分坑技術(shù)在飽和軟黏土深大基坑變形控制中的應(yīng)用

楊玉江 邵亞萍

(1.上海堅(jiān)志巖土工程有限公司，上海 200090;2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

0 引言

長(zhǎng)三角地區(qū)多為軟黏土分布區(qū)，軟黏土分布區(qū)基坑具有變形大、施工危險(xiǎn)系數(shù)高等特點(diǎn)，工程界研究了多種新型基坑支護(hù)方式并應(yīng)用于工程中，取得了一定的成果，但這些新型支護(hù)方式工期較長(zhǎng)，施工和材料費(fèi)用成本高。分坑技術(shù)在基坑工程中主要采用分坑、分塊開(kāi)挖來(lái)減少?lài)o(hù)的長(zhǎng)期支護(hù)。本研究結(jié)合具體工程實(shí)例，將分坑技術(shù)應(yīng)用于飽和軟黏土深大基坑的變形控制中，結(jié)果表明，分坑技術(shù)可以控制基坑變形并能夠較好地保護(hù)周邊環(huán)境，與其他新型基坑支護(hù)方式相比，可以大大減少工期、施工和材料費(fèi)用成本，可在基坑工程中廣泛應(yīng)用。

1 概述

1.1 工程概況

蘇地2014-WG-7#工程位于江蘇省蘇州市高新區(qū)濱河路與橫山路路口，濱河路下為正在施工的蘇州地鐵3號(hào)線橫山路車(chē)站。本基坑大致呈矩形，基坑面積23000 m2，基坑挖深達(dá)15.0～16.0 m，為減小飽和軟黏土中深大基坑開(kāi)挖導(dǎo)致的時(shí)空效應(yīng)[1-4]，本基坑劃分為A1基坑、A2基坑及B基坑(見(jiàn)圖1)，其中A1、A2基坑為緊貼橫山路地鐵站的較小基坑，B基坑為遠(yuǎn)離地鐵站的基坑，A1基坑與A2基坑面積均約1300 m2，B基坑面積約20400 m2，A1與A2基坑采用地下連續(xù)墻+三道混凝土支撐支護(hù)形式，B基坑采用鉆孔灌注樁+三道混凝土支撐支護(hù)形式，三個(gè)基坑水平支撐均呈獨(dú)立體系。

圖1 基坑地理位置示意圖

1.2 工程地質(zhì)概況

依據(jù)《2014-WG-7#地塊巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告》，對(duì)本基坑存在較大影響的土層從上至下分別為：①雜填土(高壓縮性)、②黏土(可塑)、③粉質(zhì)黏土(可塑—軟塑)、④粉砂夾粉土(稍密—中密)、⑤粉質(zhì)黏土(軟塑)、⑥黏土(可塑—硬塑)、⑦粉土(中密)。

1.3 工程水文地質(zhì)概況

結(jié)合基坑水文地質(zhì)資料，場(chǎng)地對(duì)本工程有影響的地下水有三層，包括潛水、微承壓水和承壓水。

潛水主要位于①雜填土中，穩(wěn)定水位標(biāo)高0.94～1.89 m；微承壓水主要位于④粉砂夾粉土中，穩(wěn)定水頭標(biāo)高0.0～0.5 m；承壓水主要位于⑦粉土中，穩(wěn)定水頭標(biāo)高-0.5～0.0 m。

1.4 周邊環(huán)境概況

本基坑周邊環(huán)境十分復(fù)雜，存在市政道路、地鐵、建(構(gòu))筑物及市政管線等，對(duì)基坑開(kāi)挖所引起的周邊環(huán)境變形控制要求極高。本基坑?xùn)|側(cè)緊鄰濱河路；基坑南側(cè)為橫山路，距離基坑外邊線約9.0～16.0 m?；?xùn)|側(cè)濱河路下為正在施工的橫山路地鐵車(chē)站，基坑與橫山路地鐵車(chē)站基坑無(wú)縫對(duì)接。本基坑西側(cè)緊鄰已施工的地下室，南側(cè)距2層住宅樓約26.0 m。基坑?xùn)|側(cè)濱河路與北側(cè)橫山路下均埋有給排水、通信、電力管等市政管線。

2 特點(diǎn)及難點(diǎn)分析

基坑?xùn)|側(cè)緊鄰蘇州地鐵三號(hào)線橫山路站，根據(jù)蘇州地區(qū)地鐵設(shè)施保護(hù)要求，軌道交通變形預(yù)警值為5 mm，報(bào)警值7 mm，控制值10 mm，因此，對(duì)周邊環(huán)境尤其東側(cè)橫山路地鐵站變形控制為重中之重。由于軟土的流變性及深大基坑的尺寸效應(yīng)，基坑開(kāi)挖所致時(shí)空效應(yīng)影響較大?；用娣e23000 m2，基坑挖深達(dá)15.0～16.0 m，土方量為345000～368000 m3，應(yīng)合理進(jìn)行分坑施工技術(shù)，縮短每一階段、每一基坑土方開(kāi)挖的時(shí)間跨度。開(kāi)挖過(guò)程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，加強(qiáng)基坑變形控制。若施工過(guò)程中止水帷幕存在漏水，對(duì)周邊地鐵等變形影響較大；若承壓水頭未降至設(shè)計(jì)標(biāo)高，坑底可能出現(xiàn)突涌等。

3 基坑分坑技術(shù)

為減小處于飽和軟黏土中深大基坑開(kāi)挖引起的基坑變形，本基坑劃分為A基坑和B基坑，其中A基坑為緊貼地鐵車(chē)站的較小基坑，B基坑為遠(yuǎn)離車(chē)站的較大基坑。B基坑主體結(jié)構(gòu)施工至地表后，再進(jìn)行A基坑的土體開(kāi)挖。

3.1 平面分坑設(shè)計(jì)

基坑?xùn)|側(cè)(緊貼地鐵車(chē)站側(cè))基坑依照“分塊、分層、對(duì)稱(chēng)、平衡、限時(shí)”原則，將A基坑劃分為A1-1、A1-2、 A1-3、A2-1、A2-2及A2-3六個(gè)基坑進(jìn)行土體卸荷，以減小軟黏土深基坑大面積開(kāi)挖引起的時(shí)空效應(yīng)[5-9]導(dǎo)致東側(cè)自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑變形和車(chē)站結(jié)構(gòu)變形。A基坑分坑如圖2所示。

圖2 基坑開(kāi)挖分坑設(shè)計(jì)圖

先開(kāi)挖A1基坑，后開(kāi)挖A2基坑。進(jìn)行A1基坑開(kāi)挖時(shí)，每一層土方開(kāi)始時(shí)，均對(duì)A1-1土體與A1-2土體先行開(kāi)挖，待支撐施工完畢養(yǎng)護(hù)達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度50%時(shí)，對(duì)中間A1-3土體后行開(kāi)挖，采取此對(duì)稱(chēng)、平衡開(kāi)挖，以減弱基坑長(zhǎng)邊效應(yīng)所引起的中間較大變形。依據(jù)以上開(kāi)挖次序，進(jìn)行第二層及后續(xù)土方開(kāi)挖。A1基坑地下主體結(jié)構(gòu)施工至地下一層底板標(biāo)高時(shí)，方可對(duì)A2基坑土方進(jìn)行開(kāi)挖。

3.2 空間分區(qū)設(shè)計(jì)

階段一主要為首層土方開(kāi)挖，施工第一道混凝土支撐。A1、A2基坑土體同時(shí)開(kāi)挖至第一道支撐底(標(biāo)高1.500 m)，施工混凝土冠梁與第一道混凝土支撐，如圖3所示。

階段二主要進(jìn)行A1基坑第2、3、4層土方的開(kāi)挖，對(duì)應(yīng)施工第二道混凝土支撐(標(biāo)高-4.250 m)、第三道混凝土支撐(標(biāo)高-8.750 m)及筏板基礎(chǔ)的施工(標(biāo)高-15.050 m)，A2基坑土方保持在第一道混凝土支撐梁底(標(biāo)高-1.000 m)不變(見(jiàn)圖4)。

圖3 階段一A1基坑土方開(kāi)挖與支撐梁施工工況(單位：m)

圖4 階段二A1基坑土方開(kāi)挖與支撐梁施工工況(單位：m)

階段三主要進(jìn)行A1基坑第三道支撐、第二道支撐的拆除及地下二層底板、地下一層底板的施工，待A1區(qū)地下一層底板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%時(shí)，便可進(jìn)行A2基坑土體開(kāi)挖(見(jiàn)圖5)。

圖5 階段三A1基坑支撐拆除與地下結(jié)構(gòu)底板施工工況(單位：m)

階段四A1基坑地下主體結(jié)構(gòu)繼續(xù)向上施工，A2基坑開(kāi)始向下對(duì)第2、3、4層土方進(jìn)行開(kāi)挖，對(duì)應(yīng)施工第二道混凝土支撐(標(biāo)高-4.250 m)、第三道混凝土支撐(標(biāo)高-8.750 m)及筏板基礎(chǔ)的施工(標(biāo)高-15.050 m)(見(jiàn)圖6)。

圖6 階段四A2區(qū)土方開(kāi)挖及支撐梁施工(單位：m)

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 深層位移分析

圖7和圖8分別為A基坑與B基坑豎向圍護(hù)樁某深層位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨著基坑開(kāi)挖工況發(fā)展而變化的曲線圖。

圖7 A基坑圍護(hù)樁某深層位移變化曲線圖

圖8 B基坑隔離樁深層位移變化曲線圖

從不同開(kāi)挖工況下圍護(hù)樁深層位移變化趨勢(shì)圖(見(jiàn)圖7)可知，除首層土方下深層位移變化曲線圖外，第二至四層土方開(kāi)挖工況下深層位移曲線圖均呈“大肚子”型，且最大深層位移均位于對(duì)應(yīng)支撐梁位置(開(kāi)挖面)附近。首層土方開(kāi)挖時(shí)第一道支撐梁暫未施工，圍護(hù)樁頂無(wú)約束，呈自由狀態(tài)，此時(shí)樁頂深層位移最大，為0.8 mm。第二至四層土方開(kāi)挖工況下，最大深層位移值分別為5.2 mm(埋深7.0 m處)、6.2 mm(埋深12.0 m處)、7.4 mm(埋深15.6 m處)，由數(shù)據(jù)分析可知，最大深層位移值逐漸下移，原因主要為隨著基坑挖深變深，主動(dòng)土壓力Ea也隨之增加，而豎向圍護(hù)樁抗彎剛度EI維持不變，故深層水平位移不斷變大。分坑施工后，圍護(hù)樁深層位移最大值為7.4 mm，僅為蘇州軌道變形控制值的74%，滿(mǎn)足軌道保護(hù)要求。

由圖7和圖8對(duì)比分析可知，B基坑變化曲線圖符合圍護(hù)樁深層位移，深層位移最大值10.9 mm，較分坑施工后的A基坑圍護(hù)樁深層位移提高47.3%。

4.2 車(chē)站上方道路豎向位移分析

對(duì)B基坑D2監(jiān)測(cè)點(diǎn)與A基坑CJ-2、CJ-3、CJ-5、CJ-7四個(gè)豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行土方開(kāi)挖工況下周邊地表沉降變化監(jiān)測(cè)(見(jiàn)圖9)。

圖9 B基坑局部與A2基坑周邊地表沉降變化曲線圖

由周邊道路豎向位移變化曲線圖可知，隨著坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體不斷卸荷，車(chē)站上方道路豎向位移逐漸增大，經(jīng)分析可知，隨著被動(dòng)區(qū)土體逐漸卸荷，坑內(nèi)自重應(yīng)力逐漸釋放，坑外最大主應(yīng)力(豎向)不變，最小主應(yīng)力(水平向)逐漸減小，如圖9所示，基坑外側(cè)土體剪應(yīng)力逐漸變大，直至破壞導(dǎo)致圍護(hù)樁向坑內(nèi)變形，圍護(hù)樁外側(cè)道路沉降不斷增大。待四層土方開(kāi)挖完畢，施工素砼墊層與筏板基礎(chǔ)后，周邊道路豎向位移值變化很小，經(jīng)分析主要由于底板剛度相對(duì)較大，等同于將圍護(hù)樁坑底位置施加一固定支座，豎向圍護(hù)樁側(cè)向變形不再增加，坑外土體豎向位移趨于平緩。從車(chē)站上方道路最終豎向位移可知，CJ-2、CJ-3、CJ-5及CJ-7豎向位移最大值為依次為6.3 mm、5.1 mm、5.7 mm、5.3 mm，僅為地鐵變形控制值的63%。由此可見(jiàn)，基坑合理的分坑技術(shù)對(duì)基坑周邊地鐵車(chē)站保護(hù)起著較好效果。

由圖9分析可知，B基坑豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大豎向位移為7.4 mm，較分坑后A基坑最大豎向位移值最大值6.3 mm提高17.5%。

由圖7、圖8和圖9綜合分析可知，無(wú)論圍護(hù)樁深層位移值還是周邊地表沉降值，基坑采用分坑技術(shù)后，變形值均有所控制。因此，采用合理的分坑施工技術(shù)，可解決飽和軟黏土地區(qū)深大基坑開(kāi)挖變形控制難題。

5 結(jié)論

(1)本基坑未分坑的B基坑深層位移較分坑施工后的A基坑圍護(hù)樁深層位移提高47.3%。

(2)采用分坑施工技術(shù)后，周邊地表沉降值僅為地鐵變形控制值的63%。

(3)采用合理的分坑技術(shù)后，基坑變形值均有所控制，可解決飽和軟黏土地區(qū)深大基坑開(kāi)挖變形控制難題，達(dá)到控制基坑變形、保護(hù)周邊環(huán)境的目的。