廣州巖溶地區(qū)深基坑開(kāi)挖對(duì)周圍環(huán)境影響的研究

崔慶龍 ，沈水龍 ，吳懷娜 ，許燁霜

（1. 上海交通大學(xué) 土木工程系，上海 200240；2. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240）

1 引 言

隨著國(guó)內(nèi)各大城市的不斷發(fā)展，日益增長(zhǎng)的需求與有限的土地資源間的矛盾日益凸顯，基坑工程也隨之朝著規(guī)模更大、深度更深的趨勢(shì)演變。大規(guī)模地建設(shè)城市地下鐵道以及各種地下空間需要通過(guò)基坑開(kāi)挖來(lái)建造。在軟土地層施工基坑的相關(guān)研究有很多[1]，F(xiàn)inno 等[2]在芝加哥對(duì)深基坑在飽和軟黏土、硬黏土修改過(guò)程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。Lee 等[3]提出了軟海洋土中深基坑施工過(guò)程地下連續(xù)墻和周圍土體的變形規(guī)律。Ou 等[4]分析臺(tái)北10個(gè)基坑工程實(shí)例給出了基坑開(kāi)挖過(guò)程中地面沉降的變形規(guī)律。Long[5]收集并建立了世界上 300個(gè)基坑工程案例，包括地下連續(xù)墻的變形和周圍土體變形。目前針對(duì)巖溶地層深基坑的研究主要集中于巖溶地層溶洞勘察、溶洞處理施工技術(shù)等[6－7]。呂強(qiáng)[6]以渝（重慶）－懷（懷化）鐵路隧道為工程背景，針對(duì)不同的溶洞類型提出了跨越、支頂、錨噴支護(hù)、漿砌片石回填等技術(shù)措施。周雪銘等[7]結(jié)合清（清遠(yuǎn)）－連（連州）高速公路巖溶隧道，分析處治結(jié)構(gòu)在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的受力特性，以及隧道圍巖在隧道開(kāi)挖過(guò)程中的位移。然而，對(duì)巖溶地層中深基坑開(kāi)挖對(duì)周圍環(huán)境影響的研究較少。

在巖溶地層中進(jìn)行深基坑開(kāi)挖，造成的環(huán)境效應(yīng)很大，如不采取有效的控制措施，會(huì)妨礙工程的順利進(jìn)行甚至造成工程事故，從而引發(fā)災(zāi)難性的后果。本研究依托于廣州市軌道交通地鐵車站的深基坑施工，在施工過(guò)程中通過(guò)對(duì)地下連續(xù)墻側(cè)向位移和地面沉降的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究巖溶地層深基坑施工對(duì)周圍環(huán)境的影響。

2 工程概況

測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)位于廣東省廣州市花都區(qū)，基坑工程是廣州市軌道交通9號(hào)線馬鞍山公園地鐵車站。馬鞍山公園車站為地下 2層島式站臺(tái)車站，全長(zhǎng)259.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬18.7 m，車站總建筑面積達(dá)14 755.9 m2。車站建筑層數(shù)為地下2層，頂板面埋深2.55 m，底板埋深15.81 m，設(shè)2道鋼支撐和一道混凝土支撐。基坑采用地下連續(xù)墻圍護(hù)，厚800 mm，墻分段長(zhǎng)6 m，幅數(shù)99，槽深約為17～22 m。

圖1為馬鞍山公園站深基坑工程所處區(qū)域地質(zhì)剖面圖。上覆蓋第四系土層主要有人工填土、沖坡積成因的粗砂、礫砂、淤泥質(zhì)黏土、碎屑巖殘積成因的可塑粉質(zhì)黏土、硬塑粉質(zhì)黏土、炭質(zhì)灰?guī)r殘積成因的軟塑粉質(zhì)黏土。下伏基巖為石炭系下統(tǒng)大塘階石磴子組炭質(zhì)灰?guī)r，在勘察揭露深度內(nèi)，僅見(jiàn)炭質(zhì)灰?guī)r微風(fēng)化巖帶。馬鞍山公園站的巖土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如圖2所示。圖中，w為含水率；γ為重度；e0為孔隙比；a為壓縮系數(shù)；k為滲透系數(shù)；ν為泊松比；c為黏聚力；φ為內(nèi)摩擦角。標(biāo)高在0～15 m之間廣泛分布富水砂層，黏聚性較弱，層面埋深較淺，地表水與地下水有著直接的水力聯(lián)系。標(biāo)高在-15～0 m之間主要以塑性黏土為主，含水率較大，滲透系數(shù)較小，強(qiáng)度較高，土質(zhì)相對(duì)較好。下伏巖層為斷層角礫巖和碳質(zhì)灰?guī)r，透水性弱，泊松比相對(duì)較小。

馬鞍山公園車站的站址范圍內(nèi)分布的巖土層為飽和粉細(xì)、中粗砂，且分布著較多的溶土洞。砂層中地下水含量豐富，滲透性好。而砂礫層、溶土洞力學(xué)性能差，自穩(wěn)能力較弱，如不妥善處理，極易導(dǎo)致涌水、涌砂等工程事故的發(fā)生。對(duì)巖面上覆沙層中溶洞的處理原則與整體處理范圍如圖3所示。針對(duì)本基坑工程巖溶地質(zhì)的處理范圍和原則：（1）底板以下5 m范圍內(nèi)所有溶洞、溶蝕槽均處理。（2）底板以下5～10 m范圍，巖面土層為砂層，對(duì)于無(wú)填充和半填充溶洞、溶蝕溝、槽以及需要處理多層溶洞的最上一層溶洞，需要處理。（3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外3 m，墻（樁）底下的溶洞頂板厚度小于3 m的必須處理。圍護(hù)結(jié)構(gòu)成槽（孔），圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外3 m范圍內(nèi)有流塑或軟塑土層時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況綜合判斷。（4）上述原則有交叉處，依照較深的處理深度進(jìn)行處理。

基坑開(kāi)挖的施工過(guò)程從2013年4月5日持續(xù)到8月10日，土體共分4層開(kāi)挖，縱向開(kāi)挖順序?yàn)橛蓛啥讼蛑虚g，橫向開(kāi)挖順序?yàn)橛芍虚g向兩側(cè)。第 1層（3 m）開(kāi)挖天數(shù)為34 d，第2層（8 m），開(kāi)挖天數(shù)為51 d，第3層（14 m）為57 d，底層（16 m）開(kāi)挖天數(shù)為33 d。由于車站基坑較長(zhǎng)，且土方開(kāi)挖順序?yàn)橛芍虚g向兩端，因此在基坑兩段上一層土體開(kāi)挖尚未結(jié)束時(shí)，基坑中間位置下層土體開(kāi)挖已經(jīng)開(kāi)始。支撐設(shè)計(jì)位置上層土體開(kāi)挖結(jié)束后，立刻安裝支撐?；油练介_(kāi)挖至16 m后清理坑底并澆注基坑底板，基坑開(kāi)挖施工結(jié)束，總開(kāi)挖天數(shù)約為120 d。

圖1 廣州馬鞍山公園車站地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of Maanshan station in Guanzhou

圖2 馬鞍山公園車站土層的厚度與物理力學(xué)參數(shù)關(guān)系Fig.2 Relationships between thickness and geotechnical profiles of soil at Maanshan station

圖3 溶洞處理范圍準(zhǔn)則Fig.3 Treatment principle of karst caves

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

圖4為馬鞍山公園站基坑開(kāi)挖監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面布置圖。通過(guò)監(jiān)測(cè)地下連續(xù)墻的側(cè)向位移和地面沉降來(lái)研究巖溶地層中深基坑開(kāi)挖對(duì)周圍環(huán)境的影響。監(jiān)測(cè)的設(shè)備包括27個(gè)測(cè)斜管，1個(gè)頻率采集儀，2臺(tái)全站儀，55個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

采用高精度J2級(jí)經(jīng)緯儀及S1級(jí)水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移。在車站四周圍護(hù)頂，每隔10～15 m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)采用鋼樁預(yù)埋在圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土中，鋼板上刻畫十字線作為點(diǎn)位觀測(cè)之用。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)混凝土灌注終凝之后，即開(kāi)始對(duì)墻頂點(diǎn)位進(jìn)行位移預(yù)測(cè)，并記錄初始值。圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂水平位移大于允許值，應(yīng)立即采取加強(qiáng)支撐措施，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)留部分備用鋼管支撐及千斤頂，地表沉降大于允許值時(shí)，立即采取地層加固措施，防止沉降進(jìn)一步發(fā)展。采用精密水準(zhǔn)測(cè)量方法對(duì)地表沉降進(jìn)行觀測(cè)。初始高程通過(guò)基點(diǎn)和附近水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)確定?；鶞?zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在距基坑較遠(yuǎn)利于保護(hù)相對(duì)穩(wěn)定位置，沿基坑每20 m布設(shè)一個(gè)。測(cè)量路線采用符合水準(zhǔn)線路測(cè)量，測(cè)量結(jié)果經(jīng)過(guò)嚴(yán)密平差為最終初始值。觀測(cè)時(shí)要嚴(yán)格控制各項(xiàng)限差，各測(cè)點(diǎn)讀數(shù)高差不應(yīng)超過(guò)0.3 mm。一個(gè)測(cè)站中不宜有3個(gè)以上不在水準(zhǔn)路線上的觀測(cè)點(diǎn)，超過(guò)3個(gè)時(shí)應(yīng)重新讀取后視點(diǎn)讀數(shù)以作核對(duì)。首次觀測(cè)時(shí)應(yīng)對(duì)同一觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)2次觀測(cè)，取兩次讀數(shù)的平均值作為初始高程值。根據(jù)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)精度要求，2次高程讀數(shù)差值應(yīng)小于1.0 mm。

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 地下連續(xù)墻的側(cè)向位移

圖5為基坑北側(cè)測(cè)斜管CX6在基坑監(jiān)測(cè)結(jié)束后的側(cè)向位移圖。從圖中可以看出，地下連續(xù)墻變形沿開(kāi)挖深度呈勺形分布，位移值最大的地方大致地下連續(xù)墻中部位置，最大變形值約為12 mm，小于規(guī)范對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移的限制15 mm。圖6為基坑北側(cè)測(cè)斜管CX6、CX12和CX19在基坑監(jiān)測(cè)結(jié)束后的側(cè)向位移圖的比較。從圖中可以看出，地下連續(xù)墻變形沿開(kāi)挖深度呈勺形分布，位移值最大的地方大致在地下連續(xù)墻中部位置，最大變形值約為12 mm，小于規(guī)范對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移的限制15 mm。

圖4 馬鞍山公園站的監(jiān)測(cè)平面布置圖Fig.4 Plan of instrumentation layout

圖5 測(cè)斜管CX6隨基坑開(kāi)挖的側(cè)向位移Fig.5 Lateral deflections of CX6

圖6 測(cè)斜管CX6、CX12和CX19側(cè)向位移的比較Fig.6 Comparation of lateral deflections of CX6,CX7 and CX19

圖7為測(cè)斜管CX22在開(kāi)挖過(guò)程中的側(cè)向位移變化曲線。從圖中可以看出，隨著開(kāi)挖進(jìn)行，地下連續(xù)墻的側(cè)向變形逐漸發(fā)展，在開(kāi)挖結(jié)束時(shí)達(dá)到最大值。圖8為基坑南側(cè)測(cè)斜管CX17、CX22和CX27在開(kāi)挖結(jié)束后的側(cè)向位移圖。從圖中可以看出，地下連續(xù)墻變形沿開(kāi)挖深度呈勺形分布，位移值最大的地方大致在地下連續(xù)墻中部位置，最大變形值為12.4 mm，小于規(guī)范對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大位移的限制15 mm。對(duì)比圖6與圖8中測(cè)斜管位移曲線可知，基坑兩側(cè)測(cè)斜管的位移走向大致呈對(duì)稱分布，不同位置的測(cè)斜管位移大小有所不同?？傮w來(lái)說(shuō)，測(cè)斜管側(cè)向位移在控制范圍之內(nèi)。如圖5～7所示，在每個(gè)開(kāi)挖分層的邊界位置附近，各測(cè)斜管的側(cè)向位移值明顯小于其他深度位置的側(cè)向位移值，說(shuō)明每層支撐的布設(shè)起到了很好的力學(xué)效應(yīng)，有效控制了地下連續(xù)墻側(cè)向變形的發(fā)展。

圖7 測(cè)斜管CX22隨基坑開(kāi)挖的側(cè)向位移Fig.7 Lateral deflections of CX22

圖8 測(cè)斜管CX17、CX22和CX27側(cè)向位移的比較Fig.8 Comparation of lateral deflections of CX17,CX22 and CX27

4.2 地面沉降

圖9為地面沉降監(jiān)不同測(cè)點(diǎn)隨著開(kāi)挖進(jìn)行的位移變化圖。5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距基坑坑壁距離依次為15、10、5、-5、-10 m，沿基坑橫向分布在同一直線上，位于9～10軸之間。由圖中可以看出，隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)值隨之增大，直至開(kāi)挖結(jié)束，地面沉降量趨于穩(wěn)定，由遠(yuǎn)及近依次為4.4、7.0、10.1、9.2、6.6 mm左右波動(dòng)。監(jiān)測(cè)最終值的波動(dòng)幅度十分微小（±0.5 mm），可忽略不計(jì)。根據(jù)馬鞍山公園站工程的監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn)，“一般地段的地表沉降允許值為30 mm，重點(diǎn)地段地表沉降允許值為15 mm”，監(jiān)測(cè)點(diǎn)D5-1、D5-2、D5-3、D5-4、D5-5的地面沉降數(shù)值小于監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)?；觾蓚?cè)相同距離處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值大致相同，說(shuō)明兩側(cè)土體的變形基本沿基坑中軸對(duì)稱分布。基坑開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降部分監(jiān)測(cè)數(shù)值波動(dòng)較大，這是由于基坑底部巖層爆破，導(dǎo)致周圍土體變形受到影響，但總體變化趨勢(shì)并未改變。從圖中還可以看出，地面沉降值的增長(zhǎng)速率在開(kāi)挖初期較為平緩，在開(kāi)挖中期則逐漸增大，然后隨著開(kāi)挖趨于結(jié)束，增長(zhǎng)速率逐漸放緩，地面沉降的增長(zhǎng)變化趨于收斂，最終達(dá)到穩(wěn)定值。這是由于一開(kāi)始開(kāi)挖深度較淺，土體卸荷效應(yīng)不明顯，沉降量較?。浑S著開(kāi)挖深度到達(dá)基坑中部，卸荷效應(yīng)逐漸累積，基坑周邊土體變形效應(yīng)明顯增加，沉降量的增加速率達(dá)到最大值；隨后開(kāi)挖至基坑底部，由于底部巖層的自身穩(wěn)固性，其卸荷作用所產(chǎn)生的地面沉降量遠(yuǎn)小于上部土層內(nèi)開(kāi)挖所致沉降量，因此監(jiān)測(cè)數(shù)值不再明顯增加，沉降速率逐漸減小，最終沉降量不再增大，穩(wěn)定在相應(yīng)數(shù)值左右。取監(jiān)測(cè)點(diǎn)D5-1、D5-2、D5-3、D5-4、D5-5的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)位移值，作出不同距離土體隨開(kāi)挖進(jìn)行的變形曲線，如圖10所示。隨著開(kāi)挖進(jìn)行，與基坑距離不同處的土體的增長(zhǎng)速率并不一致，大致隨距離增大呈遞減趨勢(shì)。

圖9 不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)地面沉降Fig.9 Ground surface settlements of different points

圖10 開(kāi)挖過(guò)程中地面沉降隨基坑距離變化Fig.10 Ground surface settlements at different distance

5 結(jié) 論

（1）測(cè)斜管位移總體上沿基坑縱軸對(duì)稱分布。由于基坑長(zhǎng)度較長(zhǎng)，各點(diǎn)位所處地層情況有所差異，導(dǎo)致對(duì)稱點(diǎn)位的側(cè)向位移值大小不同。總體來(lái)說(shuō)，測(cè)斜管的位移分布符合變形規(guī)律，且在設(shè)計(jì)限值以下。

（2）對(duì)處于同一縱向坐標(biāo)位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，距坑壁越遠(yuǎn)，其沉降值越小。由于開(kāi)挖順序不同，距坑壁距離相同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降發(fā)展速度也相應(yīng)不同；位于基坑端頭部位的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，由于地下連續(xù)墻等的加固作用，其沉降量較小?？傮w來(lái)說(shuō)，各地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)值小于控制標(biāo)準(zhǔn)，符合基坑安全要求。在整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中，由于底部巖層的爆破施工，地面沉降值出現(xiàn)了小幅波動(dòng)，但未達(dá)到危害基坑穩(wěn)定和周邊環(huán)境安全的程度。

（3）地表土體沉降與地下連續(xù)墻側(cè)向位移有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，均呈勺形分布。土體位移及地下連續(xù)墻變形值的發(fā)展在支撐布設(shè)后明顯趨緩，說(shuō)明支撐起到了很好的力學(xué)控制作用。

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