盾構深基坑對鄰近變電站及電力管廊影響分析

孫 安

（廣東省建筑設計研究院有限公司 廣州 510010）

0 引言

伴隨城市建設的發(fā)展，綜合管廊以將電力、通訊、熱力、給水等各類工程管線集于一體，大大減少市政管線開挖量、方便運營維修、節(jié)省地下空間等優(yōu)點被逐步推廣。對市區(qū)過江綜合管廊，通常考慮采用盾構工法，埋深相對較深。當盾構接收井地表附近存在有建構筑物時，如何減小盾構接收井深基坑施工對建構筑物的影響就顯得尤為重要［1］。

1 項目概況

1.1 工程簡介

某地下綜合管廊工程位于廣州市海珠區(qū)琶洲街，其中過珠江段采用盾構方式，盾構內徑7.7 m。盾構接收井位于潭村變電站與獵德污水廠西側空地上，平面內凈空15.0 m×18.0 m，埋深21.50 m。接收井東側4.5 m為3層框架變電站主控樓，采用預制方樁承臺基礎，北側1.3 m 為現(xiàn)狀電力隧道，埋深約6.0 m，為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構，西側為現(xiàn)有市政公路，南側為獵德污水廠進廠路及草地，如圖1所示。

圖1 基坑平面示意圖Fig.1 Schematic Plan of Foundation Pit

1.2 地質條件

巖土層按成因及工程特性由上而下描述如下：

⑴雜填土：灰褐色、灰色，黏性土為主，松散，平均層厚2.58 m；

⑵淤泥：灰黑色，流塑、飽和，粉粘粒為主，含腐殖質、粉細砂等，平均層厚3.48 m；

⑶粉細砂層：深灰色，以石英為主，顆粒級配不良，飽和，松散，平均層厚8.17 m；

⑷中粗砂層：淺黃、灰白，以石英為主，飽和，稍密～中密，平均層厚2.41 m；

⑸礫砂層：灰色，以石英為主，顆粒級配良，飽和，平均層厚2.87 m；

⑹可塑粉質粘土層：棕紅，以粉黏粒為主，浸水易軟化，平均層厚5.04 m；

⑺硬塑粉質粘土層：棕紅，以粉黏粒為主，局部含中粗砂，平均層厚3.19 m；

⑻強風化泥質粉砂巖層：棕紅色，浸水易軟化、崩解，平均層厚4.12 m；

⑼中風化泥質粉砂巖層：棕紅色，粉粒結構，巖芯呈短柱狀，RQD值65%～80%，平均層厚4.12 m；

⑽微風化泥質粉砂巖層：棕紅色，粉粒結構，巖芯呈短～長柱狀，RQD值85%～98%，平均層厚6.55 m。

地下水分上層滯水、孔隙水、基巖裂隙水。其中場地水對混凝土結構和鋼筋具微腐蝕性。

巖土力學參數(shù)建議值如表1所示。

表1 巖土力學參數(shù)建議值Tab.1 Recommended Values of Geotechnical Parameters

2 基坑設計

2.1 方案確定

本基坑位于市中心區(qū)，基坑埋深21.5 m，屬深基坑范疇。基坑深度范圍內土層從上到下依次為：3.4 m厚雜填土、4.3 m 厚淤泥、2.7 m 厚粉細砂、6.5 m 厚粉質粘土及4.6 m 厚的強風化泥質粉砂巖，地表附近有對沉降變形較為敏感的變電站主控樓及電力隧道?；诖?，采用防水效果好、剛度大的地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土內支撐方案。地連墻槽幅寬5.0 m，選用銑式機頭成孔，以盡量減少地表變形對變電站主控樓的影響［2］。

2.2 設計參數(shù)

基坑安全等級一級，環(huán)境等級：鄰近主控樓和電力隧道定為一級，西側和南側定為二級?；邮褂媚晗逓? 年，基坑周邊超載取40 kPa，出土口取70 kPa。地連墻壁厚1.0 m，混凝土強度等級為C35，抗?jié)B等級P8。對滲透系數(shù)≥1 m/d 的土體采用水土分算，相應的c，ψ值按直接快剪的0.9倍進行折減。

2.3 部分拆撐

受盾構線路及接收井平面布置條件限制，盾構機頭向西偏心2.25 m 進入接收井。接收井上下共分4 層，分別位于地表以下1.5 m、6.0 m、9.5 m、14.8 m。為減小開挖時地表產生的沉降，于每層結構板頂0.5 m處設置一道混凝土支撐，這樣可做到及時換撐及拆撐。

盾構管片采用鋼筋混凝土管，厚0.4 m，機頭外徑9.0 m，機頭底位于地表以下19.50 m。經核實，如需吊出盾構機頭需預留9.0 m×10.5 m 空間?；觾葍艨?0.0 m×17.0 m，故只能設計混凝土角撐而不能設置混凝土對撐，以便預留足夠空間吊出盾構機頭。

由于第四道內支撐位于盾構機頭出洞高度范圍內，故需先拆除第四道支撐方可吊出盾構機頭。一般地，拆除某道支撐都是采用全部拆除方案，但如在底板澆筑之后全部拆除第四道混凝土支撐，則計算出的地表沉降超出規(guī)范要求的20 mm 較多。針對這種情況，對第四道內支撐采用部分拆除方案：即在不影響盾構吊出情況下，拆除南側及西側的部分腰梁及混凝土角撐，保留北側及東側的鋼筋混凝土腰梁及內支撐（見圖2）。待盾構機頭吊出后，澆筑完接收井-4 層外壁及-4 層樓板，再拆除剩余的第四道混凝土支撐［3］。經計算，采用這種拆除部分內支撐方式，可大大減小鄰主控樓和電力隧道的地表沉降（見圖3、圖4），從而減小監(jiān)測報警的概率。

圖2 拆除部分第四道支撐平面Fig.2 Plan of the Fourth Support for Partial Removal（mm）

圖3 拆除全部第四道支撐后地表沉降Fig.3 Ground Surface Subsidence after Removing all the Fourth Support

圖4 拆除部分第四道支撐后地表沉降Fig.4 Ground Surface Subsidence after Removing Part of the Fourth Support

2.4 洞口加固

接收井結構外側壁厚1.0 m。為保證盾構機頭進入，地連墻及接收井外壁需預留直徑9.1 m 的孔洞。超大直徑孔洞對結構的剛度及整體性都有較大削弱，從而導致支護及地表變形增加。為減小這種影響，需在大直徑孔洞周邊做相應加固。對地連墻可提前在地連墻鋼筋籠內沿孔洞外圍預留洞口加固暗梁的弧形筋與箍筋。對接收井，可在澆筑外壁時在孔洞豎向兩側設置混凝土洞邊柱，在洞頂-3F 樓板位置處設置混凝土壓頂梁。洞邊柱尺寸0.7 m×1.5 m，壓頂梁尺寸1.5 m×0.8 m。這樣，通過在孔洞周邊設置閉合的門框結構，起到加強結構整體性能的作用［4］。

2.5 地表加固措施

考慮地表下10 m范圍內為雜填土、淤泥及粉細砂等軟弱土，為減小基坑開挖過程對周邊建構筑物影響，需提前對主控樓及電力隧道做相應保護措施，采用2排φ500@350攪拌樁內插鋼管方式提前對土體進行加固［5］。攪拌樁成樁質量好，成本低，且不會對建構筑物基礎造成影響。內插鋼管后具有較高的抗彎強度，能抵抗一定的水土壓力，減小地表變形。

施工振動影響可通過設置減震溝［6］、聲屏障等輔助措施予以減小。減震溝尺寸0.5 m×1.2 m，設置于攪拌樁與主控樓之間。為確保減震溝不倒塌，在減震溝內灌滿水，并時刻監(jiān)測維持溝內水位高度。聲屏障設置于攪拌樁與減震溝之間，可有效抵擋與吸收施工振動產生的聲波，減小噪音污染及振動對主控樓砌體墻的不利影響［7］。鋼架可保護主控樓免受施工機械意外碰撞或不可預測的傷害，從而確保主控樓的日常安全，如圖5所示。

圖5 鋼架保護Fig.5 Steel Frame Protection

本基坑剖面如圖6 所示?；拥氖┕ご涡驗椋夯娱_挖范圍內管線改移并整平場地?施工周邊泥水攪拌樁+鋼管?施工導墻及地下連續(xù)墻?土方開挖至冠梁下0.5 m，施工冠梁及及第一道支撐?支撐系統(tǒng)達到設計強度后，土方依次開挖施工第二道、第三道、第四道腰梁及支撐直到墊層底標高?施工墊層、防水層及底板?施工-4F側壁、部分梁板及洞邊柱，預留盾構機頭吊出孔洞?拆除部分第四道支撐?鑿除盾構機頭范圍內地連墻，吊出盾構機頭?澆筑-4F 剩余樓板?拆除剩余第四道支撐?澆筑-3F外側壁及梁板?拆除第三道腰梁及支撐?施工-2F 側壁及梁板?拆除第二道腰梁及支撐?施工-1F側壁及頂板?設備安裝及裝飾?景觀恢復。

圖6 基坑支護剖面Fig.6 Section of Foundation Pit Support （mm）

3 有限元分析

接收井基坑在主控樓/電力隧道側方開挖施工，將導致主控樓/電力隧道下方卸載，結構受力發(fā)生改變，可能影響主控樓/電力隧道結構安全和正常使用。為此，結合主控樓及電力隧道實際情況，采用三維數(shù)值模擬分析手段開展變形預測及安全評估。

電力隧道安全控制指標值［8］如表2所示。

表2 電力隧道安全控制指標值Tab.2 Safety Control Index Value of Power Tunnel

根據(jù)《建筑地基基礎設計規(guī)范：GB 50007—2011》［9］及變電站相關要求，主控樓相鄰柱沉降差應不大于柱距的0.5%，整體傾斜不大于3.5%。

采用“地層-結構”模型進行三維建模分析。計算模型邊界條件為：模型底部Z方向位移約束，模型前后面Y方向約束，模型左右面X方向約束。計算中不同材料采用不同的本構模型，其中土體視為彈塑性體，采用摩爾-庫倫模型，實體單元模擬?；訃o、接收井、主控樓及電力隧道均采用各向同性彈性模型，其中基坑圍護與接收井采用板單元模擬（見圖7）。

圖7 基坑支護影響模擬Fig.7 Simulation of Influence of Foundation Pit Support

接收井施工對變電站主控樓結構影響的三維模擬分析結果如圖8所示。

圖8 基坑開挖到底時主控樓總位移Fig.8 Total Displacement of Main Control Building when Excavation to Bottom

結果表明：接收井施工過程誘發(fā)變電站主控樓結構的X向最大水平位移為4.7 mm，Y向最大水平位移為1.3 mm，Z向最大豎向位移為4.9 mm，最大總位移為6.5 mm。

接收井施工對電力管廊結構影響的三維模擬分析結果如圖9所示。

圖9 基坑開挖到底時電力管廊總位移Fig.9 Total Displacement of Power Pipe Gallery during Excavation to the Bottom

結果表明：接收井施工過程誘發(fā)電力隧道結構X向最大水平位移為0.4 mm，Y向最大水平位移為1.2 mm，Z向最大豎向位移為6.3 mm，最大總位移為6.4 mm。

鑒于接收井施工導致既有主控樓/電力管廊的位移量可控，故可認為接收井施工不危及變電站主控樓/電力管廊的結構和運營安全。另在施工過程中還需密切關注變電站主控樓/電力管廊的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展信息化施工［10］。

4 結論

⑴ 為減小深基坑施工對附近現(xiàn)有建構筑物影響，宜采用剛度大、防水效果好的地連墻+鋼筋混凝土內支撐方案；

⑵針對盾構偏心進洞情況，可考慮在不影響盾構機頭吊出情況下先拆除部分支撐，待換撐樓板施工完畢后再拆除剩余支撐，這樣可減小鄰建筑物側的地表沉降；

⑶對大直徑開洞，需做好設置弧形暗梁、洞邊柱、壓頂梁等洞口加固措施；

⑷通過設置攪拌樁內插鋼管、減震溝、聲屏障、鋼保護架等方式，可較好起到對現(xiàn)有建構筑物的保護作用；

⑸借助于有限元分析軟件，可定量判斷基坑施工對周邊建構筑物的影響，從而有助于實現(xiàn)對工程實施的風險分析與安全把控。