復(fù)雜地層大直徑超深工作井開挖施工監(jiān)測(cè)分析

祝 燦

(中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司 重慶 400010)

1 前言

目前，大直徑超深工作井作為輸水管線和地下隧道盾構(gòu)始發(fā)與接收常用形式，由于深基坑主要基于半經(jīng)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)[1]，考慮到工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性、施工不確定性，開展結(jié)構(gòu)變形與環(huán)境監(jiān)測(cè)是確?；影踩?、減小風(fēng)險(xiǎn)的主要手段。通過對(duì)某一深埋輸水隧道工作井地下水位、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移及變形、地表沉降的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[2－4]，揭示大直徑超深工作井地連墻位移和地表沉降分布不均勻的原因。

2 工程概況及地質(zhì)條件

2.1 工程概況

擬建場(chǎng)地位于廣東佛山市，為珠江三角洲水資源配置工程土建施工A5標(biāo)段輸水干線的一部分。工作井為外徑35.9 m的豎向圓井，開挖深度為61.55 m，基坑平面如圖1所示。

圖1 基坑平面

2.2 工程地質(zhì)條件

上部為34.4 m厚的沖積層，其下為13.2 m厚全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和5.4 m厚強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，洞身底部為弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化部分圍巖自穩(wěn)能力差，砂含水層，滲透性強(qiáng)，強(qiáng)風(fēng)化巖破碎，透水性中等。相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 土層計(jì)算參數(shù)

3 基坑支護(hù)方案及施工內(nèi)容

工作井采用地下連續(xù)墻＋內(nèi)襯的支護(hù)方案，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為1.2 m厚C30地連墻＋1.2 m厚C30鋼筋混凝土內(nèi)襯。地下連續(xù)墻共計(jì)24幅成環(huán)，深度為工作井底板以下4 m。地連墻上部設(shè)置(2 500×1 500)mm的混凝土壓頂梁，上方布置1 200 mm高擋水墻。

開挖及支撐采用明挖和逆作法配合施工，單次開挖深度4.5 m。分14層開挖，前十一層采用逆作法，后三層采用順作法[5]。開挖按豎向分層、盆式開挖法作業(yè)、由上至下的原則進(jìn)行。施工步驟可以簡(jiǎn)化為15步，如表2所示。

表2 施工步驟

4 基坑監(jiān)測(cè)及其分析

本工程風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為一級(jí)，如支護(hù)不當(dāng)會(huì)引起基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大變形，造成失穩(wěn)等問題[6]。為此對(duì)地下連續(xù)墻水平位移、墻頂沉降、墻體豎向主筋內(nèi)力、側(cè)土壓力、坑內(nèi)外水位、地表沉降等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。選取坑外地下水位和地表沉降、地下連續(xù)墻水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

4.1 地下水位發(fā)展規(guī)律

地下水位變化曲線如圖3所示，起始日期為2020－05－08。

圖3 地下水位變化曲線

(1)UP4-1在第1至第12步的施工步驟中地下水位變化表現(xiàn)為:開始基本保持不變，之后隨著土方開挖水位不斷降低。由于河涌補(bǔ)充作用，UP2-1在第1至第12步中基本穩(wěn)定。

(2)在第13步中，采用順作法在短時(shí)間內(nèi)開挖至底板接近地下連續(xù)墻底部標(biāo)高，地下水滲透加大，并快速降低超過警戒值，當(dāng)?shù)装鍧仓瓿蓵r(shí)，地下水位保持不變。完成內(nèi)襯施工后進(jìn)行注漿封堵以及回灌使得地下水位回升。

4.2 地下連續(xù)墻水平位移

4.2.1 地下連續(xù)墻頂部水平位移

在壓頂梁上兩兩相對(duì)布置頂部水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn) TP1-1、TP2-1、TP3-1、TP4-1，如圖 2 所示，水平位移量與時(shí)間變化關(guān)系如圖4所示。開始測(cè)量時(shí)間為2020－05－08。方向朝向圓心為正，背離圓心為負(fù)。

圖4 地連墻頂部水平位移－時(shí)間變化曲線

(1)由圖4可以看出，隨著時(shí)間推移，位移量呈現(xiàn)波動(dòng)式發(fā)展。在1至5層內(nèi)，地下連續(xù)墻水平位移朝圓心方向發(fā)展，且基本保持相同的變化趨勢(shì)，最大變形均在2 mm范圍內(nèi)，可見采用基于時(shí)空效應(yīng)的施工方法能有效保證變形的穩(wěn)定發(fā)展與減小變形。從位移量看，圖中反應(yīng)四者存在一定的誤差，其原因是由于實(shí)際施工存在不確定性和土層在空間上分布不均勻所致。

(2)在開挖第6至第7層時(shí)，TP3-1頂部水平位移減小至背離圓心，而TP1-1位移表現(xiàn)為頂部水平位移突然增加。結(jié)合地質(zhì)條件可發(fā)現(xiàn)，該步開挖地層為透水性較大的含水性砂土層，排水造成地下水位降低，UP4-1在50 d左右時(shí)出現(xiàn)水位降低。根據(jù)羅耀武[7]所提出水土壓力模型，基坑地下水位降低時(shí)，土體總壓力減小，地下連續(xù)墻卸荷回彈，TP3-1處頂部水平位移減小至背離形態(tài)。而TP3-1處頂部水平位移突然增大是因?yàn)楫?dāng)TP1-1產(chǎn)生了背離圓心的位移時(shí)，相應(yīng)的TP3-1處產(chǎn)生相同方向的位移，并疊加上原有頂部水平位移，最終表現(xiàn)出突增趨勢(shì)。

(3)在進(jìn)行第8層開挖時(shí)，開挖層為風(fēng)化巖，弱透水性，出水減小，TP1-1與TP3-1頂部水平位移不再增大，在之后步驟中逐漸回落。

4.2.2 地下連續(xù)墻沿深度的水平位移

深部位移測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，IN2-1布置在工作井的東南側(cè)。其深度水平位移形態(tài)如圖5所示，該曲線測(cè)量的日期為2020－12－14，其方向以朝向圓心為正，背離圓心為負(fù)。

圖5 基坑深度水平位移形態(tài)

由圖5可知，最大水平位移為12 mm，發(fā)生在深度50 m位置，與水平曲線和一般柔性圍護(hù)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的弓形[8]變形，即中間大、兩端小的特征有所不同，最大變形位置靠近基底位置，開挖結(jié)束階段顯示墻腳處出現(xiàn)凸起輪廓，約占總水平位移的30%，一方面是與施工質(zhì)量控制和上部應(yīng)力過大有關(guān)[9]，另一方面是在最后階段采用了順作法，支護(hù)效果與前期逆作法相比較差。

4.3 基坑周圍土體垂直位移

基坑沉降測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，LD2-2、LD2-3、LD2-4、LD2-5、LD2-6、LD2-7 均布置在地下連續(xù)墻的東南側(cè)。圖6為第1至第12層時(shí)基坑周圍土體沉降量隨時(shí)間變化曲線，初始時(shí)間為2020－05－08。

圖6 基坑周圍土體沉降量隨時(shí)間變化曲線

由圖3可知，該段時(shí)間點(diǎn)地下水位穩(wěn)定，因此該段的沉降主要由開挖擾動(dòng)引起。從圖6可以看出，基坑周圍各點(diǎn)的沉降不斷累計(jì)增長(zhǎng)。發(fā)展類型分為三類:第一類為L(zhǎng)D2-2與LD2-3，兩測(cè)點(diǎn)距離地下連續(xù)墻較近，沉降發(fā)展趨勢(shì)基本相同，表現(xiàn)為先增長(zhǎng)之后趨于平緩；第二類為 LD2-4、LD2-5、LD2-6，表現(xiàn)為穩(wěn)定發(fā)展型；第三類為L(zhǎng)D2-7，因距離較遠(yuǎn)，目前開挖深度對(duì)該點(diǎn)并未造成影響。

從圖7可以看出開挖深度對(duì)沉降的影響情況，在0～50 d左右，開挖0～22.5 m土層，土體快速沉降，隨著內(nèi)襯施工，沉降速率開始放緩，并且從圖7e中可看出，符合隨土體開挖深度增加，地表沉降范圍增加的規(guī)律[10]。在50～130 d左右，開挖22.5～44.75 m土層，土體沉降速率較快，后隨著內(nèi)襯的施工變緩，同時(shí)對(duì)于較近處沉降影響減小，而對(duì)較遠(yuǎn)處沉降影響增快。在進(jìn)行第12層時(shí)重復(fù)之前的規(guī)律。

圖7 沉降變化率－時(shí)間變化曲線

由圖8可知，沉降最大值發(fā)生在LD2-5處，土體沉降曲線較為符合偏態(tài)分布，根據(jù)沉降曲線為偏態(tài)分布的估算方法[11]:

圖8 各測(cè)點(diǎn)沉降曲線

式中:h為開挖深度(m)，取值為61.55 m；a根據(jù)理論可取0.6，得xm＝36.93 m。而LD2-5布置距離工作井35 m，兩者相距不大，因此可選用沉降曲線為偏態(tài)分布的估算方法對(duì)沉降進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)偏態(tài)分布方程模型可得方程:

式中:Sw為沉降曲線包絡(luò)面積(m·mm)，根據(jù)圖5計(jì)算得445.636 7 m·mm；w根據(jù)σ′(x)＝0取為0.83[12]；xm＝35 m。 代入公式得:

通過數(shù)值軟件可得最大值σ(x)max＝4.318 mm，與工程實(shí)測(cè)值差距較大，其中一方面原因是估算方法無法考慮到施工過程中不確定因素引發(fā)的沉降，另一方面該方法是基于支護(hù)結(jié)構(gòu)變形考慮，但實(shí)際工程中由于內(nèi)襯的施加使地下連續(xù)墻變形并非如一般規(guī)律，并且未考慮到地下水位對(duì)沉降的影響。

5 施工控制方法及措施

(1)從以上分析可看出地下水位變化是影響墻體水平位移與周圍土體沉降的主要因素，因此需在基坑周圍增加幾處地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)為之后施工安全提供數(shù)據(jù)支持，并且當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲水時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取有效堵漏措施。

(2)對(duì)于地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的水平變形控制，需在最大水平位移出現(xiàn)處增設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)當(dāng)水平位移超過控制值時(shí)需在坑壁間增加鋼管支撐。

(3)對(duì)于地表沉降的控制，當(dāng)超過控制值時(shí)對(duì)地層加固，避免地連墻變形過大、滲水等可能情況，可采用回填、反壓坑腳、挖土卸載的方法。同時(shí)需對(duì)周圍增加監(jiān)測(cè)點(diǎn)，防止后期盾構(gòu)施工對(duì)周圍建筑產(chǎn)生裂縫等情況。

6 結(jié)論

(1)該工程地下水位發(fā)展主要受開挖地層與周圍環(huán)境影響。

(2)地下連續(xù)墻頂部水平位移變化，說明采用基于時(shí)空的開挖方法能有效抑制位移發(fā)展；同時(shí)，順作法與逆作法兩種施工手段對(duì)水平位移能產(chǎn)生不同的效果。

(3)沉降曲線為偏態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)學(xué)估算分析方法，應(yīng)考慮地下水與采用時(shí)空效應(yīng)的施工方法對(duì)地表沉降與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形等因素的影響。

(4)對(duì)于地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)的水平變形控制，可通過增設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、增加鋼管支撐措施進(jìn)行控制；對(duì)于地表沉降的控制，材料回填、反壓墻腳等措施效果較好。