濱海欠固結(jié)地層深基坑群圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移預(yù)警指標(biāo)研究

黃 俊，翁承潘，丁文其，喬亞飛，陳 之

(1. 中國(guó)建筑第二工程局有限公司華南分公司，廣東 深圳 650021；2.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院地下建筑與工程系，上海 200092；3.巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

0 引言

我國(guó)東部沿海地區(qū)，如上海、杭州、寧波、溫州、珠海等，分布著較厚的欠固結(jié)軟弱土層。這些土層有以下特點(diǎn)：含水量高、觸變性大、壓縮性高、強(qiáng)度低、滲透性差、明顯的流變性、易于發(fā)生塑性流動(dòng)且固結(jié)沉降較大。在欠固結(jié)軟弱地層的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)常發(fā)生較大側(cè)移變形，并且常常超過規(guī)范建議值，但實(shí)際工程卻處于安全狀態(tài)。因此需要結(jié)合具體工程確定合理的預(yù)警指標(biāo)和預(yù)警值，以確保施工安全和施工進(jìn)度的平衡。

目前已有眾多學(xué)者對(duì)深基坑變形預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行研究。賀勇等[1]結(jié)合基坑工程的特點(diǎn)以及監(jiān)測(cè)分析，提出了基坑工程安全預(yù)警的一些量化指標(biāo)。宋建學(xué)等[2]根據(jù)國(guó)內(nèi)規(guī)范條文，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，提出了基坑變形監(jiān)測(cè)的預(yù)警指標(biāo)。劉濤[3]選取了有代表性的30個(gè)地鐵基坑工程的圍護(hù)墻體實(shí)測(cè)變形數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)挖掘方法研究了基坑狀態(tài)、工程風(fēng)險(xiǎn)、施工工況、保護(hù)等級(jí)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合上海地鐵工程實(shí)際情況提出了一套合理有效的基坑變形警戒值。葉俊能等[4]基于14個(gè)深基坑工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)寧波地區(qū)軟土深基坑的變形特性進(jìn)行研究，建立了寧波地區(qū)深基坑監(jiān)測(cè)過程中的預(yù)警指標(biāo)體系。王燁晟等[5]運(yùn)用概率統(tǒng)計(jì)的方法，對(duì)大量實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了富水砂層深基坑的監(jiān)控預(yù)警指標(biāo)。薛彬[6]以佛山地鐵文化站深基坑為例，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和坑外地表的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖過程中表現(xiàn)內(nèi)凸型和坑外地表沉降表現(xiàn)出來的凹槽形特征，提出了相應(yīng)的基坑變形預(yù)警指標(biāo)和報(bào)警值。

綜上，目前大多數(shù)的預(yù)警指標(biāo)還是基于工程經(jīng)驗(yàn)，預(yù)警指標(biāo)適用的地域性很強(qiáng)。濱海欠固結(jié)地層的基坑工程不能簡(jiǎn)單照搬其他地區(qū)的預(yù)警指標(biāo)。因此，對(duì)于濱海地區(qū)欠固結(jié)軟弱地層，應(yīng)在參考相關(guān)規(guī)范和類似工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合設(shè)計(jì)計(jì)算和有限元計(jì)算，建立對(duì)實(shí)際工程具有指導(dǎo)意義的預(yù)警指標(biāo)和報(bào)警值，以確?；蛹爸苓叚h(huán)境在施工期的安全，并保障施工進(jìn)度。

1 工程概況

橫琴口岸及綜合交通樞紐功能區(qū)項(xiàng)目位于珠海市橫琴新區(qū)，其基坑群工程采用分區(qū)方式實(shí)施，分為A,B,C,D 4個(gè)分區(qū)，如圖1所示。在施工過程中，每個(gè)分區(qū)的基坑按照設(shè)計(jì)和工期要求分步施工。A區(qū)基坑開挖深度在9.2～13.2m，開挖面積約21 000m2，南北兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，東西兩側(cè)采用分離式排樁+止水帷幕作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)；B區(qū)基坑開挖深度在9.2～13.2m，開挖面積約88 000m2， 與鄰近基坑工程相鄰處借用既有的地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其余區(qū)段采用分離式排樁+止水帷幕作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)；C，D區(qū)基坑開挖深度約13.3m，開挖面積分別約為11 000，15 800m2， 圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用分離式排樁+止水帷幕。

圖1 橫琴口岸基坑群分區(qū)和周邊環(huán)境概況

2 工程地質(zhì)條件

表1 土(巖)層的物理力學(xué)參數(shù)

3 橫琴口岸基坑群的側(cè)移預(yù)警指標(biāo)

為了確定橫琴口岸基坑群的監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)，綜合考慮以下因素：相關(guān)基坑工程規(guī)范的規(guī)定、基于國(guó)內(nèi)類似工程調(diào)研的類比指標(biāo)、橫琴口岸基坑群工程設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果和典型剖面有限元計(jì)算結(jié)果等。

3.1 相關(guān)規(guī)范建議的預(yù)警指標(biāo)

橫琴口岸基坑群采用挖孔樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，開挖深度主要為9.2,13.2,17.8m，局部深坑21.2m，距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)，暫時(shí)不考慮其影響。據(jù)此可以估算，如果按照相對(duì)基坑深度控制值的標(biāo)準(zhǔn)，橫琴口岸的墻頂水平位移需分別控制在18.4～27.6，26.4～39.6，35.6～53.4mm，墻頂豎向位移分別控制在9.2～18.4，13.2～26.4，17.8～35.6m，樁身深層水平位移分別控制在46.0～55.2，66～79.2，89.0～106.9mm。

綜合考慮絕對(duì)值的限制，依據(jù)GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，可確定橫琴口岸基坑群的監(jiān)控預(yù)警值，監(jiān)測(cè)值的變化速率連續(xù)3d超過報(bào)警值的50%時(shí)應(yīng)報(bào)警。參照DBJ/T 15—20—2016《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》，結(jié)合橫琴口岸基坑群的圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況，確定橫琴口岸基坑群不同開挖深度的監(jiān)控預(yù)警值如表2所示。

表2 橫琴口岸基坑群監(jiān)測(cè)報(bào)警

對(duì)比表2可知，《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》要求與《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的要求基本一致，但是對(duì)樁身深層水平位移的要求略高于全國(guó)規(guī)范?？紤]基坑工程的區(qū)域性特征，在實(shí)際監(jiān)測(cè)中應(yīng)優(yōu)先采用廣東省的規(guī)范建議值。

3.2 基于類似工程調(diào)研的預(yù)警指標(biāo)

調(diào)研上海[7]、杭州[8]、寧波[9]、溫州[10]等主要濱海軟土城市的基坑變形特性，統(tǒng)計(jì)得到各軟土地區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移量如表3所示，從表中可以看出，軟土地區(qū)基坑的最大側(cè)移均較大，均值在0.4%H(H為開挖深度)以上，最大均值達(dá)到0.9%H， 這比《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》建議的0.5%H～0.6%H略大，比其規(guī)定的絕對(duì)值45～55mm更大。據(jù)此可知，規(guī)范給出的預(yù)警建議值是基于一定范圍，多種地質(zhì)條件工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)計(jì)算的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。該結(jié)果僅能為深厚軟土地層的監(jiān)測(cè)預(yù)警值提供參考，而并不是工程實(shí)施最終確定的控制值。比如，溫州地區(qū)由于深厚的淤泥和淤泥質(zhì)土層，該地區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深部最大水平位移均值在0.8%H， 遠(yuǎn)大于規(guī)范的建議值，但是在實(shí)施過程中，多數(shù)基坑工程也均安全實(shí)施。

表3 部分濱海城市基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況調(diào)研

基于以上認(rèn)識(shí)，為確定橫琴口岸基坑群深部水平位移的監(jiān)測(cè)預(yù)警值，對(duì)橫琴島范圍內(nèi)的數(shù)個(gè)基坑進(jìn)行了調(diào)研分析[11]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，橫琴島內(nèi)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深部水平位移為開挖深度的0.1%～0.45%。特別值得注意的是，0.45%H的統(tǒng)計(jì)值發(fā)生在灝怡財(cái)富基坑工程，與橫琴口岸基坑群工程相毗鄰，可以提供較好借鑒。為此，初步采用0.45%H作為橫琴口岸基坑群的圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移控制值。據(jù)此可知，開挖深度為9.2，13.2，17.8m處的深部水平位移控制為41.4，59.4，80.1mm。對(duì)比表2可知，基于工程實(shí)際的統(tǒng)計(jì)值略大于規(guī)范的建議值，這與其他地區(qū)的認(rèn)識(shí)和規(guī)律相一致。

3.3 基于設(shè)計(jì)計(jì)算的預(yù)警指標(biāo)

橫琴口岸基坑群的工程規(guī)模和工序復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過橫琴島上其他工程，上述調(diào)研相似土層基坑類比確定的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移預(yù)警指標(biāo)僅能提供借鑒或參考。為進(jìn)一步確定適用于橫琴口岸基坑群圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移預(yù)警指標(biāo)，通過豎向彈性地基梁法，計(jì)算分析基坑開挖施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)移。共選取圖1中3，13，25a 3個(gè)剖面進(jìn)行計(jì)算分析，得到圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移分別為46.8，101.1，42.9mm。

圍護(hù)樁的變形呈現(xiàn)中部側(cè)移大，頂部和底部側(cè)移小的規(guī)律，且變形值與開挖深度和土層分布有關(guān)；隨著場(chǎng)地內(nèi)淤泥層厚度的變化，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的深層水平位移也會(huì)發(fā)生較大的波動(dòng)。依據(jù)控制值不應(yīng)超過設(shè)計(jì)計(jì)算值的準(zhǔn)則，綜合確定開挖深度為9.2，13.2m處的深部水平位移控制為46.8，43～101mm。考慮管廊深基坑距離B區(qū)外圍圍護(hù)結(jié)構(gòu)較遠(yuǎn)，初步分析時(shí)假定其影響較小，暫不考慮。

3.4 基于地層結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算的預(yù)警指標(biāo)

采用有限元軟件對(duì)圖1中的7，12，13和25a 4個(gè)剖面進(jìn)行計(jì)算，得到橫琴口岸基坑群工程的側(cè)移位，如表4所示。由表4可見，由于深厚淤泥層的存在，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移與坑外地表沉降均較大。圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移約為40～80mm，與開挖深度的比值約為0.3%～0.7%。最大側(cè)移位置在坑底或坑底以下一定深度，淤泥層厚度越大，最大側(cè)移所在位置也越深。

表4 典型剖面圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大側(cè)移計(jì)算結(jié)果

3.5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移預(yù)警指標(biāo)及實(shí)施效果

統(tǒng)計(jì)匯總規(guī)范建議值、基于工程調(diào)研的預(yù)測(cè)值、設(shè)計(jì)計(jì)算值和有限元計(jì)算分析值，如表5所示。針對(duì)開挖深度為9.2m的區(qū)域，規(guī)范建議值、工程類比和設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果相接近，確定該區(qū)域的樁身深部水平位移控制值為45mm；對(duì)于開挖深度為13.2，17.8m的區(qū)域，規(guī)范建議值與工程類比和設(shè)計(jì)計(jì)算的較小值相接近，而與工程類比和計(jì)算的較大值差異較大，尤其是有限元的計(jì)算結(jié)果更大。考慮基坑工程的個(gè)性，以設(shè)計(jì)計(jì)算值為基準(zhǔn)，同時(shí)考慮工程類比和有限元計(jì)算結(jié)果，確定該區(qū)域的樁身部水平位移控制值為100mm。值得注意的是，由于橫琴口岸基坑群的規(guī)模大，場(chǎng)地范圍欠固結(jié)土層的厚度波動(dòng)較大，應(yīng)進(jìn)一步確定不同區(qū)域的深層水平位移控制值，而非采用統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)。

表5 橫琴口岸基坑群樁身深部水平位移控制值 mm

在確定綜合基坑工程預(yù)警指標(biāo)后，考慮橫琴口岸基坑群的規(guī)模和施工工序復(fù)雜程度，需要采用分級(jí)、分區(qū)、分階段的控制指標(biāo)。分階段即將控制指標(biāo)分配到每個(gè)施工工況階段，嚴(yán)格控制每個(gè)施工階段的變形值，避免前序工序過大變形帶來的危害。分區(qū)即根據(jù)基坑的地層信息條件、周邊環(huán)境環(huán)境條件和基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)情況，明確不同區(qū)域的監(jiān)控指標(biāo)，避免較安全區(qū)域的控制指標(biāo)過大而帶來的不安全，以及控制指標(biāo)較小帶來的長(zhǎng)期報(bào)警干擾。分級(jí)即將控制值劃分到不同階段，采用多級(jí)預(yù)警的方式，避免風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。借鑒既有工程經(jīng)驗(yàn)，擬定了用于橫琴口岸基坑群圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移監(jiān)測(cè)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如表6所示。

表6 橫琴口岸基坑群監(jiān)測(cè)控制預(yù)警值分級(jí)

目前，橫琴口岸基坑群已經(jīng)安全施工完成，統(tǒng)計(jì)已有測(cè)點(diǎn)最大水平(向坑內(nèi))位移h與開挖深度H關(guān)系如圖2所示。發(fā)現(xiàn)隨開挖深度增大，最大水平位移逐漸增大。h/H平均值為0.18%，最大值為0.37%，最小值為0.04%。9.2m和13.2m深度處的最大側(cè)移量分別為35，49mm，均小于預(yù)警控制值，表明了預(yù)警指標(biāo)的合理性。

圖2 最大水平位移與開挖深度關(guān)系

4 結(jié)語

本文開展了濱海欠固結(jié)地層深基坑群圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形預(yù)警指標(biāo)研究，并在橫琴口岸深基坑群中進(jìn)行了應(yīng)用，具體結(jié)論如下。

1)參考相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，開展了國(guó)內(nèi)類似工程案例的調(diào)研、設(shè)計(jì)斷面計(jì)算和有限元分析計(jì)算，最終確定了橫琴口岸基坑開挖深度9.2，13.2m區(qū)域的深層水平位移控制值分別為45，100mm的標(biāo)準(zhǔn)；考慮橫琴口岸基坑群的特性，提出了“分區(qū)、分級(jí)、分階段”監(jiān)控預(yù)警的原則，并對(duì)預(yù)警級(jí)別進(jìn)行了分級(jí)。

2)構(gòu)建的側(cè)移預(yù)警指標(biāo)在橫琴口岸基坑群工程中得到了成功應(yīng)用，有效平衡了施工安全與工程進(jìn)度。