超深TRD工法下基坑逆作法施工對(duì)周邊環(huán)境影響分析

秦志龍

(上海建工二建集團(tuán)有限公司，上海 200080)

0 引言

上海地區(qū)屬于濱海平原地貌，分布著大量淤泥、淤泥質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，局部場(chǎng)地存在承壓水穩(wěn)定性問(wèn)題，這對(duì)基坑工程中止水帷幕的止水效果提出了較高要求，以減少基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的擾動(dòng)影響。

隨著基坑工程往深大方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)超深TRD工法在基坑工程中的應(yīng)用進(jìn)行了比較深入的研究。王衛(wèi)東等[1]根據(jù)3個(gè)深大基坑工程實(shí)例側(cè)向位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析了超深TRD水泥土攪拌墻施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，并從施工角度提出了敏感環(huán)境下控制攪拌成墻微變形影響的技術(shù)措施。謝兆良等[2]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)原位試成墻試驗(yàn)確定施工參數(shù)，采用TRD工法隔斷承壓含水層，最終控制坑外土體分層沉降量在5mm以內(nèi)。王衛(wèi)東等[3]通過(guò)對(duì)上海國(guó)際金融中心項(xiàng)目56m深TRD工法試成墻試驗(yàn)研究，對(duì)TRD工法的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。譚軻等[4]以上海典型軟土地層為背景，采用三維“m”法對(duì)型鋼和水泥土的相互作用和承載變形性狀進(jìn)行了理論分析，主要通過(guò)對(duì)其變形、彎矩分擔(dān)和局部抗剪的規(guī)律研究，對(duì)工程設(shè)計(jì)中的相關(guān)問(wèn)題予以明確，并結(jié)合實(shí)測(cè)工程墻體變形進(jìn)行了對(duì)比。魏祥等[5]通過(guò)武漢長(zhǎng)江航運(yùn)中心大廈深基坑工程設(shè)計(jì)實(shí)例，初步研究了TRD 水泥土攪拌墻作為落底式止水帷幕在武漢地區(qū)一級(jí)階地土層中的施工可行性、成墻質(zhì)量及滲透性情況。王剛等[6]通過(guò)對(duì)南昌綠地中央廣場(chǎng)某深基坑工程的監(jiān)測(cè)，分析了基坑工程開(kāi)挖過(guò)程中周邊道路沉降、TRD圍護(hù)墻頂水平和垂直位移、TRD圍護(hù)墻體水平位移、坑外地下水位變化以及鋼筋混凝土支撐軸力變化。

本文基于上海某超深TRD工法下基坑逆作法施工，介紹了工程的周邊環(huán)境及地質(zhì)特點(diǎn)、工程監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置、監(jiān)測(cè)預(yù)警值確定，通過(guò)有限元及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析基坑開(kāi)挖對(duì)超深TRD圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境與圍護(hù)設(shè)計(jì)方案的影響，為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

擬建工程位于上海市楊浦區(qū)，南側(cè)和西側(cè)為道路，北側(cè)為現(xiàn)有建筑，東側(cè)為坡地公園。擬建建筑為C樓(12～17層)、D樓(2～3層)兩棟辦公樓及附屬設(shè)施，整體設(shè)2層地下車(chē)庫(kù)。項(xiàng)目建設(shè)用地面積20 624m2，總建筑面積約61 868 m2，其中地上建筑面積約42 160 m2，地下建筑面積約19 708 m2。

基坑南側(cè)和西側(cè)道路地下埋有多條市政管線，據(jù)本工程的距離如表1和表2所示。

表1 南側(cè)道路地下管線信息

表2 西側(cè)道路地下管線信息

1.2 材料本構(gòu)關(guān)系

土體本構(gòu)模型采用HS模型，圍護(hù)樁及周邊構(gòu)筑物采用梁?jiǎn)卧?，支撐采用彈簧單元模擬，結(jié)構(gòu)與土體的相互作用采用接觸面模擬。按對(duì)稱(chēng)模型建立，模型尺寸為85m×40m，計(jì)算模型的上邊界為自由邊界，左右兩側(cè)邊界約束水平位移，底邊界約束水平和豎向位移。土體參數(shù)根據(jù)巖土工程勘察資料取值(見(jiàn)表3)?；娱_(kāi)挖影響范圍內(nèi)土層性質(zhì)如下：①填土 雜色；②黏土 可～軟塑，高等壓縮性；③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土 流塑，高等壓縮性；③夾黏質(zhì)粉土 松散～稍密狀，中等壓縮性；④灰色淤泥質(zhì)黏土 流塑，高等壓縮性；⑤1灰色黏土 軟塑，高等壓縮性；⑤2-1層灰色砂質(zhì)粉土 中密，中等壓縮性；⑤2-2灰色黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土 中密，中等壓縮性；⑤3-1層灰色粉質(zhì)黏土 稍密～中密，中等壓縮性。其中⑤2層為微承壓水含水層，最淺埋深為18.65m，不滿足基坑抗突涌穩(wěn)定性要求。

1.3 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案

擬建工程基坑面積約1萬(wàn)m2，周邊延長(zhǎng)米約490m，挖深約9.75～10.25m，四周環(huán)境以道路、地下管線和保留建筑為主，場(chǎng)地施工空間有限。同時(shí)土層中分布有微承壓水，基坑抗突涌穩(wěn)定性不滿足要求，止水結(jié)構(gòu)施工深度需達(dá)40m以上，且土層中含有粉性土、砂性土，對(duì)止水效果要求較高。綜合比較，圍護(hù)設(shè)計(jì)方案選用鉆孔灌注樁+TRD止水的圍護(hù)形式，基坑工程剖面如圖1和圖2所示。

圖1 南側(cè)基坑支護(hù)剖面

表3 土層物理力學(xué)指標(biāo)

圖2 西路側(cè)基坑支護(hù)剖面

2 有限元分析結(jié)果

2.1 計(jì)算荷載步的選用

擬建基坑為逆作法施工，根據(jù)實(shí)際工況，數(shù)值模擬分析分為以下計(jì)算荷載步：①形成初始應(yīng)力場(chǎng)；②施工圍護(hù)樁、施加地面超載；③降水至基底以下0.5m；④開(kāi)挖第1層土至第1層樓板底面；⑤施工第1層樓板，后開(kāi)挖土層至地下1層樓板底面；⑥施工地下1層樓板，后開(kāi)挖土層至坑底；⑦施工底板。

2.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

根據(jù)基坑南側(cè)和西側(cè)水平變形云圖，可見(jiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移均發(fā)生在坑底附近，約地面下12.3m左右，其中南側(cè)最大值約26.8mm；西側(cè)最大值約22.65mm。這與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)典型孔P09的最大變形約26.4mm，位于地面下12.5m的結(jié)果較為接近，也證實(shí)了有限元結(jié)果的合理性。

2.3 周邊管線變形

對(duì)上述有限元模型中道路管線的變形進(jìn)行分析，南側(cè)道路地下管線變形隨著與基坑距離的增大，管線變形最大值分別為17.84，16.87，18.40，18.00，17.92，16.24，11.94mm，均小于變形報(bào)警值20mm。西側(cè)道路地下管線變形隨著與基坑距離的增大，管線變形最大值分別為13.50，13.47，11.32，9.04，8.50mm，均小于變形報(bào)警值20mm。

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)單位的要求及相關(guān)規(guī)范，在3倍基坑開(kāi)挖深度影響范圍內(nèi)布點(diǎn)，本工程的監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括周邊環(huán)境和圍護(hù)體系監(jiān)測(cè)，本文僅對(duì)部分監(jiān)測(cè)內(nèi)容進(jìn)行分析。其中周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括：①地下綜合管線豎向、水平位移監(jiān)測(cè)；②坑外地表豎向位移剖面監(jiān)測(cè)；③坑外潛水水位觀測(cè)。圍護(hù)體系監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括:①圍護(hù)頂部豎向位移、水平位移監(jiān)測(cè)；②圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移監(jiān)測(cè)。上述監(jiān)測(cè)內(nèi)容的報(bào)警值如表4所示。

表4 監(jiān)測(cè)預(yù)警值

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

對(duì)基坑開(kāi)挖期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，選取典型孔號(hào)P09進(jìn)行分析。不同施工階段圍護(hù)樁的側(cè)向變形隨深度的變化曲線如圖3所示，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，最大變形逐漸下移，最終穩(wěn)定在坑底附近。其中B0板澆筑養(yǎng)護(hù)工況變形較小；B1板澆筑養(yǎng)護(hù)工況變形最大值約11.4mm，位于地面下9m附近；底板澆筑養(yǎng)護(hù)工況變形最大值約26.4mm，位于地面下12.5m附近；均小于報(bào)警值30mm。

圖3 墻體側(cè)向變形-深度曲線

圍護(hù)墻墻頂垂直位移隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示，分別選取南側(cè)和西側(cè)圍護(hù)邊典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，可見(jiàn)圍護(hù)墻頂垂直位移最大值約2.80～5.50mm；隨著開(kāi)挖的進(jìn)行，圍護(hù)墻頂垂直位移呈增大趨勢(shì)，但均小于報(bào)警值30mm，且相差較大。

圖4 圍護(hù)墻頂垂直位移-時(shí)間曲線

3.3 地表沉降變形

為監(jiān)測(cè)基坑開(kāi)挖施工對(duì)周邊土體的擾動(dòng)范圍，在南側(cè)和西側(cè)道路坑外地表布置測(cè)點(diǎn)，每組沉降剖面從基坑圍護(hù)外側(cè)2m算起，按5m的間距分別設(shè)置5個(gè)豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)20個(gè)地表沉降測(cè)點(diǎn)。選取南側(cè)道路B3測(cè)點(diǎn)(道路中點(diǎn)處)分析不同位置地表沉降變形隨時(shí)間的變化規(guī)律及沉降隨距基坑邊距離增大的變化規(guī)律，如圖5,6所示。

圖5 南側(cè)道路沉降-時(shí)間曲線

圖6 南側(cè)道路沉降曲線

如圖5所示，不同位置處地表沉降大致相同，工程樁及圍護(hù)樁期間沉降變化幅度較大，隨著開(kāi)挖的進(jìn)行地表沉降呈現(xiàn)緩慢增加趨勢(shì)，地表沉降最大值約22.6mm，小于報(bào)警值25mm。

圖6顯示道路沉降隨距基坑距離的增大呈現(xiàn)凹槽形，最大變形發(fā)生在距離基坑邊12m處，最大值約22.6mm。相關(guān)文獻(xiàn)表明，地表沉降發(fā)生在距基坑邊一定距離處，距離基坑邊0～12m變形較小，這主要由于圍護(hù)樁與土體的摩擦作用對(duì)土體沉降有一定的限制作用。

3.4 地下水位及孔隙水壓力

場(chǎng)地土層中⑤2層為微承壓水含水層，基坑抗突涌穩(wěn)定性不滿足要求，本工程采用TRD工法對(duì)其進(jìn)行隔斷處理。

為驗(yàn)證TRD工法的封閉性及止水效果，在基坑周邊布置10個(gè)地下水位觀測(cè)點(diǎn)，選取基坑南側(cè)WS7，WS8和WS9共3個(gè)測(cè)點(diǎn)分析坑外水位隨基坑開(kāi)挖施工的變化規(guī)律，如圖7所示?？梢?jiàn)，不同測(cè)點(diǎn)位置，坑外水位變化規(guī)律大致相同且變化整體較穩(wěn)定，大致穩(wěn)定在地表下600mm處，遠(yuǎn)小于水位報(bào)警值1 000mm，這體現(xiàn)了TRD工法良好的封閉性和止水性，對(duì)周邊環(huán)境擾動(dòng)小。

圖7 坑外地下水位-時(shí)間曲線

3.5 周邊管線變形

選取道路南側(cè)和西側(cè)道路管線進(jìn)行分析(見(jiàn)表1,2)?；幽蟼?cè)和西側(cè)管線在不同施工時(shí)間的沉降變形如圖8，9所示，不同管線變形規(guī)律大致相同。

圖8 南側(cè)地下管線變形

圖9 西側(cè)地下管線變形

如圖8所示，工程樁及圍護(hù)樁施工期間(0～125d)，管線略有隆起，隆起值最大約6mm；隨著基坑開(kāi)挖及樓板的施工，管線呈現(xiàn)沉降趨勢(shì)且越來(lái)越大；直至底板澆筑完成，隨著距離基坑的距離增大，變形最大值分別為7.08，10.27，18.85，18.99，17.89，15.92，11.88mm，均小于變形報(bào)警值20mm。

圖8中，豎向位移數(shù)據(jù)為“+”表示測(cè)點(diǎn)向上位移，數(shù)據(jù)為“-”表示測(cè)點(diǎn)向下位移。

如圖9所示，隨著基坑開(kāi)挖及樓板的施工，管線呈現(xiàn)沉降趨勢(shì)且越來(lái)越大；直至底板澆筑完成，隨著距離基坑的距離增大，變形最大值分別為19.03，16.35，9.86，10.24，6.04mm，均小于變形報(bào)警值20mm；由于本工程基坑為逆作法，底板施工完成后無(wú)拆撐工況，后續(xù)工況對(duì)周邊管線的影響較小。

有限元模擬結(jié)果揭示，底板澆筑工況南側(cè)和西側(cè)管線最終變形最大值與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果較為接近，也證實(shí)了有限元模型的合理性。

4 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)有限元及監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，鉆孔灌注樁+TRD止水“逆作”的圍護(hù)形式下圍護(hù)體系的變形及對(duì)周邊環(huán)境的影響均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

2)有限元結(jié)果表明，基坑南側(cè)和西側(cè)最大水平變形分別為26.8mm和22.65mm，大致位于地面下12.3m附近，這與監(jiān)測(cè)結(jié)果較為吻合；周邊管線變形最大值的有限元結(jié)果也與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相近；有限元模擬較為合理，可評(píng)估基坑施工對(duì)周邊環(huán)境的影響。

3)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，基坑水平位移最大值為26.4mm，位于坑底附近，圍護(hù)墻頂位移控制較好，僅為3.28～4.10mm，均小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值30mm。

4)基坑開(kāi)挖施工對(duì)周邊環(huán)境的影響較小，其中周邊土體沉降最大值約為22.6mm，小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值25mm；南側(cè)管線沉降最大值約7.08～18.99mm，西側(cè)管線沉降最大值約6.04～19.03mm，均小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值20mm。

5)TRD工法的施工深度可達(dá)20～60m；本工程中施工深度為41m，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，坑外水位變化較穩(wěn)定且較小，最大變化值為地表下600mm，小于監(jiān)測(cè)報(bào)警值1 000mm。

6)TRD工法的連續(xù)性、封閉性、隔水性及穩(wěn)定性較好且施工深度遠(yuǎn)大于常規(guī)雙軸及三軸攪拌樁止水帷幕，在承壓水處理領(lǐng)域具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值，本工程可為類(lèi)似超深隔水帷幕的設(shè)計(jì)與施工提供參考。