作用。对于邻近地铁的深基坑开挖,在采取加强围护结构刚度、分区开挖、及时支撑、坑内加固等措施后,可采用地中壁工法来进一步控制深基坑变形。

(2)利用以往工程实测反分析得出的计算参数,采用三维有限元的分析方法,可有效预测深基坑开挖产生的墙体变形及对邻近地铁隧道和周边建筑物的影响。

本文研究的地中壁工法机理和设计计算方法以及工程实践,可为类似紧邻地铁隧道的深基坑工程提供参考。

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