沿海某機(jī)場擴(kuò)建工程基坑監(jiān)測分析

代仲海, 趙俊偉

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048；2.內(nèi)蒙古呼倫貝爾市公路質(zhì)量監(jiān)督站, 內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008)

1 研究背景

隨著各地航空樞紐的建設(shè)，機(jī)場的航空業(yè)務(wù)量持續(xù)增長，航空公司機(jī)隊(duì)規(guī)模也不斷增加，這無疑增加了機(jī)場的運(yùn)行壓力，從而促使機(jī)場對其硬件設(shè)施進(jìn)行改造升級。對機(jī)場進(jìn)行擴(kuò)建成為解決運(yùn)行壓力的首要辦法。沿海某國際機(jī)場地下運(yùn)輸通道建設(shè)及機(jī)坪擴(kuò)建項(xiàng)目即是出于緩解日益增加的運(yùn)營壓力而進(jìn)行的擴(kuò)建工程，其中飛行區(qū)下穿通道工程涉及基坑開挖施工?；娱_挖是一項(xiàng)相對復(fù)雜的工程，一方面要關(guān)注基坑的穩(wěn)定性，即在基坑設(shè)計(jì)時(shí)要滿足強(qiáng)度要求；另一方面，由于基坑開挖導(dǎo)致的土體卸荷會引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身變形及周圍土體的變形，進(jìn)而會對周圍環(huán)境造成影響。開挖對周邊建(構(gòu))筑物影響大的基坑工程，基坑設(shè)計(jì)將從滿足穩(wěn)定性條件向滿足變形條件轉(zhuǎn)變，這也意味著基坑工程的安全性轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰刂芠1-2]。

本文涉及的機(jī)場飛行區(qū)下穿通道工程橫穿T3(運(yùn)營)、T4(運(yùn)營)及T0(新建)飛機(jī)滑行跑道。根據(jù)機(jī)場運(yùn)行要求，在基坑施工過程中，3條滑行跑道中的兩條必須正常使用。且部分區(qū)域需要在夜間停航期間施工(工人及機(jī)器進(jìn)場至撤場時(shí)間僅為6.5 h)，施工效率低。這將使開挖面長時(shí)間暴露，圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移及周邊地表沉降有較長時(shí)間發(fā)展，影響基坑安全及滑行道的正常運(yùn)營。另外基坑開挖影響范圍內(nèi)涉及數(shù)條管線，探查資料表明，主要包括機(jī)場正常運(yùn)營必須的輸油和輸電管線以及市政管線等，這些管線對周圍地層的變形非常敏感，關(guān)系到機(jī)場運(yùn)營的安全。因此基坑工程施工(包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地層開挖等)時(shí)，嚴(yán)格控制對周邊地層的變形的影響，并采取相關(guān)措施進(jìn)行有效保護(hù)，是關(guān)系工程成敗的關(guān)鍵一環(huán)。

工程人員和學(xué)者對基坑開挖的時(shí)間效應(yīng)[3-5]、施工引起的土體位移[6-8]、管線變形[9-11]開展了大量的實(shí)測和試驗(yàn)研究。在時(shí)間效應(yīng)方面，王國粹等[12]考慮軟土的流變效應(yīng)，采用數(shù)值模擬的方法對上海某基坑工程逆作法施工進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，加快土體開挖速度能有效減小圍護(hù)樁變形。王志鵬等[13]基于流固耦合的基本控制方程，編制了相應(yīng)的可以考慮時(shí)間效應(yīng)的程序，分析了開挖速率對軟黏土深基坑時(shí)間效應(yīng)的影響。林志斌等[14]采用有限差分軟件分析了由于基坑開挖導(dǎo)致的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍地層的變形規(guī)律，在模型中考慮了土體的流變特性和支撐結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。在對周邊管線影響方面，謝雄耀等[15]運(yùn)用現(xiàn)場監(jiān)測和有限元模擬的方法對基坑開挖引起下臥層既有電力隧道變形的控制技術(shù)進(jìn)行了研究。李鏡培等[16]通過對基坑項(xiàng)目實(shí)測數(shù)據(jù)的整理，分析了上海地區(qū)基坑的空間效應(yīng)和深度效應(yīng)，主要討論了擋墻側(cè)移、支撐軸力、立柱隆沉等隨土體開挖卸荷的變化規(guī)律。姜崢[17]以彈性地基梁理論為基礎(chǔ)，得到了管線變形和內(nèi)力的理論解答，同時(shí)為簡化理論解答計(jì)算，進(jìn)一步給出了加權(quán)殘值解。

本文在總結(jié)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍地層變形規(guī)律研究成果的基礎(chǔ)上，基于機(jī)場地下運(yùn)輸通道及機(jī)坪改造工程實(shí)測結(jié)果，總結(jié)了受開挖時(shí)間和周邊復(fù)雜環(huán)境影響的基坑開挖時(shí)圍護(hù)墻體變形及基坑周圍地層變形的規(guī)律。針對施工時(shí)間限制和管線變形控制要求，對施工方案進(jìn)行優(yōu)化，可以為開挖時(shí)間受限的基坑工程施工積累經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況及地質(zhì)條件

2.1 工程概況和周邊環(huán)境

本工程包括T1航站樓-S1衛(wèi)星廳和T2航站樓-S2衛(wèi)星廳兩個下穿通道，使用功能為連接航站樓和衛(wèi)星廳的機(jī)場服務(wù)車地道、旅客捷運(yùn)通道和行李車地道。T1-S1 下穿通道為新建地道，包括行李車地道和東、西服務(wù)車地道；T2-S2下穿通道北接已建地道，南端預(yù)留接口與規(guī)劃的捷運(yùn)區(qū)間連接，包括行李車地道、捷運(yùn)地道和東、西服務(wù)車地道。

本工程中T1-S1 下穿通道基坑除東服務(wù)車地道北匝道外，其余部分基坑并坑實(shí)施?；娱_挖深度最大為10.6 m，寬度為10～36 m，局部泵房處基坑開挖深度為11.8～13.6 m。T2-S2 下穿通道基坑除東、西服務(wù)車地道北匝道以及東服務(wù)車地道南匝道外，其余部分基坑并坑實(shí)施?；娱_挖深度最大約為10.5 m，寬度為10～52 m，局部泵房處基坑開挖深度為11.5～12.8 m?；悠矫娌贾萌鐖D1所示。

工程建設(shè)場地范圍內(nèi)有航油、上水、污水、電力、信號等管線，根據(jù)管線改遷計(jì)劃，受基坑開挖影響的管線有：T1-S1下穿通道FK0+875～FK0+950段基坑西側(cè)有信號、電力、上水、雨水和污水管線。T2-S2 下穿通道BK0+525～BK0+625段基坑兩側(cè)有信息、電力等管線。T2-S2下穿通道BK0+750～BK0+875段基坑兩側(cè)有電力和上水等管線。

2.2 水文地質(zhì)概況

根據(jù)勘察資料，擬建場地自地表以下43.3 m 深度范圍內(nèi)可劃分為5個土層。土層分布及土層性質(zhì)如表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

圖1 基坑平面圖及測點(diǎn)布置

擬建場地潛水年平均水位埋深為0.50～0.70 m，低水位埋深為1.50 m。擬建場地內(nèi)承壓水分布于第⑦層。承壓水水位均低于潛水位。

3 支護(hù)方案和基礎(chǔ)加固措施

3.1 支護(hù)方案

本工程處于機(jī)場范圍內(nèi)，受周邊環(huán)境條件限制較多，根據(jù)機(jī)場運(yùn)行要求，施工期間T3、T4 以及新建T0滑行道中應(yīng)保證兩個能夠正常使用。因此將整個下穿通道工程沿縱向分段施工，主要分以下3個階段：(1)實(shí)施新建T0滑行道范圍內(nèi)的地道結(jié)構(gòu)及滑行道。T3、T4滑行道正常運(yùn)營；(2)開通新建T0滑行道，T4滑行道正常運(yùn)營，停用中間T3滑行道，實(shí)施中間滑行道范圍內(nèi)的地道結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)實(shí)施完畢后恢復(fù)T3滑行道；(3)新建T0滑行道及T3滑行道正常運(yùn)營，停用T4滑行道，實(shí)施剩余范圍內(nèi)的地道結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)實(shí)施完畢后恢復(fù)T4滑行道。

對于禁飛區(qū)內(nèi)需要夜間施工的部分，采用鉆孔灌注樁作為維護(hù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)開挖深度和環(huán)境保護(hù)等級不同，采用Φ700@850、Φ800@950和Φ900@1050等不同尺寸，鉆孔灌注樁外側(cè)采用雙排止水帷幕，插入比約1∶1.2，在深度方向設(shè)置兩道支撐，分別為1道混凝土支撐和1道鋼支撐，坑底設(shè)高壓旋噴樁裙邊固，典型基坑剖面圖如圖2(a)所示。

對于非禁飛區(qū)內(nèi)的基坑，采用Φ850SMW 工法樁圍護(hù)，型鋼插二跳一，型鋼插入比約1∶1.2，在深度方向設(shè)置兩道支撐，分別為1道混凝土支撐和1道鋼支撐(局部換撐)，坑底進(jìn)行三軸攪拌樁加固，典型基坑剖面圖如圖2(b)所示。

3.2 地基加固

為提高坑底地基土的力學(xué)性能，減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移及基坑開挖對周邊環(huán)境的影響，根據(jù)前述圍護(hù)體系設(shè)計(jì)條件以及上海地區(qū)的基坑工程經(jīng)驗(yàn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用支護(hù)樁+內(nèi)支撐時(shí)，坑底采用3～4 m的高壓旋噴樁或三軸攪拌樁裙邊加固。為減小使用階段結(jié)構(gòu)變形縫兩側(cè)的不均勻沉降，在結(jié)構(gòu)變形縫兩側(cè)各設(shè)置2 m寬的坑底加固。

3.3 地下水位控制

對于本基坑潛水控制，為保證基坑在開挖過程中的安全，需要降低坑內(nèi)水位至開挖面以下1～2 m。基坑范圍內(nèi)需要疏干土體的層位包括②～⑤層。采用井點(diǎn)降水的形式。坑外水位位于地表以下0.5～0.7 m位置，受到降水等補(bǔ)給的影響，在±100 cm 范圍內(nèi)變化。對于承壓水，抗承壓水穩(wěn)定性滿足要求。考慮到承壓水的水頭隨季節(jié)有所變化，且區(qū)域內(nèi)地質(zhì)變化較大，因此施工時(shí)應(yīng)監(jiān)測⑦層承壓水水頭，并驗(yàn)算基坑的穩(wěn)定性，以決定是否需進(jìn)行降水，井點(diǎn)降水方案和止水帷幕如圖3所示。

嚴(yán)控禁區(qū)內(nèi)止水帷幕、工法樁和坑內(nèi)加固的施工質(zhì)量，確保隔斷基坑內(nèi)外地下水，同時(shí)嚴(yán)格控制降水速度，以滿足下一層土方施工為標(biāo)準(zhǔn)。加強(qiáng)禁區(qū)周邊滑行道面的變形監(jiān)測，并在混凝土灌注樁北側(cè)設(shè)置注漿孔。在開始降水后一旦出現(xiàn)異常沉降時(shí)，立即停止降水，采用回灌技術(shù)或壓密注漿方式迅速控制沉降和變形。

4 監(jiān)測方案

監(jiān)測項(xiàng)目包括對周圍建筑物管線變形監(jiān)測和對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的監(jiān)測，通過信息反饋法指導(dǎo)施工。本文主要分析第二階段施工過程中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，因此僅敘述第二階段的監(jiān)測方案。第二階段監(jiān)測方案和測點(diǎn)布置如圖1所示。

本工程第二階段監(jiān)測內(nèi)容為：

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)測斜：在第二階段基坑周圍布置8個點(diǎn)，監(jiān)測基坑維護(hù)墻體的水平位移，測點(diǎn)編號MP1～MP8，如圖1所示。

(2)墻后地表沉降監(jiān)測：在第二階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)后布置6組墻后地表沉降測點(diǎn)，每組4個，編號為MBi-1～MBi-6，如圖1所示。

(3)支撐軸力：在兩道支撐上各布置5處軸力監(jiān)測點(diǎn)，編號為MZi-1～MZi-5。

5 監(jiān)測規(guī)律總結(jié)

5.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)測斜

圖4和5分別為MP1和MP5測點(diǎn)不同施工階段墻體測斜的變化規(guī)律，其位移報(bào)警值為40 mm。

圖4和5表明，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)測斜在整個基坑工程施工過程中的變化形態(tài)一致。首先，圍護(hù)結(jié)構(gòu)測斜隨深度先增大后減小，整體呈現(xiàn)“大肚狀”。這與文獻(xiàn)報(bào)道的有支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)相一致。其次，由于土體的不斷開挖，整個深度范圍內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)測斜隨基坑開挖不斷增加，且其最大值也不斷增加。分析圖4中開挖深度為6 m和開挖深度為8 m兩條曲線以及圖5中開挖深度為7 m和開挖深度為8m兩條曲線可以發(fā)現(xiàn)，開挖深層土體引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形要大于開挖淺層土體所引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形。同時(shí)，圖4和5均表明隨著基坑的開挖，測斜最大值位置也在不斷下移，并處于開挖面附近。最后，從圖4和5中看出，在基坑開挖完成以后底板澆筑前，測斜均有較大發(fā)展，這表明了基坑變形的時(shí)間效應(yīng)，另外還可以看出底板澆筑有效地抑制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

圖2 基坑剖面圖(單位：m)

對比圖4和5還可以看出，MP5點(diǎn)測斜最大值小于MP1點(diǎn)測斜最大值，從圖1中兩測點(diǎn)位置可以看出，MP1點(diǎn)位于長邊靠近中點(diǎn)的位置，而MP5點(diǎn)則處于基坑拐角處附近，這表明基坑開挖導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形具有空間效應(yīng)。

圖6所示為基坑圍護(hù)樁各測點(diǎn)側(cè)向位移最大值的空間分布。由圖6可以看出，測點(diǎn)MP3和測點(diǎn)MP5的側(cè)移最大值明顯小于其他測點(diǎn)，測點(diǎn)MP4側(cè)移最大值較大。從圖1中的測點(diǎn)布置可以看出，測點(diǎn)MP3和測點(diǎn)MP5位于基坑角點(diǎn)處，測點(diǎn)MP4位于基坑邊中點(diǎn)處，這反映出了基坑開挖的空間效應(yīng)，即基坑變形受到基坑大小和形狀的影響。

圖3 圍護(hù)及加固平面圖

5.2 實(shí)測墻后地表沉降

圖7所示為MB4觀測點(diǎn)墻后地表沉降變化規(guī)律。從圖7可以看出，不同的施工階段，坑后地表沉降變化規(guī)律具有一致性。在緊鄰圍護(hù)結(jié)構(gòu)處，墻后土體受到圍護(hù)結(jié)構(gòu)摩擦的影響，其沉降反而小于距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)一定距離處的地表沉降。對于距離基坑較遠(yuǎn)處的地表沉降，由于受到開挖的影響較小，其值也隨距離的增加而減小。同時(shí)，對比不同施工階段沉降曲線的變化可以發(fā)現(xiàn)，與圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形規(guī)律相似，開挖深層土體對墻后地表沉降影響較大，在開挖4～9 m至底板澆筑前的過程中，地表沉降最大值從6.15 mm增加到51.44 mm，增長了45.29 mm，占地表沉降最大值的77.56%，由此可見開挖深層土體對墻后地表沉降影響較大。

圖4 MP1測點(diǎn)測斜曲線

圖5 MP5測點(diǎn)測斜曲線

由圖7還可以看出，隨著基坑底板的澆筑完成，墻后土體的沉降基本維持不變，這主要是由于底板的澆筑控制了坑內(nèi)土體的隆起，進(jìn)而阻止了坑外土體向坑內(nèi)變形。

圖6 基坑圍護(hù)樁各測點(diǎn)最大側(cè)向位移

圖7 MB4測點(diǎn)地表沉降曲線

5.3 支撐軸力

圖8所示為基坑軸力變化曲線，其中MZL1-i和MZL2-i分別指第1道支撐和第2道支撐軸力。其中MZL1-i缺少第5天監(jiān)測數(shù)據(jù)。

圖8 支撐軸力變化曲線

從圖8中可以看出第一道支撐軸力有相同的變化趨勢。隨著土體開挖深度的不斷增加，軸力逐漸增大，這主要是由于基坑內(nèi)部卸荷，坑外土體主動土壓力使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)向內(nèi)移動導(dǎo)致的。從圖8中還可以看出在安裝第2道支撐后，3個測點(diǎn)的支撐軸力均有所回落，至開挖完成后達(dá)到穩(wěn)定。在第2道支撐安裝之后，其軸力也隨開挖的加深而增加，最后在基坑開挖完成后達(dá)到穩(wěn)定值。

5.4 立柱樁豎向位移

隨著基坑的開挖，立柱樁將會由于豎向荷載以及坑底土體回彈的雙重作用下發(fā)生豎向位移，且當(dāng)不同立柱樁存在差異位移時(shí)將會在水平支撐中造成次生內(nèi)力，因此對于立柱樁位移的監(jiān)測也是基坑監(jiān)測的重要部分。圖9所示為立柱樁在基坑施工過程中的豎向位移曲線。

由圖9可以看出，立柱樁豎向位移主要表現(xiàn)為上浮，即立柱樁產(chǎn)生向上的位移。隨著土體的開挖卸荷，立柱樁豎向位移也逐漸增大，當(dāng)基坑開挖完成后立柱樁位移基本穩(wěn)定，略有下降，各立柱樁豎向位移最大值小于35 mm。對比不同位置的立柱樁的豎向位移可以看出，各立柱樁位移變化規(guī)律基本一致，且各立柱樁在不同施工階段位移差值均較小，最大差值為4.81 mm，說明本工程的開挖方法和支護(hù)設(shè)計(jì)有效地控制了立柱樁的差異上浮，避免了由于立柱樁的差異位移引起的支撐次生內(nèi)力。

圖9 立柱樁豎向位移曲線

6 結(jié) 論

本文基于某機(jī)場改建基坑工程實(shí)測結(jié)果，結(jié)合上海軟土基坑的變化規(guī)律，對復(fù)雜施工環(huán)境和施工時(shí)間限制下的基坑工程施工引起的本身和周圍地層的變形規(guī)律進(jìn)行探討，總結(jié)了以下規(guī)律：

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)測斜在深度方向上先變大后變小，最大值出現(xiàn)在開挖面附近，且隨著開挖的加深而增加。圍護(hù)結(jié)構(gòu)測斜具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，通過合理的施工組織，可有效控制夜間施工區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移。

(2)地表沉降出現(xiàn)了明顯的沉降槽，地表沉降主要由于深層土體卸荷所引起，底板澆筑對于控制坑外土體變形具有顯著的作用。

(3)支撐軸力隨施工進(jìn)行而增加，且在施工完成后保持穩(wěn)定。第1道支撐軸力在第2道支撐安裝后有所回落。立柱樁位移表現(xiàn)為上浮，其豎向位移隨著基坑開挖而增大，基坑開挖完成后基本穩(wěn)定。