上海软土地区地铁车站深基坑变形控制研究

上海软土地区地铁车站深基坑变形控制研究

上海是一个典型的沿海城市。为了满足人口和经济增长的需求，减少城市土地运输对环境的影响，上海在过去10年中发展了大量的轨道（地铁）交通网络。由于地铁区域内的隧道必须通过城市建筑密集地区，大多数地铁站都采用了地下埋式结构。这些地铁站通常靠近现有建筑、地下管道设施和市政高架道路。由于软土区域内深井的挖掘，可能会导致周围区域地下水位和土壤肥力状态的变化、结构变形和土壤沉降，这可能会影响环境。因此，轨道隧道结构的变形控制和环境保护越来越受设计和研究人员的影响。本文通过对穿越高架的上海市地铁8号线西藏南路站6区基坑的变形实测数据分析,并结合上海软土地区45个相关地铁车站基坑的现场监测数据,探讨了上海软土地区地铁车站深基坑施工的变形特性及相应的变形控制措施,为今后类似工程的设计和施工提供借鉴和参考.1项目介绍1.1基坑围护方案上海市地铁8号线西藏南路站6区基坑位于西藏南路与中山南路交汇处,穿越中山南路高架.车站主体结构为地下二层三跨混凝土结构,上覆土层厚3.5m.6区基坑长36m,宽22m,开挖深度15.8m,采用Ø1.0m钻孔灌注桩围护,桩深32m.基坑围护结构与高架承台最近距离0.5m(距边桩1.0m).围护结构外侧采用180°定向摆喷桩作为止水帷幕,并采用高压旋喷桩进行坑内地基满堂加固.共采用5道支撑,其中第1道支撑为800mm×800mm钢筋混凝土支撑,其余4道为Ø609mm×16mm钢管支撑.主要施工工况如表1所示.基坑平面及剖面分别如图1、2所示.根据文献,本基坑安全等级为一级,最大允许沉降和变形为:围护墙最大水平位移0.14%H(H为基坑开挖深度),最大地表沉降0.1%H.坑底抗隆起稳定安全系数不小于2.2.1.2粘土的组成场地70m深度范围内的地基土均属第四纪河口～滨海、浅海相沉积层,主要由饱和粘土、粉性土以及砂土组成.自上而下可依次划分为:①杂填土;②粉质粘土;③淤泥质粉质粘土;④淤泥质粘土;⑤1粘土;⑤3粉质粘土;⑥粉质粘土;⑦2粉细砂.年平均地下水位为地面以下0.5～0.7m.2主要监测结果和分析2.1轨道交通基坑类型基坑2个长边布置4个测点,其侧向位移δh如图3所示.由于首道支撑采用刚度较大的钢筋混凝土支撑,围护结构顶部的侧移受到了有效约束,各施工工况下顶部侧移均很小.随着深层土体的不断开挖,围护结构侧移迅速增大,同时最大侧移点深度也随着开挖不断下移.上海软土地区地铁车站基坑围护结构的侧向变形通常为深层向坑内凸鼓形,围护结构顶部和底部侧向变形相对较小.本工程基坑围护结构的侧向变形很好地反映了这一特点.从基坑开挖到坑底至结构封顶(工况5～11)期间,基坑围护结构的侧向位移几乎未增加,表明基坑开挖至坑底后5道水平支撑较好地发挥了作用.文献中收集了上海地铁3号线6个地铁车站基坑围护结构的侧向变形数据,该6个基坑的围护结构均采用地下连续墙.文献中收集了上海地区308个基坑实例的变形数据,其收集的基坑实例包括各种类型的基坑,但未专门针对上海地区铁车站基坑进行分析.本文进一步将文献中收集的基坑实例中有关39个地铁车站基坑分为3类:类型I,为支护结构与主体地下结构相结合的地铁基坑(围护结构为地下连续墙);类型II,为采用常规顺作法的地下连续墙作为围护结构的地铁基坑;类型III,为采用常规顺作法的SMW工法的地铁基坑.围护结构最大侧移δh,max与开挖深度H的关系如图4(a)所示.本工程δh,max基本介于(0.1%～0.2%)H,δh,max平均值为0.145%H,基本满足规范0.14%H的要求;而其他地铁车站基坑的监测数据点的变化范围要大得多,数据离散性也较大,δh,max基本介于(0.04%～0.6%)H,δh,max平均值为0.3%H.图4(a)表明,δh,max随H的增加大致表现为线性增长.6区基坑因邻近已有高架桥墩承台基础,基坑的变形控制要求十分严格.考虑到连续墙成槽施工会引起较大的土体水平应力释放及土体扰动,围护结构施工方案采用了相对保守的钻孔灌注桩.为了减小钻孔桩施工时孔内坍方对高架桥墩承台基础的影响,高架承台南北各4m范围内的钻孔灌注桩采用跳孔施工.钻孔桩外侧旋喷桩采用三重管旋喷,考虑旋喷施工扰动可能对高架桥墩承台基础的影响,靠近承台基础的区域内采用背向承台基础的180°定向摆喷.这一系列施工技术措施使得本工程基坑围护结构的侧向变形明显小于统计的其他地铁车站基坑变形的平均值.围护结构最大侧移点深度Hh,max与H关系如图4(b)所示.Ou等通过对台北10个基坑的实测分析,发现最大侧移点位置一般出现在基坑开挖面附近,即Hh,max=H.统计的实际监测数据点表明,上海软土地区地铁车站深基坑围护结构的最大侧移点深度一般大于开挖深度,其值通常介于开挖面以上1.5m(Hh,max=H-1.5m)至开挖面以下7m(Hh,max=H+7m).当基坑开挖深度较浅(H<10m)时,围护结构最大侧移点深度位于开挖面以下(Hh,max>H),随着开挖深度的不断增加,围护结构最大侧移点深度逐步趋近于开挖深度,当开挖至坑底后,围护结构最大侧移点深度一般位于坑底附近.Mana等根据粘土地基中11个基坑的监测资料,结合Terzaghi建议的坑底隆起安全系数,给出了围护结构最大相对侧移δh,max/H与坑底抗隆起安全系数Fs的关系,如图5所示.本文统计的部分监测数据也绘于图5中.除少数Fs<1.5的数据点外,上海软土地区地铁车站基坑的数据点基本位于Mana给出的下限附近,表明上海地铁基坑工程施工规程规定的Fs≥2.2对于有效控制基坑围护结构的侧向变形是合理和有效的.2.2基坑开挖面s1坑外土体最大侧向位移δsh,max与H的关系如图6(a)所示.开挖至坑底时,δsh,max=34.7mm(Q15测点).Q16、Q17和Q18三点位于坑外同一断面,由近及远依次为Q16、Q17和Q18.从监测结果知,各工况下Q16测点侧移最大,Q17测点次之,Q18测点最小,表明距基坑越远,基坑施工对土体的影响越小.δsh,max一般介于(0.23%H-17)～0.23%H,并不明显小于围护结构的最大侧移,可能是由于本工程基坑开挖面正好位于上海地区第③、④层软土.这2层土强度低、变形大、灵敏度高、侧压力系数大,具有明显的流变特性,施工中土体的应力释放及土体的扰动对基坑周边软土层变形的影响较大.坑外土体最大侧移点深度Hs,max与开挖深度H的关系如图6(b)所示.浅层土体开挖阶段,Hs,max一般位于开挖面以下(Q18点例外),且基本保持在深度11m左右,当H>13m,Hs,max逐步接近开挖面.Hs,max一般介于(H-3)～(H+7)m,即开挖面以上3m至开挖面以下7m.2.3ups-ls-msup统计的地表沉降δv,max与H的关系如图7所示.数据点较少,离散性也较大,δv,max基本介于(0.05%～0.7%)H,所有测点的δv,max平均值为0.3%H,δv,max随H的增加也大致表现为线性增长.统计的δv,max与δh,max的关系如图8所示.两者关系的影响因素多且复杂,除降水引起的土体固结变形外,基坑开挖卸荷效应是引起围护结构变形和地表沉降的主要原因.而基坑开挖卸荷效应受到场地地质条件、基坑尺寸、开挖顺序、开挖时间、超载、邻近建筑物、围护结构施工、支撑形式与间距、支撑预加轴力大小与加载时间等因素的影响.因此,数据点有限且离散性较大,一般δv,max=(0.4～1.0)δh,max.3地铁车站基坑变形(1)基坑围护结构最大侧移为基坑开挖深度的0.04%～0.6%,平均值为0.3%.围护结构侧向变形形态通常为深层凸鼓形,围护结构顶部和底部侧向变形较小,围护结构最大侧移点深度一般位于开挖面以上1.5m至开挖面以下7m范围.(2)最大地表沉降为开挖深度的0.05%～0.7%,为围护结构最大侧向变形的0.4～1.0.围护结构侧向变形与地表沉降均随着开挖深度的增加线性增加,开挖至坑底后两种变形几乎不再增加.(3)采用地下连续墙(包括支护