臨近高速橋梁超深基坑施工安全技術(shù)研究

楊煥起

摘 要：闡述在臨近高速橋墩進(jìn)行超大超深工作井施工時(shí)，通過超深工作井地下連續(xù)墻施工、基坑開挖及內(nèi)襯施工、施工監(jiān)測(cè)等一系列控制措施，在安全快速完成超深工作井結(jié)構(gòu)施工的條件下，將高速橋梁的沉降與傾斜變形控制在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，以確保既有建筑物的安全。

關(guān)鍵詞：超深工作井;近接高速橋梁;安全控制措施

中圖分類號(hào)：TU753 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）34-0-04

Construction of Ultra-Deep Foundation Pit of Adjacent High-Speed Bridge is Safe

YANG Huanqi

（Sinohydro Bureau 8 Co.， Ltd.， Changsha Hunan 410004）

Abstract： The paper work in the near the bridge pier for super ultra deep well construction， work from the ultra deep Wells of the underground continuous wall construction， the excavation and lining construction， construction monitoring and a series of control measures， rapidly completed the ultra deep Wells in the security under the condition of the structure of the construction， the settlement of highway bridge and the tilting deformation control in the range of allowable design， ensure the safety of adjacent buildings.

Keywords： ultra-deep working wells;close access to high-speed bridges;safety control measures

城市在建設(shè)過程中由于地面建筑物的快速擴(kuò)張與地下工程規(guī)劃的相對(duì)滯后，往往會(huì)導(dǎo)致后續(xù)的地下空間開發(fā)相對(duì)應(yīng)的工程與既有建構(gòu)筑物的凈距越來越近。如何在保障既有建構(gòu)筑物安全的情況下加快地下空間的開發(fā)是當(dāng)前地下工程建設(shè)的難點(diǎn)。針對(duì)珠江三角洲水資源配置工程土建施工LG08#工作井超深工作豎井，在臨近高速橋墩條件下，通過采取一系列精細(xì)化控制措施，在確保高速橋梁橋墩安全前提下實(shí)現(xiàn)工作豎井的快速施工。

1 研究背景

1.1 工程概況

珠江三角洲水資源配置工程LG08#工作井位于廣東省佛山市順德區(qū)廣進(jìn)汽車城內(nèi)，工作井外徑35.9 m，內(nèi)徑 30.5 m，開挖深度64.5 m。基坑開挖采用地下連續(xù)墻垂直支護(hù)，連續(xù)墻墻厚1.2 m。LG08#工作井北側(cè)為G1508廣州繞城高速順德高架橋，與高架橋墩最小距離為19.3 m，G1508廣州繞城高速順德高架橋梁總長(zhǎng)為2 535.1 m。橋梁分左右兩幅，路線為整幅斷面總寬度 33.5 m，半幅結(jié)構(gòu)的基本寬度為16.5 m，全線等寬。LG08#工作井臨近左幅52#墩，高架橋上部結(jié)構(gòu)為小箱梁，跨徑為25 m，橋墩為板式墩，樁基與橋墩之間為6.3 m×2.5 m×2.3 m的承臺(tái)，承臺(tái)下為兩根直徑1.5 m的鉆孔灌注樁，樁間距為3.8 m，樁長(zhǎng)分別為43.72 m和43.63 m，均為嵌巖樁設(shè)計(jì)。其相對(duì)關(guān)系見圖1。

1.2 工程難點(diǎn)

本工程工作豎井開挖深度為64.5 m，高速橋橋墩及其下部樁基結(jié)構(gòu)位于工作豎井基坑開挖深度影響范圍。伴隨著工作豎井基坑開挖深度加大，地下水位發(fā)生變化，圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力增大后變形加劇，從而導(dǎo)致地表沉降增加[1]，致使高速橋墩及下部樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)向工作豎井側(cè)發(fā)生測(cè)斜傾斜。如何保證地下水位超深工作豎井在開挖過程中相對(duì)穩(wěn)定，不因土體大量失水導(dǎo)致地表及周邊建構(gòu)筑物發(fā)生沉降是本工程的難點(diǎn)。

2 工作井施工對(duì)橋墩影響模型分析

2.1 計(jì)算假定

①假定各層土體均為各向同性;②土體的初始應(yīng)力場(chǎng)只計(jì)算自重應(yīng)力，不考慮溫度和構(gòu)造應(yīng)力的影響;③假定高架橋橋樁結(jié)構(gòu)為線彈性材料;④假定高架橋橋樁及土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則;⑤采用施工步來模擬整個(gè)施工過程，考慮施工過程中空間位移的變化，不考慮時(shí)間效應(yīng)。

2.2 參數(shù)選擇

表1為土的物理力學(xué)參數(shù)取值，表2為結(jié)構(gòu)材料參數(shù)取值。

2.3 施工模型

考慮到施工過程中的空間效應(yīng)以及樁基的尺寸，取長(zhǎng)239 m、寬240 m、總厚度150 m的土體作為考察。計(jì)算模型中土體采用實(shí)體單元，不同的土層采用不同的材料模擬，土體本構(gòu)關(guān)系采用修正Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則，土層、地連墻、橋梁承臺(tái)、橋墩均采用實(shí)體單元，內(nèi)襯墻采用板單元，樁基采用梁?jiǎn)卧咏佑|模擬。邊界條件選取除頂面取為自由邊界外，其他面均采取法向約束[2]。圖2為工作井三維有限元模型，圖3為基坑開挖完成后橋梁承臺(tái)與橋墩的橫、豎向位移云圖，圖4為基坑開挖完成后橋梁樁基的橫、豎向位移云圖。

計(jì)算荷載考慮兩個(gè)方面：①高架橋結(jié)構(gòu)自重+車輛荷載;②土體自重。

采用三維有限元程序計(jì)算分析基坑開挖對(duì)臨近橋梁樁基的影響。根據(jù)有限元模擬結(jié)果得到以下結(jié)論：基坑開挖后橋梁橋墩的橫向位移最大為0.89 mm，引起橋墩最大豎向位移為-1.76 mm;樁基頂最大橫向位移為

0.6 mm，最大豎向沉降-1.6 mm。根據(jù)有限元模擬結(jié)果，基坑開挖過程引起的高速橋梁的沉降和水平位移均小于監(jiān)測(cè)預(yù)警值3 mm，其影響在可控范圍內(nèi)[3]。

3 工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工控制措施

3.1 地連墻分幅設(shè)計(jì)

LG08#工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為1.2 m厚地下連續(xù)墻，設(shè)計(jì)共24幅，其中一序、二序地連墻各12幅。具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)型式見圖5、圖6。

3.2 地連墻成槽控制措施

在挖槽中通過垂直度檢測(cè)儀表顯示的成槽垂直度情況[4]，及時(shí)調(diào)整成槽機(jī)及雙輪銑的垂直度，做到隨挖隨糾，確保垂直度不大于1/300。成槽時(shí)，派專人負(fù)責(zé)泥漿的放送，視槽內(nèi)泥漿液面高度情況隨時(shí)補(bǔ)充槽內(nèi)泥漿，確保泥漿液面高出地下水位0.5 m以上，同時(shí)不能低于導(dǎo)墻底面0.5 m，杜絕泥漿供應(yīng)不足的情況發(fā)生。

終孔驗(yàn)收項(xiàng)目含槽位、槽深、槽寬和槽段垂直度。槽孔寬度不小于1.2 m，槽深不小于設(shè)計(jì)槽深，槽段垂直度應(yīng)不大于1/300，接頭處相鄰兩槽段的中心線在任一深度的偏差不大于60 mm。地連墻槽段垂直度檢測(cè)采用超聲波法進(jìn)行檢測(cè)[5]。一序槽在三邊及兩轉(zhuǎn)角共5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行垂直度檢測(cè)，每條邊垂直度在此邊抓槽結(jié)束時(shí)進(jìn)行檢測(cè);二序槽在兩側(cè)及中間共3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行垂直度檢測(cè)。

3.3 地連墻接縫止水防滲漏控制措施

根據(jù)地質(zhì)資料，工作井井身中上部為人工填土層和沖積層，平均厚度約28.1 m，主要有①人工填土層、②-2淤泥質(zhì)土、②-3淤質(zhì)細(xì)砂、②-4淤泥質(zhì)土和②-5泥質(zhì)細(xì)砂，其中砂層為強(qiáng)透水層，存在基坑開挖期間地下水通過地連墻接縫滲漏導(dǎo)致基坑涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)。

地連墻接縫采用套銑工藝，通過雙輪銑將先期施工完成的一序地連墻段澆筑的地連墻混凝土面中的夾渣夾泥塊、不密實(shí)混凝土塊等銑削干凈，形成新鮮密實(shí)的混凝土接觸面。將二序地連墻鋼筋籠吊裝入槽后快速完成水下混凝土澆筑，使整個(gè)地連墻接縫部位混凝土貼合密實(shí)。同時(shí)，在每道地連墻接縫外側(cè)以接縫為中心線按照“品”字形設(shè)計(jì)3根三重管高壓旋噴樁，旋噴樁樁底進(jìn)入弱透水層的全風(fēng)化巖層不少于3 m。旋噴樁在地連墻施工混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后開始施工。采用地質(zhì)鉆從地面引孔，鉆孔至設(shè)計(jì)高程后采用自下而上的成孔方式作業(yè)，噴漿壓強(qiáng)按照24～30 MPa進(jìn)行控制，水泥漿水灰比為1.0，鉆桿提升速度按照不大于12 cm/min控制，經(jīng)成樁28 d后檢測(cè)樁體滲透系數(shù)不大于1.0×10-5 cm/s。通過地連墻接縫施工質(zhì)量控制與三重管旋噴樁補(bǔ)強(qiáng)，確保在工作井基坑開挖與內(nèi)襯期間不因接縫涌水涌砂導(dǎo)致基坑失穩(wěn)與周邊建構(gòu)筑物沉降變形超限。

4 工作井基坑開挖與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工控制措施

4.1 基坑開挖施工控制措施

工作井開挖直徑33.5 m，開挖深度64.5 m，采用明挖逆作法施工，單層施工高度4.5 m，自上而下共設(shè)計(jì)分為16層施工。

工作井基坑上部土層主要采用機(jī)械開挖，總體按照快速開挖快速完成單層內(nèi)襯混凝土施工原則，每層4.5 m高土方分2次開挖完成。工作井內(nèi)土方按照先開挖中心再開挖四周原則，在井邊共設(shè)置3個(gè)開挖與出土點(diǎn)。開挖過程中保證工作井內(nèi)土方均勻下降，確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力基本平衡，消除對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響。每個(gè)出土點(diǎn)均配置3～4臺(tái)渣土車，垂直出土設(shè)備從基坑內(nèi)取土并裝車后運(yùn)輸至對(duì)應(yīng)渣土消納場(chǎng)，避免將基坑內(nèi)土方開挖倒運(yùn)至基坑周邊造成基坑邊堆載超限，引發(fā)其他安全問題。

工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)通過在地下連續(xù)墻鋼筋籠預(yù)埋鋼筋套筒連接后形成疊合墻整體受力。每一層土方開挖完成后需要對(duì)地下連續(xù)墻基面進(jìn)行鑿毛處理。鑿毛選擇PC60型小型挖機(jī)帶振動(dòng)錘實(shí)施，避免振動(dòng)過大引發(fā)高架橋樁基周圍土體松動(dòng)而導(dǎo)致橋梁樁基礎(chǔ)發(fā)生傾斜位移。

4.2 內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工控制措施

針對(duì)每個(gè)單元層高4.5 m段施工，對(duì)周邊橋梁結(jié)構(gòu)最不利階段為該層土方開挖完成后至內(nèi)襯混凝土未達(dá)到既定強(qiáng)度前，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力變形最大。土方開挖過早將導(dǎo)致上一層內(nèi)襯混凝土強(qiáng)度不足，從而使內(nèi)襯與地下連續(xù)墻的疊合墻與開挖的土方之間的高度加大，對(duì)應(yīng)的地連墻受力也處于最不利工況。在項(xiàng)目工期壓力大的情況下，快速提高單元循環(huán)的內(nèi)襯結(jié)構(gòu)混凝土早期強(qiáng)度，形成完整的疊合受力體系，是保障基坑及橋梁結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。

4.3 保持地下水位相對(duì)穩(wěn)定相關(guān)措施

地下水流失造成地層中的鋁、鐵、膠結(jié)物質(zhì)等有機(jī)成分不同程度的流失，從而造成巖土含水量孔隙變大、土質(zhì)變松軟、巖土承載能力下降等諸多不良現(xiàn)象，造成周邊建筑物沉降或傾斜。為確保將本工程對(duì)周邊地層地下水影響降到最低，工作井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用落地式帷幕形式，將基坑外部地下水通過地下連續(xù)墻進(jìn)行隔斷。通過前文所述的對(duì)地下連續(xù)墻接縫部位采用的旋噴加固措施，進(jìn)一步防止地下水通過地下連續(xù)墻接縫滲入基坑內(nèi)而導(dǎo)致地下水流失。工作井基坑內(nèi)及外部不設(shè)置降水井對(duì)周邊進(jìn)行降水作業(yè)，減少對(duì)周邊水位的擾動(dòng)。在工作井基坑開挖及內(nèi)襯結(jié)構(gòu)施工過程中，發(fā)現(xiàn)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)漏水點(diǎn)在每4.5 m單元層內(nèi)襯結(jié)構(gòu)混凝土施工完成后即采取堵漏措施，同時(shí)在距離工作井地連墻5 m外沿圓周設(shè)置4口12 m深的回灌井，根據(jù)監(jiān)測(cè)的地下水位變化情況，及時(shí)采取回灌措施。

5 施工監(jiān)測(cè)措施

施工監(jiān)測(cè)包括工作井基坑安全監(jiān)測(cè)控制及周邊建構(gòu)筑物監(jiān)測(cè)控制，如橋墩/墩臺(tái)沉降和水平位移、橋墩/墩臺(tái)傾斜度、地表沉降、水位監(jiān)測(cè)、基坑深層水平位移及墻體內(nèi)力。在主要影響區(qū)的每個(gè)高架橋橋墩上各布置2個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)和2個(gè)傾斜測(cè)點(diǎn)，采用傾角計(jì)對(duì)傾斜實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè)，共計(jì)14個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)和14個(gè)傾斜測(cè)點(diǎn)。

所有監(jiān)測(cè)儀器在工作井基坑開挖前完成布設(shè)并采集好初始值。監(jiān)測(cè)頻次隨基坑開挖深度加大而逐步加密，開挖深度大于10 m時(shí)按照每天2次進(jìn)行，并根據(jù)數(shù)據(jù)變化情況動(dòng)態(tài)調(diào)整。從2020年4月15日工作井基坑開挖至2020年11月25日內(nèi)襯結(jié)構(gòu)完成，高速橋梁沉降及傾斜變形均在數(shù)據(jù)模型范圍內(nèi)。

6 結(jié)語

在本工程實(shí)施案例中，224 d完成了64.5 m深度的超深基坑開挖與內(nèi)襯施工，同時(shí)保證了近接高速橋梁墩柱及其基礎(chǔ)的變形未超過設(shè)計(jì)允許范圍，達(dá)到了預(yù)期效果。這些超深基坑施工時(shí)對(duì)近距離建構(gòu)筑物的保障措施，可為今后同類型工程提供一定的參考和借鑒。

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