卵礫地層深基坑非降水近距施工風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控研究

程志鵬　朱雯蕾

(中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京　100088)

卵礫地層深基坑非降水近距施工風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控研究

程志鵬朱雯蕾

(中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京100088)

摘要:結(jié)合北京地鐵某車(chē)站主體基坑工程，介紹了帷幕注漿止水的排水方案及其控制措施，實(shí)現(xiàn)了基坑無(wú)水作業(yè)，并通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)了施工風(fēng)險(xiǎn)控制效果，指出除了達(dá)到黃色預(yù)警值的樁體變形應(yīng)該加強(qiáng)監(jiān)測(cè)外，基坑及周邊環(huán)境均處于安全可控狀態(tài)，且基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支撐體系參數(shù)仍然具有優(yōu)化的空間。

關(guān)鍵詞:地鐵車(chē)站，基坑，非降水施工，風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控

0　引言

目前，城市大深基坑的施工采用注漿止水已成為趨勢(shì)，非降水施工的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控尚未形成系統(tǒng)的方法體系，國(guó)內(nèi)的基坑施工風(fēng)險(xiǎn)控制的研究案例也主要集中在降水基坑的施工。為了豐富基坑施工風(fēng)險(xiǎn)控制經(jīng)驗(yàn)、提高施工的安全性、預(yù)測(cè)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，本文以北京某地鐵主體基坑施工監(jiān)控為背景，針對(duì)砂卵石地層開(kāi)挖深度超過(guò)20 m的大深基坑非降水施工工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控及分析，旨在提出復(fù)雜周邊環(huán)境下、砂卵石地層大深基坑工程的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)要點(diǎn)及控制措施，為非降水深基坑工程的設(shè)計(jì)和施工提供指導(dǎo)。

1　工程背景

1.1工程概況

北京某地鐵車(chē)站A站位于城市主道路北側(cè)，東西走向布置，橫跨道路交叉路口，與位于路口北側(cè)南北走向的另一車(chē)站B站形成換乘。車(chē)站主體采用明挖法施工，主體基坑總長(zhǎng)279.800 m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬度13.800 m，基坑深26.7 m，車(chē)站主體基坑被B站換乘節(jié)點(diǎn)分為東西兩部分，A站主體基坑貼近換乘節(jié)點(diǎn)施工，施工場(chǎng)地狹窄。

1.2工程條件

1)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)環(huán)境差。所處地層主要為砂卵石層，地層孔隙率大，砂土層粘結(jié)性差，透水性好，這對(duì)基坑開(kāi)挖極為不利;地下潛水位處于底板結(jié)構(gòu)以上，基坑降水成為難點(diǎn)。2)周邊建(構(gòu))筑物密集。主體基坑鄰近多層商廈建筑物且換乘節(jié)點(diǎn)深基坑鄰近高架橋。針對(duì)此類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)源，施工時(shí)需加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，保證安全。3)地下管線密布，錯(cuò)綜復(fù)雜。4)與原有地鐵車(chē)站B站相交。

1.3非降水施工措施

根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，城市的地鐵車(chē)站的基坑開(kāi)挖，一般采用管井降水施工實(shí)現(xiàn)基坑內(nèi)無(wú)水作業(yè)環(huán)境。厚卵礫漂石地層的滲透性較大，降水形成的沉降槽大，同時(shí)，基坑周邊建筑物密集、各種管線密布對(duì)地層沉降控制要求較高，傳統(tǒng)的排水井降水施工方法不能滿足施工對(duì)于沉降控制的要求。因此，采用帷幕注漿阻排水的非降水方法，對(duì)基坑封閉后結(jié)合明排方式(大口井)將水疏干，為結(jié)構(gòu)施工創(chuàng)造無(wú)水作業(yè)環(huán)境。

2　基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬

采用有限元軟件MIDAS-GTS對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行二維數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)基坑典型斷面的開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程的模擬，評(píng)估、預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖對(duì)基坑自身以及周邊建筑物的風(fēng)險(xiǎn)性影響。

2.1計(jì)算模型的建立

考慮到邊界效應(yīng)，模型的計(jì)算范圍選取如下:模型的左、右邊界與基坑的側(cè)邊相距67 m，60 m(約為車(chē)站隧道跨度的3倍)，下邊界與車(chē)站隧道的底邊相距60 m，上邊界取至地表;模型中的土體、既有建(構(gòu))筑物采用摩爾—庫(kù)侖模型、平面單元進(jìn)行模擬，圍護(hù)樁、支撐以及管道單元?jiǎng)t采用彈性模型、梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬;模型計(jì)算參數(shù)如表1所示;模型采用四邊形網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分圖如圖1所示。

圖1　模型網(wǎng)格劃分圖

2.2數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

1)樁體變形。由模型計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著基坑的開(kāi)挖，樁體水平位移的最大值逐漸下移，隨著支撐的逐步施作，樁體位移得到了有效的控制?；娱_(kāi)挖完成后，樁體變形趨于穩(wěn)定，最終樁體的變形及變形量如圖2所示。

表1　模型計(jì)算參數(shù)

圖2　樁體水平向位移云圖（單位：mm）

2)樁頂位移。模型對(duì)樁頂水平位移的計(jì)算結(jié)果如圖3所示，圍護(hù)樁就位后樁頂向基坑內(nèi)的方向發(fā)生小變形，基坑完成第一步開(kāi)挖后，樁頂向內(nèi)位移迅速增大，施作第一道支撐后位移得到約束，隨著基坑的進(jìn)一步開(kāi)挖，左、右側(cè)樁頂全部位移量逐步增大，施作第三道支撐后趨于穩(wěn)定，最大位移量分別為3.04 mm和2.34 mm。

圖3　樁頂水平位移歷時(shí)曲線

3)高層商廈。基坑開(kāi)挖完成后，高層商廈的豎向、水平向位移分別如圖4所示。由位移云圖可以看出:豎直方向上，高層商廈發(fā)生整體沉降，近基坑側(cè)沉降略大，最大沉降值為5.88 mm，最大差異沉降為0.92 mm;水平方向上，高層商廈底部位移最大位移量為4.92 mm，相對(duì)位移量為2.1 mm。

圖4　高層商廈位移云圖（單位：mm）

4)高架橋?；娱_(kāi)挖完成后，高架橋的豎向、水平向位移分別如圖5所示。由位移云圖可以看出:豎直方向上，高架橋整體略有抬升，靠近基坑側(cè)的向上位移值較大，最大為0.57 mm，橋面差異沉降為0.46 mm;水平方向上，高架橋樁底向基坑側(cè)變形，橋面則向相反方向發(fā)生位移，相對(duì)位移量為1.97 mm。

5)周邊管線。數(shù)值模型中取四條典型管線進(jìn)行沉降計(jì)算，管線的位置圖如圖6所示。隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行四條管線的豎向位移曲線如圖7所示，由計(jì)算結(jié)果可知，變化最大的是污水管線D1 050沉降達(dá)到7.15 mm，其次是上覆土厚度較小的D500和 D2 200分別向上隆起4.50 mm和4.17 mm。

圖5　高架橋位移云圖（單位：mm）

圖6　管線位置圖

圖7　周邊管線沉降歷時(shí)曲線（單位：mm）

3　風(fēng)險(xiǎn)控制效果評(píng)價(jià)

3.1基坑自身風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)分析

1)樁體水平位移。選取基坑圍護(hù)樁最大樁體水平變形一斷面南、北側(cè)對(duì)應(yīng)一對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，基坑圍護(hù)樁最大樁體變形為15.1 mm;該監(jiān)測(cè)斷面挖至18 m深時(shí)，變形開(kāi)始加大，直至挖至26 m深時(shí)，10 d內(nèi)變形達(dá)10 mm左右，對(duì)第三、四道鋼支撐加力后樁體向基坑外變形約2 mm;分析變形數(shù)據(jù)，樁頂2 m左右有冠梁鎖定、樁底2 m有坑內(nèi)土體鎖定變形很小，最大變形在14 m～24 m之間，即第三、四道鋼支撐部位，可見(jiàn)樁體變形與開(kāi)挖深度和鋼支撐軸力的施加密切相關(guān)，及時(shí)架設(shè)鋼支撐并施加軸力可有效控制樁體變形，并且在鋼支撐拆撐過(guò)程中，補(bǔ)加其余各層損失軸力，加強(qiáng)對(duì)樁體變形的關(guān)注。

2)樁頂位移。由樁頂監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄可知，圍護(hù)樁樁頂水平位移累計(jì)值最大為6.5 mm，累計(jì)值位于4 mm～5 mm之間的測(cè)點(diǎn)占總測(cè)點(diǎn)的50%，其余測(cè)點(diǎn)均小于4 mm。

圖8　樁頂水平位移測(cè)點(diǎn)歷時(shí)曲線

圖8列出了典型基坑樁頂水平位移測(cè)點(diǎn)的變形歷時(shí)曲線，可以看出，開(kāi)挖初期變形不明顯，隨著開(kāi)挖深度的增加，位移趨勢(shì)加大，并且貫穿于整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程，當(dāng)基坑開(kāi)挖且底板混凝土澆筑完成后，位移曲線趨于平穩(wěn)，鋼支撐拆除對(duì)位移影響不大。

3.2周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)分析

1)高層商廈監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。由高層商廈測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，高層商廈最大沉降值為5.84 mm，累計(jì)差異沉降最大值為3.5 mm，兩者均小于控制值。

圖9　高層商廈典型測(cè)點(diǎn)歷時(shí)曲線

從圖9曲線可以看出，基坑開(kāi)挖初期變形不明顯，隨著開(kāi)挖深度的增加，特別是挖至第二道支撐的深度后，沉降趨勢(shì)加大，并且貫穿于整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中，當(dāng)基坑開(kāi)挖完成，沉降并未立即穩(wěn)定，直至底板混凝土澆筑完成后，沉降曲線趨于平穩(wěn)。1號(hào)點(diǎn)比2號(hào)點(diǎn)距離基坑較遠(yuǎn)，沉降量較小，兩點(diǎn)差異小于控制值。

2)高架橋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。由高架橋測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，高架橋最大沉降值為2.28 mm，沉降值90%以上集中在1 mm～2 mm之間，未超過(guò)控制值。

圖10　高架橋典型測(cè)點(diǎn)歷時(shí)曲線

從圖10曲線可以看出，基坑開(kāi)挖初期變形不明顯，隨著開(kāi)挖深度的增加，變形趨勢(shì)加大，并且貫穿于整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程中，當(dāng)基坑開(kāi)挖完成，沉降并未立即穩(wěn)定，直至底板混凝土澆筑完成后，沉降曲線趨于平穩(wěn)，1號(hào)點(diǎn)比3號(hào)點(diǎn)距離基坑較遠(yuǎn)，初期沉降量較小且變形相對(duì)3號(hào)緩慢，兩點(diǎn)差異沉降小于控制值。

3)周邊管線。從監(jiān)測(cè)情況來(lái)看，地鐵車(chē)站基坑施工重點(diǎn)監(jiān)測(cè)的6條管線中以D1 050污水管的沉降最大，累計(jì)最大沉降7.52 mm，其次是D2 200雨水管，累計(jì)最大沉降為6.68 mm，均小于預(yù)警值10.5 mm，且各管線變化趨勢(shì)較為平緩。

圖11　周邊管線典型測(cè)點(diǎn)沉降值曲線

從圖11曲線可以看出，基坑開(kāi)挖初期變形量不明顯，隨著開(kāi)挖深度的增加，沉降趨勢(shì)加大，直至底板澆筑混凝土后，部分沉降曲線趨于穩(wěn)定，進(jìn)入結(jié)構(gòu)施工階段，基坑周邊大型車(chē)輛動(dòng)載及堆載荷載增加，造成部分測(cè)點(diǎn)沉降繼續(xù)小幅加大。

4　結(jié)語(yǔ)

1)針對(duì)地質(zhì)條件差、周邊環(huán)境復(fù)雜、管線多以及與既有車(chē)站相交的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，采用有限元軟件MIDAS-GTS對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行二維數(shù)值模擬，通過(guò)模擬可以看出不同開(kāi)挖階段周邊建(構(gòu))筑物的變形趨勢(shì)，又經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，通過(guò)數(shù)值模擬的變形趨勢(shì)可以對(duì)其開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行有效指導(dǎo)。

2)地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖過(guò)程各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)累計(jì)變化值均小于其控制值，反映所采用的施工方式對(duì)地層及建(構(gòu))筑物的變形控制非常有效，基坑及周邊環(huán)境均處于安全可控狀態(tài)，總體施工沉降滿足風(fēng)險(xiǎn)管理的需求。

3)基坑自身監(jiān)測(cè)點(diǎn)和周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)點(diǎn)的受力與變形都是隨著基坑開(kāi)挖逐漸增大的，當(dāng)基坑開(kāi)挖完成，沉降并未立即穩(wěn)定，直至底板混凝土澆筑完成后，受力和變形曲線才趨于平穩(wěn)。

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On non-precipitation close construction risk supervision and control at deep foundation pits at pebble stratum

Cheng Zhipeng Zhu Wenlei
( CCCC Railway Design and Research Institute Co.，Ltd，Beijing 100088，China)

Abstract:Combining with the foundation pit projects of the main part of some station in Beijing Metro，the paper introduces the drainage scheme of the curtain grouting waterproof and controlling measures，realizes the anhydrous works of foundation pits，evaluates the construction risk control effect according to the numeric simulation results and site test data，and points out the foundation pits and surrounding environment are in the safe and controllable status except the pile deformation reaching the yellow alert，and the foundation pit enclosure structure and support system parameter are in the optimal space.

Key words:metro station，foundation pit，non-precipitation construction，risk supervision and control

作者簡(jiǎn)介:程志鵬(1983-)，男，碩士，工程師;朱雯蕾(1988-)，女，碩士，助理工程師

收稿日期:2015-11-23

文章編號(hào):1009-6825( 2016) 04-0062-03

中圖分類(lèi)號(hào):TU463

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A