敏感環(huán)境下富水土層隧道基坑支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)研究

孟曉潔

(中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司華東分公司,江蘇 南京 210031)

0 引 言

近些年來，隨著城市交通的快速發(fā)展和建設(shè)，城市明挖隧道的建設(shè)已在全國范圍內(nèi)大量展開。但越來越多的城市隧道面臨前期規(guī)劃缺失、周邊環(huán)境敏感和地質(zhì)條件復(fù)雜等問題，正所謂“好修的地方不急需，急需的地方不好修”，這必然對隧道建設(shè)中占據(jù)著至關(guān)重要地位的基坑支護(hù)方案的選擇帶來更大的困難。因此，在周邊環(huán)境敏感且地層條件復(fù)雜的前提下，提出一套科學(xué)合理、操作性強(qiáng)的基坑支護(hù)方案，顯得尤為重要。

1 工程概況

1.1 工程概況

某隧道為連續(xù)下穿老城鬧市區(qū)的長隧道，隧道主要采用明挖順作法施工。隧道基坑長約1 550 m，寬度為21.5 m，基坑總面積約為33 300m2；基坑開挖深度2.0～11.5 m，泵房處開挖深度達(dá)15.7 m，為長條形的深基坑。

1.2 環(huán)境概況

隧址穿越老城鬧市區(qū)，基坑兩側(cè)緊鄰連續(xù)多幢4～6層居民樓和商鋪，建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)形式主要為條形基礎(chǔ)，對沉降較為敏感且整體傾斜率略差，大部分建(構(gòu))筑物距離基坑為10～13 m，最近處僅9.2 m?；觾蓚?cè)道路下方分布著大量的市政管線，受空間限制，隧道施工期間，基坑西側(cè)管線有污水管、給水管、電力排管，基坑?xùn)|側(cè)管線有合流管、燃?xì)夤?、給水管，其中離隧道基坑最近的是的凈距僅2.8 m合流管。項(xiàng)目基坑周邊環(huán)境敏感度性強(qiáng)，社會(huì)關(guān)注度高。

1.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)地勘資料顯示，場地地形平坦，地基穩(wěn)定性好。本項(xiàng)目涉及的主要土層有②2砂質(zhì)粉土、③1粉砂夾粉土、③2粉砂夾粉土、③3粉砂夾粉土、③4粉砂、④1-1粉質(zhì)黏土。②、③層為主要潛水含水層，主要補(bǔ)給來源為大氣降水和地表水等，滲透系數(shù)均大于1.59E-04，透水性強(qiáng)，含水率豐富，④1t層為承壓水含水層，隧道雨水泵房基坑開挖時(shí)④1t層承壓水存在突涌可能性。針對這種富水性地層，需采取合理的控制地下水措施，確保本基坑工程的安全實(shí)施。土層物理力學(xué)參數(shù)見表1 。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)表

2 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 工程特點(diǎn)及難點(diǎn)

(1)基坑長約1 550 m，寬度為21.5 m，基坑總面積約為33 300 m2；基坑開挖深度2.0～11.5 m，泵房處開挖深度達(dá)15.7 m，為長條形的深基坑。

(2) 基坑位于老城鬧市區(qū)，緊鄰連續(xù)多幢淺基礎(chǔ)的建(構(gòu))筑物，兩側(cè)管線密集，周邊環(huán)境敏感度性強(qiáng)，社會(huì)關(guān)注度高。

(3) 基坑開挖范圍多為粉砂、粉土等富水性強(qiáng)的含水層，含水率高、滲透性強(qiáng)，必須采取可靠的隔水措施。

2.2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

隧道主要采用明挖順作法施工，基坑大致呈南北走向，兩側(cè)建筑物和管線密集，開挖深度多為10 m左右，地質(zhì)條件為粉土夾粉砂類土層。根據(jù)沿線環(huán)境、地質(zhì)情況、開挖深度和主體結(jié)構(gòu)布置，經(jīng)經(jīng)濟(jì)、技術(shù)綜合比較后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)以排樁為主，推薦采用SMW工法樁、TRD工法和鉆孔灌注樁+止水帷幕基坑圍護(hù)形式。為減小降水對周邊環(huán)境的影響，止水帷幕隔斷透水層，當(dāng)止水帷幕長度≥27 m時(shí)，采用TRD工法，并在周邊建筑物距離隧道基坑在1倍基坑深度范圍內(nèi)的鋼支撐配軸力補(bǔ)償伺服系統(tǒng)，加強(qiáng)對基坑變形的控制，確保基坑安全可靠。

3 關(guān)鍵設(shè)計(jì)技術(shù)

3.1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目基坑深度大部分在10 m左右，綜合地質(zhì)條件和基坑變形要求，經(jīng)計(jì)算確定采用混凝土等級為C30的φ800@1 000規(guī)格的鉆孔灌注樁+止水帷幕，基坑中間設(shè)置1排鋼筋混凝土立柱，共設(shè)三道支撐+一道換撐，其中第一道為0.8m×0.8m的混凝土撐，其余為φ609mm×16的鋼支撐。典型支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖1所示，內(nèi)力包絡(luò)圖如圖2所示。

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

圖2 內(nèi)力位移包絡(luò)圖

由上圖可知鉆孔灌注樁最大水平位移為11.9mm，小于0.18% H=19.4mm，滿足一級基坑要求。整體穩(wěn)定性安全系數(shù)1.53>1.35，墻底抗隆起安全系數(shù)3.49> 1.8，均滿足規(guī)范要求。

3.2 止水帷幕設(shè)計(jì)

基坑開挖范圍多為粉砂、粉土類潛水含水層，土層含水率高、滲透性強(qiáng)，地下水處理是基坑工程安全實(shí)施的關(guān)鍵。在支護(hù)設(shè)計(jì)方案中，對滲透性大的②、③層潛水含水層，采取“隔水”的處理方案，將基坑止水帷幕深度深入④1-1粉質(zhì)黏土土層中一定深度以隔斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系。因③3粉砂夾粉土透水土層在基坑南側(cè)分布較多，北側(cè)幾乎無分布，因此止水帷幕長度根據(jù)土層分布大致為：基坑北半邊(長約450 m)止水帷幕長度小于27 m，基坑南半邊(長約1 100 m)均大于27 m且最深為34 m。

基坑止水帷幕深度最深達(dá)到34 m，常規(guī)三軸水泥土攪拌樁工藝已無法滿足施工深度和施工質(zhì)量要求，需超深三軸水泥土攪拌樁工藝，超深三軸水泥土攪拌樁底部容易開叉，防滲止水效果不易保證，為保證止水效果，確保項(xiàng)目萬無一失，采用三軸攪拌樁和TRD厚度水泥土攪拌墻組合的止水帷幕形式，即在止水帷幕長度小于27 m時(shí)選用三軸攪拌樁止水帷幕，止水帷幕長度大于27 m時(shí)選用TRD厚度水泥土攪拌墻。

3.3 鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)

本基坑為長條形深基坑且兩側(cè)緊鄰連續(xù)多幢淺基礎(chǔ)的建(構(gòu))筑物，沉降和變形控制要求嚴(yán)格。為確?；影踩?，減少基坑開挖對周邊建筑物的影響，基坑施工過程中需采取有效的控制措施。

全自動(dòng)應(yīng)力補(bǔ)償系統(tǒng)鋼支撐可24 h不間斷自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測支撐體系受力狀態(tài)，當(dāng)支撐軸力低于設(shè)計(jì)值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)償；當(dāng)支撐軸力超出設(shè)計(jì)值時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警并根據(jù)指令自動(dòng)卸載。系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)基坑支撐體系的軸力實(shí)現(xiàn)控制基坑變形、保證基坑安全的目的[1]。

經(jīng)比較分析和計(jì)算，基坑采用如下支撐形式：基坑深度12>H>9 m時(shí)，共設(shè)三道支撐，基坑深度9≥H≥4 m時(shí)，共設(shè)一/兩道支撐，基坑深度H<4 m時(shí)，采用SMW工法樁懸臂。其中第一道支撐為800mm×800 mm的鋼筋混凝土支撐，橫向間距8.0 m，其余為Φ609 mm×16的鋼支撐。同時(shí)，根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50911-2013)里工程影響分區(qū)及周邊建筑物情況，在基坑距離周邊建筑物1倍基坑深度范圍內(nèi)的鋼支撐配軸力補(bǔ)償伺服系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)24 h遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控及報(bào)警，加強(qiáng)對基坑變形的控制，確?；影踩煽俊?/p>

4 基坑開挖滲流數(shù)值模擬

在敏感環(huán)境下透水土層的基坑設(shè)計(jì)中地下水處理尤為重要，設(shè)計(jì)采取“隔水”的處理方案，將基坑止水帷幕深入不透水土層中以隔斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系。同時(shí)，選用MIDAS /GTS有限元軟件針對最不利斷面考慮滲流應(yīng)力耦合作用下模擬基坑開挖降水的詳細(xì)過程，探討并分析了不同止水帷幕長度對滲流路徑及周邊建筑物的影響，進(jìn)一步論證支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇的可行性和合理性。二維數(shù)值模擬結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 止水帷幕未穿透透水層的滲流分析云圖

圖4 止水帷幕穿透透水土層的滲流分析云圖

通過根據(jù)GTS /GTX應(yīng)力滲流分析數(shù)值模擬結(jié)果得到如下結(jié)論：

止水帷幕未穿透透水土層時(shí)，透水層未阻截，滲流路徑短，水頭變化快，對坑外地表有一定的影響；當(dāng)止水帷幕穿透透水土層，透水層阻截，滲流路徑長，水頭變化慢，對坑外地表幾乎無影響，此時(shí)根據(jù)沉降云圖推算得到的建筑物傾斜率為0.04 %，遠(yuǎn)小于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007-2011)中對建筑物地基變形允許值的要求，進(jìn)一步論證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理和可行性。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合實(shí)際工程案例，對周邊環(huán)境敏感及透水土層的深基坑支護(hù)方案關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了論述，并利用有限元進(jìn)行了基坑滲流應(yīng)力模擬，分析了隧道基坑開挖降水對周邊建筑物的影響同時(shí)驗(yàn)證了本文提出的支護(hù)方案的可行性，以期為今后同類深基坑支護(hù)方案提供理論借鑒。