復(fù)雜環(huán)境下深基坑的變形控制

周艷

(1上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092)

復(fù)雜環(huán)境下深基坑的變形控制

周艷

(1上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092)

復(fù)雜環(huán)境下的基坑以控制基坑變形為設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵。以杭州市彩虹大道市心路地道基坑工程為例，緊臨已建地鐵和高層住宅，而且有相鄰基坑的土釘侵入其基坑范圍內(nèi)形成地下障礙物，建設(shè)環(huán)境較為復(fù)雜。針對(duì)土釘障礙物，先通過(guò)槽壁加固將土釘有效地固定住，成槽施工時(shí)利用抓斗的抓力直接切斷土釘。實(shí)踐表明上述清障方案效果很好。為控制基坑變形、減小基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵和高層住宅的影響，采用了劃分小基坑、坑內(nèi)土體加固、對(duì)稱開(kāi)挖、設(shè)置隔離樁、設(shè)置應(yīng)急降水井等多項(xiàng)保護(hù)措施。數(shù)值模擬分析與施工監(jiān)測(cè)均表明，上述措施有效地控制了基坑變形，保護(hù)了周邊環(huán)境的安全。其經(jīng)驗(yàn)總結(jié)對(duì)類似深基坑工程具有參考價(jià)值。

深基坑；變形控制；清障；槽壁加固；基坑監(jiān)測(cè)；數(shù)值模擬

0　引言

隨著城市對(duì)于地下空間利用的快速發(fā)展，高樓林立的市區(qū)里深基坑工程越來(lái)越多，這些基坑經(jīng)常面臨建筑物、地鐵、市政管線、地下障礙物等復(fù)雜的環(huán)境。在杭州等地下水位較高的軟土地區(qū)，由于深基坑工程開(kāi)挖易造成土體變形，如果處理不當(dāng)會(huì)引起建筑物、地鐵、市政管線的破壞[1]。地下障礙物對(duì)地下工程施工同樣關(guān)系重大，輕則影響工程樁及圍護(hù)樁的施工進(jìn)度與質(zhì)量，重則造成重大事故。因此地下障礙物的清理是圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工順利與否的前提保障[2]。

楊石飛[3]等介紹了目前常用的清障技術(shù)和典型案例,對(duì)深部清障技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)作了簡(jiǎn)單概括。周建昆[4]等采用有限元分析方法對(duì)隧道在基坑施工過(guò)程中所產(chǎn)生的變形影響進(jìn)行了分析。張治國(guó)等[5]研究了基坑開(kāi)挖對(duì)臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法，指出了計(jì)算基坑開(kāi)挖所引起的隧道位置處的土體附加應(yīng)力。

本文以杭州市彩虹大道市心路地道基坑工程為例，探討了復(fù)雜環(huán)境下的基坑支護(hù)型式，以及環(huán)境保護(hù)措施，數(shù)值模擬分析與監(jiān)測(cè)結(jié)果均表明達(dá)到了保護(hù)環(huán)境的預(yù)期目標(biāo)。其經(jīng)驗(yàn)總結(jié)對(duì)類似復(fù)雜環(huán)境下的深基坑工程具有一定參考價(jià)值。

1　工程概況

彩虹大道位于杭州市，呈東西走向，是杭州市“三縱五橫”快速路系統(tǒng)的組成之一。彩虹大道采用地道形式相繼下穿高層住宅小區(qū)旺角城和市心路。地道暗埋段采用鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，單箱雙室，結(jié)構(gòu)總寬為29.7 m。

2　周邊環(huán)境概況

彩虹大道市心路地道處在高層住宅旺角城一期與旺角城二期之間，旺角城二期地下室圍護(hù)樁外邊線與地道圍護(hù)邊線最近距離為1.29 m；旺角城一期地下室外墻與地道圍護(hù)邊線最小距離4.80 m。兩者平面關(guān)系見(jiàn)圖1所示。

圖1　彩虹大道市心路地道與旺角城關(guān)系圖

彩虹大道在市心路路口與杭州市地鐵二號(hào)線相交，地鐵二號(hào)線杭發(fā)廠站在其地下一層內(nèi)預(yù)留空間，彩虹大道從預(yù)留空間內(nèi)穿過(guò)。兩者平面關(guān)系見(jiàn)圖2所示?；右粋?cè)緊鄰地鐵2號(hào)線人民路站～杭發(fā)廠站區(qū)間。35#暗埋段地下連續(xù)墻距離地鐵隧道左線管片最近距離約2.15 m，37#暗埋段鉆孔樁距離地鐵隧道右線管片最近距離約1.43 m。

圖2　彩虹大道市心路地道與地鐵關(guān)系圖

3　工程地質(zhì)與地下水

擬建場(chǎng)地地貌類型為沖海積平原，場(chǎng)地地勢(shì)較平坦。潛水賦存于淺部土層中，其補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水與地表逕流和河流補(bǔ)給。勘察期間測(cè)得地下水靜止水位埋深在0.5～1.60 m之間。

該基坑土層從上到下依次為：淺部為灰色、灰黃色黏質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、砂質(zhì)粉土；中部為淺海相灰、深灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；向下逐漸過(guò)度為中部為灰色、下部巖性為淺灰、灰色、灰黃色粉砂、圓礫，分選性較好。土層設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所列。

表1　土層分布及設(shè)計(jì)參數(shù)表

4　工程重點(diǎn)難點(diǎn)

（1）該工程緊臨已建的地鐵二號(hào)線，基坑開(kāi)挖期間可能引起區(qū)間隧道側(cè)向變形，影響軌道交通運(yùn)營(yíng)。

（2）該工程緊臨高層住宅旺角城一期與二期。北側(cè)旺角城二期地下室圍護(hù)樁外邊線與地道圍護(hù)邊線最近距離為1.29 m；南側(cè)旺角城一期地下室外墻與地道圍護(hù)邊線最小距離為4.80 m。

（3）擬建場(chǎng)地內(nèi)存在地下障礙物。緊臨的旺角城一期原圍護(hù)結(jié)構(gòu)為土釘墻，土釘墻長(zhǎng)度為9 m～15 m，多數(shù)土釘已侵入到彩虹大道基坑范圍內(nèi)，成為圍護(hù)樁施工時(shí)的地下障礙物。圍護(hù)樁選型需考慮清障及圍護(hù)成樁的實(shí)施可行性。

5　清障方案的比選

由于土釘?shù)鹊叵抡系K物的存在，地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁等圍護(hù)型式無(wú)法直接施工，必須清理地下障礙物?？疾祛愃乒こ虒?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，清障有以下三種方案可以選擇：

（1）采用硬切割咬合樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。清障原理如下：咬合樁成孔套管采用高強(qiáng)合金齒的鋼管，用大扭矩鉆管機(jī)（CD機(jī)）帶鋼管鉆入地下，可直接切斷障礙物，以旋挖機(jī)械將管中障礙物和土石等取出。

（2）采用帶槽壁加固的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。清障原理如下：先進(jìn)行槽壁加固，槽壁加固一方面將土釘有效地固定住以確保抓斗能切斷土釘，另一方面可防止帶出土釘時(shí)引起槽壁坍塌。成槽施工時(shí)利用抓斗的抓力可直接切斷土釘，且斷掉的土釘將隨土一道被取出。這種清障法主要適用于土釘?shù)那逭稀?/p>

（3）先采用三軸攪拌樁清除土釘障礙物后再進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工：先采用三軸攪拌樁進(jìn)行土釘清除；再利用三軸攪拌樁轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)將土釘纏繞并帶出；然后再進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工。

為選擇切實(shí)有效的清障方案，施工前在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了清障試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明地下連續(xù)墻清障效果好，而且施工經(jīng)驗(yàn)成熟。綜合考慮清障及圍護(hù)成樁的實(shí)施可行性，該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用帶槽壁加固的地下連續(xù)墻。

6　基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案

基坑圍護(hù)方案的選定不僅要滿足地道結(jié)構(gòu)土建施工的要求，而且要確保周圍環(huán)境安全可靠，盡量達(dá)到既經(jīng)濟(jì)合理又方便施工的標(biāo)準(zhǔn)。圖3為基坑圍護(hù)剖面圖。

圖3　基坑圍護(hù)剖面圖

6.1圍護(hù)結(jié)構(gòu)選型

綜合考慮清障及圍護(hù)成樁的實(shí)施可行性，該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻墻厚800 mm，插入比約1:1.6，墻深約31 m。

地下連續(xù)墻槽壁加固常用的方法有高壓旋噴樁，雙軸水泥土攪拌樁和三軸水泥土攪拌樁三種形式。其中，高壓旋噴樁施工時(shí)對(duì)土體擾動(dòng)較大，雙軸水泥土攪拌樁的止水效果可靠性不高，因此該工程采用土體擾動(dòng)較小、止水效果更好的三軸水泥土攪拌樁作為槽壁加固體。

6.2支撐系統(tǒng)選型

基坑常用的支撐有鋼筋混凝土支撐和鋼支撐兩種形式。一般來(lái)說(shuō)，鋼筋混凝土支撐穩(wěn)定性可靠性較好；鋼支撐施工速度較快，利用時(shí)空效應(yīng)原理減少基坑變形。

根據(jù)杭州地區(qū)基坑經(jīng)驗(yàn)，如果全部采用鋼支撐可能發(fā)生失穩(wěn)，因此，該工程采用鋼筋混凝土支撐與鋼支撐結(jié)合的方式。首道支撐采用穩(wěn)定性較好的鋼筋混凝土支撐，二、三道支撐采用鋼支撐系統(tǒng)。

靠近地鐵的基坑采用自動(dòng)軸力補(bǔ)償鋼支撐系統(tǒng)。鋼支撐預(yù)應(yīng)力伺服系統(tǒng)采用局部獨(dú)立式鋼支撐軸力補(bǔ)償液壓系統(tǒng)，即每3～4根需軸力補(bǔ)償?shù)匿撝闻渲靡惶紫鄬?duì)的小泵站液壓系統(tǒng)，能大大提高軸力補(bǔ)償所需要的系統(tǒng)響應(yīng)精度，保證施工質(zhì)量。盡可能降低對(duì)地鐵的影響。

6.3坑內(nèi)土體加固

為控制基坑的位移，有效地保護(hù)地鐵區(qū)間隧道，對(duì)坑底土體進(jìn)行抽條加固處理。土體加固常用的有高壓旋噴樁，雙軸水泥土攪拌樁和三軸水泥土攪拌樁三種形式。其中，高壓旋噴樁施工時(shí)對(duì)土體擾動(dòng)較大，雙軸水泥土攪拌樁的止水效果可靠性不高。因此該工程采用土體擾動(dòng)較小、止水效果更好的三軸水泥土攪拌樁作為坑內(nèi)加固體。

6.4分區(qū)分塊開(kāi)挖，及時(shí)支撐

為控制基坑的位移，將臨近建筑物、地鐵的基坑劃分成較小基坑。土方開(kāi)挖分層分段分塊進(jìn)行，并及時(shí)支撐。同時(shí)，對(duì)地鐵東西兩側(cè)基坑采取同步、對(duì)稱開(kāi)挖施工方式，以避免兩側(cè)土壓力差過(guò)大。

6.5設(shè)置隔離樁

為減小基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵的影響，在地鐵車站雙側(cè)均設(shè)置一段隔離樁。由于地道與車站接口位置極易開(kāi)裂而漏水，在接頭東西兩側(cè)均設(shè)置一段隔離樁，靠近隧道側(cè)延伸9 m。

6.6設(shè)置應(yīng)急降水井

于臨近地鐵基坑外設(shè)置備用應(yīng)急降水井，用以檢驗(yàn)止水帷幕的止水效果，在確保止水帷幕達(dá)到預(yù)期效果后，方可進(jìn)行土體開(kāi)挖。

7　基坑開(kāi)挖對(duì)旺角城一期影響的數(shù)值分析

7.1PLAXIS數(shù)值分析模型

該項(xiàng)目采用有限元程序PLAXIS就基坑開(kāi)挖對(duì)南側(cè)旺角城一期建筑物的影響進(jìn)行了數(shù)值分析。

PLAXIS建模簡(jiǎn)述如下：土體采用Mohr-Coulomb模型。土體參數(shù)根據(jù)巖土勘察報(bào)告提供。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Plate單元模擬，支撐系統(tǒng)采用Anchor單元模擬。該項(xiàng)模擬的計(jì)算范圍深度為45 m，水平向60 m。同時(shí)對(duì)模型邊界左右兩側(cè)進(jìn)行X向（水平向）約束，下側(cè)進(jìn)行Y向（豎直向）約束。采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行模擬土體。模擬嚴(yán)格按照實(shí)際施工步驟分步進(jìn)行。

7.2PLAXIS數(shù)值分析結(jié)果

根據(jù)PLAXIS模擬分析結(jié)果，基坑施工期間相鄰建筑物的位移，如圖4、圖5所示。PLAXIS計(jì)算結(jié)果匯總于表3。

圖4　相鄰建筑物土體水平位移云圖（單位：mm）

圖5　相鄰建筑物土體豎向位移云圖（單位：mm）

表3　PLAXIS計(jì)算結(jié)果匯總表　mm

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，表3理論計(jì)算結(jié)果能滿足對(duì)建筑物的保護(hù)要求。

8　基坑開(kāi)挖對(duì)地道影響的數(shù)值分析

8.1PLAXIS數(shù)值分析模型

該項(xiàng)目采用有限元程序PLAXIS就基坑開(kāi)挖對(duì)地鐵二號(hào)線區(qū)間隧道的影響進(jìn)行了數(shù)值分析。PLAXIS建模如7.1節(jié)所述。

8.2PLAXIS數(shù)值數(shù)值分析結(jié)果

根據(jù)PLAXIS模擬分析結(jié)果，基坑施工期間區(qū)間隧道的土體位移，如圖6、圖7所示。PLAXIS計(jì)算結(jié)果匯總于表4。

圖6　區(qū)間隧道土體水平位移云圖（單位：mm）

圖7　區(qū)間隧道土體豎向位移云圖（單位：mm）

表4　PLAXIS計(jì)算結(jié)果匯總表mm

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)，表4理論計(jì)算結(jié)果能滿足對(duì)區(qū)間隧道和地鐵車站的保護(hù)要求。

9　施工監(jiān)測(cè)

在該工程基坑施工的全過(guò)程中，對(duì)基坑圍護(hù)、周邊土體、周邊建筑物、區(qū)間隧道和地鐵車站都進(jìn)行了同步監(jiān)測(cè)。

9.1基坑圍護(hù)監(jiān)測(cè)結(jié)果

該工程基坑施工期間，土體累計(jì)最大深層水平位移為如圖8所示，基坑圍護(hù)墻頂累計(jì)沉降量如圖9所示。

圖8　深層土體水平位移曲線圖（單位：mm）

圖9　基坑圍護(hù)墻頂沉降曲線圖

土體累計(jì)最大深層水平位移與支護(hù)結(jié)構(gòu)墻體累計(jì)最大深層水平位移，均未超出設(shè)計(jì)報(bào)警值?；又黧w圍護(hù)及周邊建筑物沉降數(shù)據(jù)顯示基坑在開(kāi)挖施工期間沉降均勻，基坑地下水位保持相對(duì)穩(wěn)定，支撐軸力變化正常。從監(jiān)測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況看，數(shù)據(jù)整體較穩(wěn)定，施工期間基坑安全。

9.2建筑物監(jiān)測(cè)結(jié)果

基坑周邊的臨近建筑主要是兩棟旺角城居民樓，距離該工程基坑最近距離約4.8 m，基坑施工期間，對(duì)其進(jìn)行了同步監(jiān)測(cè)。設(shè)置如下監(jiān)測(cè)內(nèi)容：建筑物人工沉降監(jiān)測(cè)；建筑物人工傾斜監(jiān)測(cè)；建筑物自動(dòng)沉降監(jiān)測(cè)；建筑物自動(dòng)傾斜監(jiān)測(cè)。自動(dòng)沉降監(jiān)測(cè)采用靜力水準(zhǔn)全自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法，自動(dòng)傾斜監(jiān)測(cè)采用自動(dòng)傾斜儀全天侯自動(dòng)監(jiān)測(cè)房屋傾斜的方法，并采用DAMS-4型智能分布式數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10所示和表5所列，均未超出報(bào)警值，在安全可控范圍內(nèi)。

圖10　旺角城居民樓沉降曲線圖（單位：mm）

表5　旺角城居民樓傾斜數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

9.3地鐵監(jiān)測(cè)結(jié)果

基坑施工期間，對(duì)地鐵區(qū)間隧道進(jìn)行了同步監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)方法與建筑物類似，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖11所示。隧道內(nèi)部沉降未超出報(bào)警值，在安全可控范圍內(nèi)。

圖11　區(qū)間隧道沉降曲線圖（單位：mm）

10　結(jié)　語(yǔ)

本文以杭州市彩虹大道市心路地道基坑工程為例，由于原相鄰建筑物基坑的土釘侵入該基坑范圍內(nèi)形成地下障礙物，綜合考慮清障及圍護(hù)成樁的實(shí)施可行性，采用帶槽壁加固的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，并輔以劃分小基坑、坑內(nèi)土體加固、對(duì)稱開(kāi)挖、設(shè)置隔離樁和備用應(yīng)急降水井等各項(xiàng)保護(hù)措施，結(jié)合數(shù)值模擬與各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，上述措施對(duì)于控制基坑變形，保護(hù)基坑、地鐵及周邊的房屋安全是切實(shí)有效的。該工程的經(jīng)驗(yàn)可以為類似的基坑工程提供參考和指導(dǎo)。

[1]劉建航，侯學(xué)淵，等．基坑工程手冊(cè)[M]．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997：35-36.

[2]王良崗，王良飛，地下清障施工技術(shù)[J]．浙江建筑，2002,（3）：32-33.

[3]楊石飛，顧國(guó)榮，王福林.深層清障技術(shù)縱論[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008,4(2)：387-400.

[4]周建昆，李志宏．鄰近地鐵隧道基坑工程對(duì)隧道變形影響的數(shù)值分析[J]．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010,6（增1）：1398-403.

[5]張治國(guó)，張孟喜，王衛(wèi)東． 基坑開(kāi)挖對(duì)臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法[J]．巖土力學(xué)，2011,32(7):2085-2092.

TU46+3

B

1009-7716（2016）04-0098-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.031

2016-01-07

周艷（1970-）,女，上海人，碩士，工程師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師，從事結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)和研究工作。