大型深基坑沉井變形分析與糾偏加固技術(shù)研究

傅小能

（中鐵二十四局集團(tuán)安徽工程有限公司，安徽 合肥 230000）

1 工程概況

某72m 連續(xù)梁跨越運(yùn)河，主墩承臺(tái)尺寸為18.8m×12.4m，基坑開挖深度為13.752m，基坑采用沉井作為支護(hù)結(jié)構(gòu)。主墩基坑所在位置地質(zhì)情況為第四系全新統(tǒng)沖積層黏性土、粉土、砂類土，第四系上更新統(tǒng)沖積層黏性土、粉土、砂類土，巖土層，具體見表1。沉井為鋼筋混凝土矩形構(gòu)筑物，分為兩次澆筑下沉，設(shè)計(jì)參數(shù)見表2 所示。在沉井下沉至13.052m 時(shí)，橫橋向沉井壁產(chǎn)生嚴(yán)重開裂變形。沉井平面圖及立面圖如圖1 和圖2 所示。

表1 沉井基坑開挖土層表

表2 沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一覽表

圖1 沉井平面布置圖

圖2 沉井平面布置圖

2 沉井變形原因分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄顯示，沉井橫橋向出現(xiàn)明顯彎曲和斷裂，在小里程中心位置處最大變形量達(dá)到96cm，且1.5m 范圍內(nèi)產(chǎn)生不同程度的豎向裂縫，大里程井壁中心處變形達(dá)到24cm，未出現(xiàn)斷裂。具體詳見圖3 所示。

圖3 沉井開裂變形現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖

通過(guò)對(duì)沉降的結(jié)構(gòu)形式、受力特點(diǎn)以及變形開裂位置進(jìn)行分析，得出以下幾點(diǎn)導(dǎo)致沉井發(fā)生變形的原因：

（1） 沉井下沉?xí)r混凝土強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，井壁外側(cè)土壓力過(guò)大，導(dǎo)致沉井結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)混凝土拉應(yīng)力過(guò)大，出現(xiàn)不同程度的開裂變形。

（2） 沉井?dāng)嗔褌?cè)為施工平臺(tái)及臨時(shí)棄土點(diǎn)，對(duì)面一側(cè)臨近運(yùn)河，斷裂時(shí)棄土點(diǎn)堆土高度與河堤高差達(dá)7.5m，造成單邊土壓力過(guò)大，導(dǎo)致井壁內(nèi)外產(chǎn)生斷裂變形。

（3） 沉井下沉挖土?xí)r，35t 的長(zhǎng)臂挖掘機(jī)在距離井壁長(zhǎng)邊跨中1.0m 位置處持續(xù)作業(yè)。根據(jù)受力分析沉井跨中受力最大，屬于沉井結(jié)構(gòu)受力薄弱部位。施工荷載的增加導(dǎo)致井壁變形。

3 沉井變形糾偏處理措施

3.1 引孔釋放應(yīng)力

在距離井壁外5m 處，通過(guò)采用長(zhǎng)螺旋機(jī)鉆孔，釋放土應(yīng)力，降低土對(duì)井壁產(chǎn)生的壓力，控制井壁的持續(xù)變形，減小沉井?dāng)嗔褌?cè)復(fù)位時(shí)反作用力。詳見圖4 所示。引孔采用梅花型布置，以沉井中心線為基準(zhǔn)，每側(cè)7 孔，每孔深度7m，直徑0.5m，橫橋向間隔0.3m，順橋向間隔1m，共計(jì)3 排，引孔布置見圖5 所示。

3.2 沉井?dāng)嗔褌?cè)卸載

圖4 引孔現(xiàn)場(chǎng)平面布置圖

圖5 引孔現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)景圖

對(duì)施工作業(yè)平臺(tái)及臨時(shí)棄土點(diǎn)卸載，卸載至第一節(jié)沉井頂，每次取土深度3m，寬度2m，長(zhǎng)度6m，取土位置靠近井壁，主要作用降低井壁的主動(dòng)土壓力。

3.3 沉井復(fù)位

（1） 搭設(shè)沉井作業(yè)通道，對(duì)坑底土體進(jìn)行壓實(shí)、平整完成后，在沉井順橋向中心線兩側(cè)各3m 范圍內(nèi)鋪設(shè)竹節(jié)板。竹節(jié)板上鋪設(shè)方木，搭設(shè)碗扣式滿堂腳手架，順橋向和橫橋向立桿間距均1.5m，掃地桿高度30cm。并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂鐵、內(nèi)撐位置進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)。搭設(shè)過(guò)程中需符合規(guī)范要求。

（2） 第一層腳手架搭設(shè)至刃腳上部3m 處，在腳手架上鋪設(shè)方木，用于放置油頂、頂鐵、炮撐等糾偏加固材料、設(shè)備。第一層腳手架中安置4 道頂進(jìn)設(shè)備，下鋪竹節(jié)板用以調(diào)平、對(duì)中。每道頂進(jìn)設(shè)備前后對(duì)應(yīng)井壁位置處密貼鋼板。具體措施為在內(nèi)井壁鑿除混凝土保護(hù)層，將鋼板四角的連接鋼筋與井壁鋼筋進(jìn)行搭接焊接連接，密貼2cm 厚鋼板，每塊鋼板尺寸為1.5m*1.5m。采用焊接的方式將HW200*200 型鋼小縱梁固定于鋼板上。安裝雙拼25 號(hào)工字鋼橫梁，密貼小縱梁。

（3） 在頂進(jìn)設(shè)備安裝完畢后，采用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)，平行于沉井長(zhǎng)邊方向進(jìn)行取土，減小土側(cè)壓力。初次取土深度3m，寬度2m，長(zhǎng)度6m，取土位置靠近井壁。

（4） 鑿除井壁斷裂位置處的內(nèi)測(cè)混凝土保護(hù)層，在5mm 厚鋼板上焊接U 型鋼筋，與井壁鋼筋進(jìn)行焊接連接，鋼板尺寸為200cm*40cm，共設(shè)置18 塊鋼板，鋼板間距15cm，每塊鋼板上設(shè)置6 個(gè)Φ20mm 預(yù)留孔，對(duì)預(yù)留口進(jìn)行清洗之后，采用螺栓錨固于井壁，并植入植筋膠。具體詳見圖6 所示。

圖6 井壁貼板

（5） 采用8 道雙拼HW200X200 型鋼焊接在井壁鋼板上作為液壓千斤頂頂進(jìn)的縱梁，在縱梁上設(shè)置2 道雙拼25 號(hào)工字鋼作為橫梁，在橫梁一側(cè)安置4 個(gè)FYQ320T-200 油壓千斤頂，液壓行程為1000mm，中間采用頂鐵、炮撐等構(gòu)件連接，橫梁與小縱梁之間采用不同厚度的鋼板組合成楔塊進(jìn)行填充，兩側(cè)頂進(jìn)設(shè)備間距2.0m，中間間距0.8m。同時(shí)準(zhǔn)備2 個(gè)同型號(hào)千斤頂作為備用，根據(jù)試頂效果及頂進(jìn)觀測(cè)數(shù)據(jù)決定是否增加千斤頂數(shù)量。詳見圖7 與圖8 所示。井壁外側(cè)取土完成后，進(jìn)行試頂。頂進(jìn)過(guò)程中油壓表控制在18MPa 左右，頂推速度控制在50mm/h 范圍內(nèi)。沉井在糾偏時(shí)緩慢頂進(jìn)，防止井壁變形發(fā)生突變及頂鐵崩離現(xiàn)象。

圖7 液壓千斤頂設(shè)備

圖8 液壓千斤頂現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖

（6） 沉井壁復(fù)位油頂噸位頂力根據(jù)沉井破壞過(guò)程主動(dòng)土壓力確定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，在沉井下沉至地面以下高度H=h2+h4+h5+h6+h1=0.6+1.6+0.8+7.1+2.95=13.05m，橫橋向沉井壁產(chǎn)生嚴(yán)重開裂變形，沉井設(shè)計(jì)高度為13.65m。根據(jù)沉井計(jì)算書，沉井在沉至標(biāo)高時(shí)被動(dòng)土壓力合力標(biāo)準(zhǔn)值Epk= 1/4×πrH×Fpk =983655KN，即983.655t，沉 井 糾 偏 采 用4 個(gè)FYQ320T-200 油壓千斤頂，理論最大頂力為1280t>983.655t，盈余系數(shù)為1.3 倍，滿足沉井糾偏頂推作用力要求。土壓力作用沉井壁破壞面如圖9 和圖10 所示。

圖9 沉井?dāng)嗝鎴D

圖10 土壓力分布圖

3.4 斷裂面加固處理

（1） 沉井糾偏復(fù)位后，為了提高沉井結(jié)構(gòu)整體剛度，增強(qiáng)沉井抵抗變形的能力，對(duì)井壁斷裂面進(jìn)行加固處理，在距離基坑底部約3.5m 位置處，施作4 道φ630*10 螺旋管進(jìn)行加固，螺旋管設(shè)置在斷裂面兩側(cè)，間距分別為2.0m 與5.5m，具體布置詳見圖11 和圖12 所示。在拆除頂進(jìn)設(shè)備及腳手架之前對(duì)螺旋管施加預(yù)應(yīng)力，防止井壁發(fā)生二次偏位。

圖11 沉井鋼支撐加固現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景圖

圖12 沉井鋼支撐加固示意圖

（2） 螺旋管內(nèi)撐安裝完成后，對(duì)第二節(jié)井壁壓碎處進(jìn)行鑿除，鑿除寬度為20cm，深度為6m，并對(duì)已經(jīng)切割的鋼筋進(jìn)行搭接焊接，澆筑C40 混凝土。由下向上每次鑿除深度為1m，待強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%后，可繼續(xù)重復(fù)施工。（3） 在距離基坑頂部約3.0m 位置處，對(duì)井壁外斷裂處采用鋼筋混凝土背包進(jìn)行加固處理，背包的主要結(jié)構(gòu)形式為梯形體，增大井壁受壓面積，提高沉井的整體穩(wěn)定性。先破除井壁外混凝土，然后井壁內(nèi)主筋與背包鋼筋焊接，再澆筑C50混凝土形成整體。背包高度為4.0m，長(zhǎng)邊為3.0m，短邊長(zhǎng)度為2.0m，厚度為1.0m，具體見圖13 及圖14 所示。

圖13 背包結(jié)構(gòu)示意圖

圖14 背包結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)景圖

4 井壁變形復(fù)位的安全監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)目的

（1） 控制沉井復(fù)位過(guò)程中的姿態(tài)，及時(shí)調(diào)節(jié)液壓千斤頂?shù)某趾蔂顟B(tài)，指導(dǎo)施工方案的及時(shí)調(diào)整，保證沉井復(fù)位精度。（2） 通過(guò)對(duì)沉井下沉的實(shí)際監(jiān)測(cè)和理論計(jì)算的對(duì)比分析，為沉井安全下沉提供數(shù)據(jù)支撐。

4.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》 （GB50497-2009）要求，對(duì)沉井工程的變形監(jiān)測(cè)應(yīng)貫穿整個(gè)基坑的施工過(guò)程。變形觀測(cè)點(diǎn)主要設(shè)置井壁上，在沉井順橋向設(shè)置7 個(gè)點(diǎn)，橫橋方向設(shè)置4 個(gè)點(diǎn)。具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖15 所示。采用全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)變形觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確保沉井在復(fù)位及下沉過(guò)程中的變形在安全范圍之內(nèi)。

圖15 沉井變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

5 結(jié)語(yǔ)

大型深基坑沉井支護(hù)結(jié)構(gòu)在下沉過(guò)程中容易出現(xiàn)井壁的斷裂變形，影響結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性及安全性，對(duì)沉井?dāng)嗔炎冃芜M(jìn)行糾偏加固是很必要的。本工程通過(guò)分析井壁變形原因，提出了井壁外釋放土應(yīng)力、卸載土壓力等糾偏措施，并對(duì)沉井?dāng)嗔烟庍M(jìn)行復(fù)位加固，提高了沉井的整體剛度和安全性，保證了沉井的順利下沉，可以為同類型深基坑工程施工提供借鑒并具有一定的指導(dǎo)意義。