海域圍堰復(fù)雜地質(zhì)深基坑支護(hù)的變形規(guī)律分析

鄒 翀， 張文新， 李云濤， 金新凱

(1． 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司勘察設(shè)計研究院, 廣東 廣州 511458； 2． 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加快，基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)得以飛速發(fā)展，加之城市人口數(shù)量不斷增長，城市土地的使用價格愈來愈高，城市的規(guī)劃向著地下空間的開發(fā)和利用發(fā)展；同時，城市的快速發(fā)展，使交通擁堵問題日益突出，尤其是存在內(nèi)海、內(nèi)河的城市，過海(江)通道是必然的選擇。為了解決這些突出問題，超大深基坑不斷涌現(xiàn)，基坑面臨的地質(zhì)情況越發(fā)復(fù)雜。

在軟土地區(qū)工程中常用鉆孔灌注樁 + 鋼筋混凝土內(nèi)支撐+ 水泥土攪拌樁止水帷幕[1-2]、地下連續(xù)墻二墻合一+鋼筋混凝土支撐[3]、放坡土釘墻支護(hù)[4]、鉆孔灌注樁 + 錨桿[5]、SMW 工法樁 + 鋼支撐[6]等支護(hù)形式。在上部第四系土層與下部巖層的上軟下硬地層現(xiàn)象，在基坑支護(hù)中出現(xiàn)了吊腳樁問題[7-9]。王殿斌等[10]對民建中的巖石基坑及上軟下硬基坑支護(hù)設(shè)計進(jìn)行了系統(tǒng)闡述; 劉紅軍等[11]對土巖組合地層基坑工程變形進(jìn)行了監(jiān)測分析，并闡述了基坑施工過程中的變形特點(diǎn); 李煥煥等[12]對厚軟土地區(qū)深基坑預(yù)應(yīng)力錨樁、鋼支撐和SMW 工法樁的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析； 徐菁[13]探索了軟土地區(qū)深大基坑工程施工對基坑周圍環(huán)境的擾動影響； 趙文強(qiáng)[14]分析了上軟下硬復(fù)合地層條件下深基坑支護(hù)設(shè)計情況； 譚顯松[15]對巖土工程深基坑支護(hù)的設(shè)計及施工問題進(jìn)行了分析。但以上研究少有對海域環(huán)境下上軟下硬復(fù)雜地層深基坑施工期間的全過程變形規(guī)律進(jìn)行分析。

針對海域圍堰復(fù)雜地層的深大基坑因圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系異常變形，導(dǎo)致基坑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)安全風(fēng)險的問題，本文以蘇埃通道工程始發(fā)井及后配套基坑施工為背景，全過程分析盾構(gòu)始發(fā)井及后配套開挖過程中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，建立監(jiān)測綜合判定機(jī)制，提出變形預(yù)警，指導(dǎo)施工，并對支護(hù)設(shè)計中存在的不足提出建議。

1 工程概況

汕頭市蘇埃通道工程位于已建海灣大橋和礐石大橋之間，起點(diǎn)從汕頭市北岸龍湖區(qū)天山南路與金砂東路交叉口，依次下穿天山南路、中山東路、華僑公園，然后穿越蘇埃灣海域，在南岸汕頭市跳水館西側(cè)約200 m處上岸，終點(diǎn)位于虎頭山隧道口，與規(guī)劃的安海路相接。南岸盾構(gòu)井位于南岸圍堰內(nèi)部(見圖1)。盾構(gòu)始發(fā)井為長方形，深 29.66 m，長×寬為 49.9 m×25 m，場地范圍內(nèi)從上到下穿越地層主要為淤泥、中粗砂、全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

圖1 圍堰現(xiàn)場圖

2 工程水文地質(zhì)

盾構(gòu)始發(fā)井及南岸后配套段處于填海圍堰范圍內(nèi)，圍堰內(nèi)地面標(biāo)高為+2.90～+3.00 m，地層主要為第四系(Q)人工填土層、海積沉積層、海陸交互相沉積、殘積土層及燕山期侵入巖。施工范圍內(nèi)巖土層軟硬差異大，上部淤泥地層高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強(qiáng)度、強(qiáng)流塑性，易變形失穩(wěn)；中部砂層富水，易發(fā)生涌水、涌砂；下部強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖層巖石強(qiáng)度高，且槽段內(nèi)有大量潛在孤石(地層中孤石、基巖突起分布不規(guī)則，孤石強(qiáng)度為80～100 MPa，基巖強(qiáng)度為100～140 MPa，巖面起伏變化極大)，施工質(zhì)量控制難度大，直接影響到基坑開挖的安全。

南岸地下水與地表水呈互補(bǔ)關(guān)系。地下水劃分為松散巖類孔隙潛水、松散巖類孔隙承壓水及塊狀巖類裂隙水。區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給，主要為大氣降水和垂直滲入補(bǔ)給。巖性參數(shù)見表1。

表1 地層分類評價表

表1(續(xù))

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

盾構(gòu)井處頂面整平標(biāo)高為 2.8 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂(冠梁)標(biāo)高為 1.7 m，高差采用 1.6 m 高擋墻，擋水墻高度為0.4 m。為保證基坑安全與穩(wěn)定，盾構(gòu)井(EK6+837.5～+862.5)開挖階段采用連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系，連續(xù)墻厚 1.2 m，采用6層鋼筋混凝土支撐： 第1、2、5、6層混凝土支撐截面高×寬為1 300×1 000 mm，第3、4層混凝土支撐截面高×寬為1 300 mm×1 200 mm。

后配套基坑(EK6+837.5～EK7+050)地下連續(xù)墻墻厚1 m，墻頂設(shè)1 m×1 m鋼筋混凝土冠梁；EK6+862.5～EK7+050第1、2層為1 300 mm×1 000 mm的混凝土支撐+4層鋼支撐。

盾構(gòu)井在盾構(gòu)始發(fā)階段采用連續(xù)墻+環(huán)框梁的圍護(hù)體系。由于盾構(gòu)始發(fā)，需要拆除內(nèi)支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐受力轉(zhuǎn)換為環(huán)框梁受力。在圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂，冠梁兼做環(huán)框梁，并在冠梁下設(shè)置第2層閉合環(huán)框梁。支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖2所示?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)三維立體圖如圖3所示。

(a) 平面布置圖 (單位： mm)

(b) 縱斷面圖 (單位： m)

圖3基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)三維立體圖

Fig. 3 3D diagram of retaining structure of foundation pit

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算分析

根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，連續(xù)墻采用彈性支點(diǎn)法計算模式： 開挖面坑底上部主動側(cè)(迎土側(cè))按主動土壓力進(jìn)行計算，開挖面坑底下部考慮兩側(cè)土壓力相抵后形成矩形土壓力荷載，圍護(hù)排樁內(nèi)側(cè)的被動土壓力以彈簧進(jìn)行模擬，其彈性抵抗系數(shù)按“m”法確定。盾構(gòu)井處(1.2 m 連續(xù)墻)內(nèi)力及變形計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)井處內(nèi)力及變形計算結(jié)果圖

Fig. 4 Calculation results of internal force and deformation of shield shaft

根據(jù)坑底土層的工程力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性等驗(yàn)算，計算結(jié)果滿足要求。

4 監(jiān)測方案

始發(fā)井及后配套01、02節(jié)監(jiān)測項(xiàng)目如表2所示?；娱_挖期間進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。測點(diǎn)平面和剖面布置如圖5和圖6所示，監(jiān)測控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 基坑施工主要監(jiān)測項(xiàng)目及控制值

圖5 測點(diǎn)布置平面圖

圖6 基坑支撐剖面及軸力測點(diǎn)布置圖

5 監(jiān)測結(jié)果分析

對于始發(fā)井及后配套01、02節(jié)基坑施工，重點(diǎn)對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻體位移、混凝土支撐軸力、鋼支撐軸力在基坑開挖中的變形規(guī)律進(jìn)行分析。

5.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移分析

深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形控制在施工過程中最關(guān)鍵，其側(cè)向水平變形與基坑施工過程密切相關(guān)。 QT1位于盾構(gòu)始發(fā)井的始發(fā)方向，QT8位于暗埋段基坑位置，靠近始發(fā)井。為保證盾構(gòu)安全，要對QT1、QT8 重點(diǎn)監(jiān)測分析。圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工全過程的墻體水平位移圖如圖7所示?？梢钥闯觯?1)始發(fā)井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移與開挖深度及時間密切相關(guān)，最大水平位移發(fā)生位置隨支撐的依次安裝而逐漸下移，在主體結(jié)構(gòu)完成與內(nèi)支撐拆除后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為 21.9 mm，位于距離基坑頂部19.5 m的位置處，位于基坑北側(cè)盾構(gòu)始發(fā)方向位置； 2)暗埋段最大水平位移變形為13.6 mm，位于距基坑頂部19 m位置。滿足GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)程》中關(guān)于圍護(hù)樁(墻) 體水平位移容許值為 0.15%H(H為開挖深度)或容許值為 30 mm(兩者取最小值)的要求，說明基坑處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

始發(fā)井基坑?xùn)|西兩側(cè)水平位移曲線圖如圖8所示。

(a) QT1各階段 (b) QT8各階段

正值表示向基坑開挖側(cè)的水平位移; 負(fù)值表示向基坑外側(cè)的水平位移。

圖7始發(fā)井與后配套水平位移曲線圖

Fig. 7 Horizontal displacement curves of launching shaft and back-up supporting

(a) QT4各階段 (b) QT5各階段

圖8始發(fā)井基坑?xùn)|西兩側(cè)水平位移曲線圖

Fig. 8 Horizontal displacement curves of east and west sides of foundation pit in launching shaft

由圖8可以看出： 基坑?xùn)|西兩側(cè)變形呈現(xiàn)出鼓“肚子”變形規(guī)律，基坑西側(cè)測點(diǎn)QT4最大變形為13.84 mm，基坑?xùn)|側(cè)測點(diǎn)QT5最大變形為10.97 mm，基坑西側(cè)變形大于基坑?xùn)|側(cè)。分析主要原因?yàn)椋?基坑位于海域填筑圍堰內(nèi)，海水流向?yàn)橛晌飨驏|(如圖1中箭頭為水流方向)，因水流的動壓作用，基坑西側(cè)外的水土壓力大于基坑?xùn)|側(cè)；基坑底部西側(cè)設(shè)置有集水坑，集水坑開挖后使得坑內(nèi)作用于連續(xù)墻的土體反壓作用有減??；始發(fā)井基坑西側(cè)為鋼支撐、模板、鋼管堆放區(qū)域，存在地面超載，增大側(cè)向土體壓力。

5.2 始發(fā)井混凝土支撐軸力

5.2.1 始發(fā)井基坑整體受力情況

始發(fā)井基坑6層支撐在2017年10月開始拆除，拆除前，支撐軸向力表現(xiàn)為基坑西側(cè)大于基坑?xùn)|側(cè)，與基坑西側(cè)變形大于基坑?xùn)|側(cè)的變形規(guī)律一致，原因相同。始發(fā)井基坑支撐軸力分布如圖9所示。

圖9 始發(fā)井基坑支撐軸力分布圖

5.2.2 始發(fā)井基坑最大受力支撐情況

始發(fā)井基坑6層支撐軸力東側(cè)依次為4 902.11、5 057.55、10 311.50、12 940.80、15 656.19、10 523.5 kN；西側(cè)依次為7 449.35、7 295.74、14 205.66、16 566.89、15 666.49、13 155.50 kN。由軸力值和圖9可知，第4層和第5層支撐總體受力大。

第4層支撐受力變化可分為如下5個階段: 1)負(fù)5層4.39 m從開挖至2017年7月18日完成，第4層支撐軸力受開挖影響軸力先增大，在停止開挖進(jìn)行第5層支撐施工，沒有新增荷載出現(xiàn)短暫平穩(wěn)狀態(tài)； 2)負(fù)6層4.5 m從2017年7月20日到8月1日開挖期間，開挖范圍內(nèi)第5層支撐強(qiáng)度還處于增長狀態(tài)，第4層支撐限制基坑圍護(hù)變化處于主要受力點(diǎn)，使其受力增長較快； 3)負(fù)7層3.89 m從2017年8月7日開挖后及配套01節(jié)第6層、第5層鋼支撐拆除后，支撐軸力連續(xù)增長，主要因?yàn)榛娱_挖和后配套01節(jié)第6層、第5層鋼支撐拆除影響所致； 4)在2017年9月1日到8日始發(fā)井西北側(cè)地面進(jìn)行注漿加固，注漿壓力導(dǎo)致地下連續(xù)墻受力增加，進(jìn)而傳遞到支撐受力增加，支撐軸力出現(xiàn)第3次快速增加過程； 5)在2017年9月21日后到支撐拆除過程中，第6層支撐拆除后，受力約束傳遞到第4層、第5層，使其受力出現(xiàn)增大，縱向支撐的施作和第5層支撐拆除，受力轉(zhuǎn)換導(dǎo)致減小。始發(fā)井第4層支撐受力變化曲線圖如圖10所示。

圖10 始發(fā)井第4層支撐受力變化曲線圖(2017年)

第5層支撐受力變化可分為如下4個階段： 1)從2017年7月20日負(fù)6層開挖到8月1日，第5層支撐軸力受開挖影響軸力先增大，在停止開挖進(jìn)行第6層支撐施工，沒有新增荷載出現(xiàn)短暫平穩(wěn)狀態(tài)； 2)從2017年8月7日負(fù)7層開挖后及配套01節(jié)第6層、第5層鋼支撐拆除后，支撐軸力連續(xù)增長，主要因?yàn)榛娱_挖和后配套01節(jié)第6層、第5層鋼支撐拆除影響所致； 3)在2017年9月1日到8日始發(fā)井西北側(cè)地面進(jìn)行注漿加固后，軸力出現(xiàn)第3次增加過程，主要因?yàn)樽{導(dǎo)致地下連續(xù)墻受力增加，繼而影響到支撐受力增加； 4)在2017年9月21日后到支撐拆除過程中，第6層支撐拆除后，受力約束傳遞到第4層、第5層，使其受力出現(xiàn)增大，縱向支撐受力，受力轉(zhuǎn)換導(dǎo)致減小。始發(fā)井第5層支撐受力變化曲線圖如圖11所示。

圖11 始發(fā)井第5層支撐受力變化曲線圖(2017年)

第4層和第5層位于基坑最大水平位移變形范圍，二者支撐受力相近，但第5層支撐斷面小于第4層支撐斷面，故第5層支撐存在的風(fēng)險比第4層支撐存在的風(fēng)險大。

5.2.3 后配套支撐拆除對始發(fā)井基坑的影響

根據(jù)施工工序中，后配套第1節(jié)基坑底板完成時，始發(fā)井進(jìn)行底板及集水坑開挖，后配套逐步拆除第6層、第5層支撐進(jìn)行結(jié)構(gòu)施工，對始發(fā)井基坑第4層、第5層和01節(jié)第2層影響使支撐受力增大，如圖10—12所示。增加鋼管支撐后，受力變化逐步平穩(wěn)。支撐架設(shè)前后對比如圖13所示。

圖12 后配套支撐受力變化曲線圖(2017年)

(a) 支撐增加前

(b) 支撐增加后

5.3 始發(fā)井周邊地表沉降

基坑外側(cè)地表沉降主要對基坑北側(cè)始發(fā)端頭、西側(cè)和東側(cè)場地進(jìn)行監(jiān)測?；铀趪邽槿斯せ靥疃?，地層密實(shí)度差，承載力低。為了保證盾構(gòu)刀盤拼裝和順利始發(fā)，對基坑北側(cè)長18 m、寬50 m、深30 m的始發(fā)端頭采用水泥摻量不低于20%的φ850 mm@600 mm咬合三軸旋噴加固；為提高基坑?xùn)|西兩側(cè)地面承載能力，對其進(jìn)行深8 m、寬12 m、水泥摻量為15%的單軸旋噴樁加固。基坑開挖后，基坑北側(cè)沉降在20 mm以內(nèi)，基坑?xùn)|西兩側(cè)路面相對同步均勻地持續(xù)下沉，超過200 mm以上，且遠(yuǎn)大于基坑北側(cè)?；又苓叧两惦S時間變化曲線如圖14所示?？梢钥闯觯?基坑?xùn)|西兩側(cè)地表同步持續(xù)相對均勻下沉，地面出現(xiàn)斜坡度逐步增大，沒有出現(xiàn)突然塌陷問題。持續(xù)下沉原因如下： 地層密實(shí)度差，自身存在固結(jié)沉降；地層承載力差，受地面重型機(jī)械等荷載作用，加速地層固結(jié)沉降，基坑主體結(jié)構(gòu)完成后，對基坑?xùn)|西兩側(cè)地面進(jìn)行重新澆筑混凝土，保持地面平整，基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，基坑周邊總體安全。

5.4 始發(fā)井周邊水位變化

基坑外共布設(shè)5個水位觀測孔。在基坑開挖期間，坑內(nèi)通過管井降水，坑外地下水位隨時間變化上下波動，基坑北側(cè)水位隨基坑開挖逐步下降，在負(fù)4層開挖期間，水位基本保持穩(wěn)定，在底板封閉完成后，水位開始上升并趨于平衡；基坑?xùn)|側(cè)波動較大，主要是由于地表水流入水位監(jiān)測孔影響，基坑?xùn)|西兩側(cè)水位下降小，說明基坑連續(xù)墻施工中，東西兩側(cè)封閉性比北側(cè)好，基坑開挖中北側(cè)連續(xù)墻有滲水出現(xiàn)?；娱_挖完成后，對連續(xù)墻滲水進(jìn)行了有效封堵。地下水位隨時間變化曲線如圖15 所示。

圖14 始發(fā)井基坑周邊地表沉降曲線圖(2017年)

圖15 始發(fā)井基坑周邊水位變化曲線圖(2017年)

6 結(jié)論與討論

1)制定合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，預(yù)測施工中的變形情況，預(yù)判基坑開挖中最大風(fēng)險位置，針對性增強(qiáng)對應(yīng)部位的支撐體系，保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系安全。

2)在海域上軟下硬地層中，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與支撐軸向力都表現(xiàn)了基坑西側(cè)大于基坑?xùn)|側(cè)的變形規(guī)律。建立以圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移為主、支撐軸力和地面沉降為輔的監(jiān)測預(yù)警機(jī)制，既保證施工安全，又防止出現(xiàn)誤預(yù)警。

3)始發(fā)井受力中第4層和第5層受力基本相同，但第5層支撐截面小于第4層支撐截面。在后續(xù)類似工程中，應(yīng)增大第5層支撐斷面，增強(qiáng)第5層支撐的承受荷載能力。

4)在始發(fā)井與暗埋段相接位置，施工工序影響支撐受力穩(wěn)定。后續(xù)類似施工中，宜在相接位置暗埋段增加混凝土支撐，增強(qiáng)相接位置受力穩(wěn)定性。