天津地区地铁深基坑施工安全控制标准研究

第28卷第7期岩土力学Vol.28No.72007年7月RockandSoilMechanicsJul.2007收稿日期：2005-08-10作者简介：刘润，女，1974年生，博士，副教授，主要从事岩土工程方面教学与科研工作。E-mail:[e-mail]文章编号：1000－7598－(2007)07－1511－07天津地区地铁深基坑施工安全控制标准研究刘润1，闫澍旺1，张启斌2，王翠1（1.天津大学建工学院岩土所，天津300072；2.天津市市政工程设计研究院，天津300051）摘要：软土地区的深基坑施工中，确定合理的基坑安全的控制标准至关重要。由于不可能通过现场的全比尺试验确定这一控制标准，为此以大量的工程实测数据为基础，准确确定模拟基坑施工过程的有限元分析模型和计算参数。通过数值模拟方法，实现对基坑破坏过程的研究。分别计算当基坑即将发生整体稳定破坏时，支护结构变形量与地表最大沉降量和坑深的比值，确定适合于天津地区地铁深基坑施工安全的控制标准。关键词：地铁；深基坑；稳定性；控制标准中图分类号：TU43文献标识码：AAstudyofcontrolcriterionforsafeconstructionofdeepfoundationpitofundergroundinTianjinareaLIURun1,YANShu-wang1,ZHANGQi-bin2,WANGCui1(1.SchoolofCivilEngineering,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.TianjinMunicipalEngineeringDesign＆ResearchInstitute,Tianjin300070,China)Abstract:SincelargescaleconstructionofundergroundrailwayswascarriedoutinTianjin,moreandmoredeepfoundationpitshavebeentobeexcavatedinsoftsoils.Intheperiodofexcavationactivities,itisveryimportanttogiveasuitablecontrolcriteriontoensurethepitstability.Tofindouttherecommendedcriterionvalue,somecomprehensivemeasurementshavebeenmadeinsometypicalpitengineeringduringtheconstructionofNo.1Line.Theobserveddataofearthpressure,retainingstructuredisplacement,groundsurfacesettlementandwaterpressurehavebeenpickedupandanalyzed.Afiniteelementmethodhasbeenadoptedtosimulatetheprocedureofpitconstruction.Bycomparingthecalculationresultswiththeobserveddata,thecalculationmodelhasbeenoptimized;andcalculationparametershavebeendetermined.Theestablishedapproachhasbeenappliedtosimulatethefailureprocedureofdeepfoundationpit.Themaininfluencefactorsincludingthedisplacementofretainingstructures,thelengthofretainingstructuresandtheforceinbraces,havebeenanalyzed.Theratioofretainingstructuredisplacementandmaximumgroundsurfacesettlementoverpitdeptharerecommendedasthecontrolcriterionofpitstabilityduringconstruction.Keywords:underground;deeppit;stability;controlcriterion1引言正在建设中的天津市地铁1号线工程多位于市中心的繁华地区，基坑的最大设计深度超过18m，且基坑四周毗邻房屋、道路及地下管网，这些都对基坑的变形控制提出了严格的要求[1－3]。但一味的提高支护体系刚度不允许基坑变形是不经济的。这就需要在基坑的施工过程中观测支护结构的变形，将变形值限制在某一合理的范围内。因此，确定适当的基坑支护体系变形控制标准至关重要。上海地区曾提出有关的控制标准，但由于天津与上海的地质条件不同，将该标准用于天津地区的地铁建设将造成浪费。为了提出适合于天津地区深基坑开挖支护结构变形的控制标准，本文对天津地铁1号线南楼车站的基坑工程进行了全面的施工监测，获得实测数据，并以实测数据作为选择数值模拟方法和确定计算参数的依据，实现对基坑开挖过程的准确模拟。由于不可能进行基坑失稳的全比尺试验，在准确模拟实际工程的基础上，通过数值计算，模拟基坑的破坏过程，从而找到基坑发生整体失稳的临界破坏点。经多个工程的计算验证，最终提出推荐的基坑安全岩土力学2007年控制标准。2工程实测数据分析工程实测数据是确定数值模拟方法和计算参数的重要依据，以南楼车站工程为重点，采用了国际先进的仪器设备，连续、自动采集支护结构变形和受力、周围地表沉降等数据。2.1工程简介天津市地铁1号线工程南楼站位于天津市大沽南路与爱国道交口。结构全长205.6m。车站主体标准段基坑深度16.2m，支护结构采用800mm厚地下连续墙，墙长27.5m，入土深度11.3m；横撑采用φ600mm预应力钢管，标准段共设4道支撑，剖面图见图1。车站毗邻商场、商店、超市，地面交通繁忙。根据该工程的地质勘察资料，地基土的土层情况及相应的物理力学指标见表1。图1基坑标准段剖面(单位:mm)Fig.1Sketchofpitsection表1地基土的物理力学指标Table1Physico-mechanicalindexesoffoundationsoils天然快剪层号岩土名称层厚/m天然重度/kN·m-3压缩模量/MPa渗透系数/m·d-1黏聚力c/kPa内摩擦角ϕ/(°)1杂填土3.0—————2粉质黏土3.619.975.260.124.410.53粉质黏土5.019.264.470.113.311.94粉质黏土3.620.165.170.126.67.85粉土6.220.3811.310.222.828.66粉质黏土1.120.967.590.145.714.37粉砂20.1532.36—19.537.62.2测点布置由于基坑各个断面土体开挖参数具有相似性，为了便于研究，选择基坑中部的Q13断面埋设测斜管、土压力盒、水压力传感器、轴力计，并在相应的断面上布置地面沉降观测点，进行重点监控。基坑断面俯视图及测点布置图如图2所示。图2测点布置Fig.2Mapofmeasuringpointlayout2.3实测数据整理在实际监测过程中随基坑开挖的进程每天测量Q13断面的支护结构变形、土压力，水压力和地表沉降，因此，得到的观测数据很多，数据分析和整理中主要以以下4个工况为主：工况1（9月8日～9月11日），挖第2层土地表下2～5.9m，打第2道支撑，标高地表下5.4m。工况2（9月12日～11月12日），挖第3层土地表下5.9～9.9m，打第3道支撑，标高地表下9.4m。工况3（11月13日～11月14日），挖第4层土地表下9.9～13.3m，打第4道支撑，标高地表下12.8m。工况4（11月15日～12月20日），挖第5层土地表以下13.3～16.2m，浇注底板，标高地表下16.2m。（1）地表沉降观测数据基坑开挖时，地连墙外侧地面发生沉降，随着开挖深度的增加，沉降不断增大。图3为地面沉降在不同工况下与距坑边距离的关系曲线。由实测数据可知，基坑开挖引起的坑周围地表沉降呈“抛物线”型，最大沉降位于距基坑边缘约10m处；基坑周围各点地表沉降值随着开挖深度的增加不断增大。-30-20-10001020304050位置/m沉降/m工况1工况2工况3工况4图3地表沉降变化曲线Fig.3Mapofgroundsurfacesettlementcurves80019300800-13.064m800+3.09m(设计地面高程)φ600钢管支撑φ600钢管支撑φ600钢管支撑φ600钢管支撑32503350400040591500地表沉降测点·测斜管土压力计水压力计轴力计Q131512第7期刘润等：天津地区地铁深基坑施工安全控制标准研究（2）支撑轴力观测数据在基坑开挖到一定深度后逐步安装支撑，提供支撑力保证基坑的稳定性，减少支护墙体的变形。图4给出了4道钢支撑的支撑轴力在不同工况下的观测结果。020040060080010000510152025时间/d轴力/kN工况1工况2工况3工况4(a)第1道支撑010002000300040005000600005101520时间/d轴力/kN工况1工况2工况3工况4(b)第2道支撑0400800120016002000051015时间/d轴力/kN工况2工况3工况4(c)第3道支撑050010001500200002468时间/d轴力/kN工况4(d)第4道支撑图4支撑轴力随施工工况的变化Fig.4Braceforcevs.constructionprocedure（3）墙背土压力观测数据为了量测基坑开挖过程中，墙背主动侧土压力的分布情况，从地连墙顶开始每间隔3m安置了土压力盒。将土压力（ap）观测数据按不同的工况整理如图5。图中同时给出了静止土压力、规范法和朗肯理论方法计算得到的主动土压力值。由图5可知，随挖土深度（h）的增加，墙背上部主动土压力呈较小趋势，墙背下部的土压力减小不明显，出现土拱现象。观测值明显大于朗肯理论和规范方法的计算值。图5主动土压力随施工工况的变化Fig.5Activeearthpressurevs.constructionprocedure（4）地连墙侧向变形观测数据图6为不同工况时地连墙侧向变形（y）随深度（h）的发展过程。0510152025-40-30-20-1001020工况1工况2工况3工况4图6地连墙侧向位移随施工工况的变化Fig.6Lateraldisplacementofretainingstructurevs.constructionprocedurey/mmh/m坑底pa/kPa-1000100200300400500600h/m开挖面规范法pa朗肯法pa静止土压力pa工况1工况2工况3工况4202530510151513岩土力学2007年AAAA由图可见，地连墙的侧向变形随基坑开挖深度的增大而增加，在基坑底部达到了最大值。墙顶的侧向位移出现正值，表明向坑外移动。分析原因，是由于支撑预应力过大所致。（5）墙外水压力观测数据Q13断面地连墙后（主动侧）从墙顶下3～25m每隔2m布设了水压力传感器，监测了各个施工阶段水压力的变化情况（图7）。为了减少基坑抽水对周围建筑的影响，施工中严格控制了抽水的力度。从图可知，除工况4外的各个施工阶段，坑外地下水位较平稳，没有出现明显下降。工况4的水位有明显地下降是因为在底板施工过程中为了防止地面隆起人为地加大降水力度。图7水压力随施工工况的变化Fig.7Waterpressurevs.constructionprocedure3有限元模型选取及计算参数确定以实测数据为基础，确定数值模拟的方法和计算参数是准确模拟基坑施工过程和最终确定基坑变形控制