基于超深蓋挖逆作基坑的施工變形規(guī)律分析

畢春帥

(上海隧道工程有限公司，上海 200232)

0 引言

伴隨“十四五規(guī)劃”深入實(shí)行，我國綜合國力進(jìn)一步增強(qiáng)，地下空間開發(fā)利用達(dá)到全新高度。超深基坑項(xiàng)目也開始挑戰(zhàn)更加復(fù)雜多變的地質(zhì)狀況與施工環(huán)境，因基坑施工變形過大所引發(fā)的事故時有發(fā)生，且超深基坑項(xiàng)目一旦發(fā)生安全事故，勢必造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡，產(chǎn)生嚴(yán)重、不可逆的負(fù)面影響。損害施工企業(yè)的正常運(yùn)營，甚至影響整個地下工程行業(yè)的健康發(fā)展。基于上述背景，本文以蓋挖逆作超深基坑為基礎(chǔ)，對開挖階段全過程施工變形進(jìn)行具體研究分析。所得出的結(jié)論可為今后類似工程地質(zhì)狀況及環(huán)境下的超深基坑項(xiàng)目施工提供參考和借鑒。

1 工程簡介

1.1 工程概況

本超深基坑為地下5層結(jié)構(gòu)，外包尺寸31 m×60.5 m(含圍護(hù)墻)、總面積為1 610 m2、深度達(dá)40.1 m，基坑安全等級與變形保護(hù)等級均為一級。結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻與連續(xù)墻采用疊合墻構(gòu)造+逆作法施工。連續(xù)墻為1 500 mm厚C35水下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、抗?jié)B等級P8，墻長47.7 m～52.4 m，進(jìn)入3中風(fēng)化石英閃長巖層不小于2 m。其中盾構(gòu)進(jìn)洞處采用玻璃纖維筋+銑接頭施工，其他接頭均采用工字鋼接頭。

1.2 工程地質(zhì)條件及水文條件

1.2.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)野外鉆探及土工資料，揭露的該超深基坑地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì)，具體如表1所示。

表1 工程地質(zhì)條件表

1.2.2 工程水文條件

1)地表水。

本工程沿線場地地表水屬錢塘江水系，河網(wǎng)密布，沿線地表水體與地下水有一定的水力聯(lián)系。臨時抗浮設(shè)防水位可采用周邊道路平均地面高程下0.5 m考慮，永久性抗浮設(shè)防水位按工程建成后室外地坪設(shè)計(jì)高程下0.5 m考慮。

2)地下水。

勘探深度范圍內(nèi)地下水因含水介質(zhì)、水動力特征及其賦存條件的不同，其補(bǔ)、徑、排作用和水化學(xué)特征均各不同，分為第四系松散土類孔隙潛水、孔隙承壓水和基巖裂隙水三大類。孔隙潛水主要賦存于場區(qū)淺部①1層填土層、②1粉質(zhì)黏土、④2層粉黏性土層內(nèi)，透水性良好，水位隨季節(jié)氣候動態(tài)變化明顯，動態(tài)變幅一般在0.50 m～1.0 m左右；孔隙承壓水主要賦存于下部⑤1圓礫土、⑤2卵石土層中，上覆黏性土層構(gòu)成相對隔水層，含水層總厚度較大，水量較豐富；基巖裂隙水主要賦存于下部基巖風(fēng)化裂隙內(nèi)，裂隙大部分呈閉合狀，導(dǎo)水性相對較差，水量相對微弱。

1.3 工程施工及周邊環(huán)境

本超深基坑工程施工范圍內(nèi)及周邊所處環(huán)境較為復(fù)雜，有海關(guān)大樓、人民檢察院、6層成片居民房、五星級酒店、河道水閘等建筑物以及電力、燃?xì)狻⑼ㄐ殴芫€等。

2 超深基坑逆作施工

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)及加固施工

該超深逆作基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為36幅1 500 mm厚鋼筋混凝土地下連續(xù)墻(最深為51.9 m、最淺為42.6 m)，采用H型鋼接頭，接縫止水采用φ2 200 mm MJS旋噴樁，擺噴角度135°，深度為地面以下6 m至1層以下2 m共36根;基坑陰角加固采用φ800@600 mm三重管高壓旋噴樁，加固深度同地墻，與連續(xù)墻搭接不得小于300 mm，水泥摻量值為30%。加固體28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1 MPa，滲透系數(shù)不大于10-7cm/s。

2.2 超深基坑結(jié)構(gòu)施工

首先實(shí)施表層土方開挖至頂板底標(biāo)高下20 cm，而后自上而下沿豎向分六個開挖區(qū)間，每個開挖區(qū)間內(nèi)的每層開挖高度不超3 m且每層板撐混凝土強(qiáng)度達(dá)到規(guī)范要求后方可進(jìn)行下層土方開挖。盡量縮短基坑的無支撐暴露時間，有效地控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形與周圍地表沉降[1]?；娱_挖遵循“分層分段，對稱平衡，嚴(yán)禁超挖”的原則。坡度不大于1∶2.5，綜合坡度不陡于1∶3。開挖到坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高以上300 mm處，進(jìn)行基坑驗(yàn)收并改用人工開挖至基底[2]?？拥孜挥冖?卵石土層，結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻與連續(xù)墻采用疊合墻構(gòu)造型式，逆作法施工。支撐采用五道混凝土板撐形式，第一、二、三、四、五道板撐結(jié)構(gòu)(永久板)采用C35混凝土現(xiàn)澆。主體結(jié)構(gòu)頂、底板外側(cè)設(shè)全包防水層。

3 超深蓋挖逆作基坑開挖變形征兆預(yù)測分析

本超深基坑在開挖面B區(qū)被動土壓力隨著基坑開挖面A區(qū)開挖深度增加而減小，引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生向基坑內(nèi)側(cè)的位移并產(chǎn)生地面沉降[3]。由于開挖與支撐循環(huán)的進(jìn)行，在土方挖運(yùn)作業(yè)區(qū)附近通常產(chǎn)生最大變形；在監(jiān)測報(bào)表上即為墻體深層水平位移變化增大?；娱_挖是一個逐步卸載的過程，隨著坑內(nèi)土體的開挖使得B區(qū)和C區(qū)土體的反壓力與D區(qū)和E區(qū)形成的頂托力之間有一個極限平衡值，當(dāng)超過這個極限值時基底就會隆起，同時圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)地表沉降；在監(jiān)測報(bào)表上即為格構(gòu)柱豎向位移數(shù)據(jù)增大或地表沉降數(shù)據(jù)增大?；娱_挖影響區(qū)示意圖如圖1所示。

4 圍護(hù)墻體深層水平位移監(jiān)測

4.1 監(jiān)測原理

在需要進(jìn)行測斜監(jiān)測的部位埋設(shè)與活動式測斜儀配套的測斜管，把測斜儀的一組導(dǎo)向輪沿測斜管導(dǎo)向滑槽放入管中并滑到管底，每隔一定距離向上拉線讀數(shù)[4]。測出測斜儀所在位置測管的傾斜度為θ，換算成該位置測斜儀上下導(dǎo)輪間(或分段長度)的位置偏差Δi=L×sinθ(其中，L為量測點(diǎn)的分段長度)，自下而上相加可知各點(diǎn)處的水平位置δ=∑L×sinθ。

4.2 監(jiān)測點(diǎn)布置及監(jiān)測頻率

4.2.1 監(jiān)測點(diǎn)布置

本項(xiàng)目監(jiān)測范圍包含里程范圍內(nèi)的基坑圍護(hù)及1倍基坑開挖深度的周邊環(huán)境監(jiān)測[5]。沿圍護(hù)墻體位移監(jiān)測點(diǎn)布置共有10組，深度同圍護(hù)墻體(約46 m～48 m)；沿基坑周邊布置7個監(jiān)測斷面共計(jì)28個沉降監(jiān)測點(diǎn)。具體如圖2所示。

4.2.2 監(jiān)測頻率

本超深基坑安全等級及監(jiān)測等級均為一級，同時考慮不同施工階段周邊環(huán)境、自然條件的變化，確定監(jiān)測時段為地下結(jié)構(gòu)全部完成后結(jié)束監(jiān)測，監(jiān)測頻率如表2所示。

表2 圍護(hù)墻體測斜監(jiān)測頻率表

4.3 初始數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測控制值

在正式開挖前至少測3遍初值后取平均作為監(jiān)控測量初始值。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，現(xiàn)將控制值列于表3，當(dāng)監(jiān)測值達(dá)到表3數(shù)據(jù)時提出書面報(bào)警。

表3 監(jiān)測報(bào)警控制指標(biāo)

5 實(shí)測數(shù)據(jù)計(jì)算與分析

5.1 開挖數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

本工程總計(jì)開挖方量為64 609.3 m3(1 610×40.13)，根據(jù)開挖方案可知分為7層開挖，每層開挖量及開挖時間統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 開挖及逆作施工階段數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

5.2 墻體深層水平位移數(shù)據(jù)計(jì)算及分析

5.2.1 數(shù)據(jù)計(jì)算及統(tǒng)計(jì)

本論文墻體深層位移數(shù)據(jù)分析即從-1層挖土施工開始至底板澆筑結(jié)束并養(yǎng)護(hù)7 d后，總計(jì)278 d為變形分析時間起止節(jié)點(diǎn)切入點(diǎn)進(jìn)行具體分析，其中冠梁及頂板施工期間無測斜，故以下分析均從-1層開挖開始，同時為了將墻體深層位移變形表述的更加直觀和明確，分析時將10個測斜孔按照南(ZQT01，ZQT02)、東(ZQT03，ZQT04，ZQT05)、北(ZQT06，ZQT07)、西(ZQT08，ZQT09，ZQT10)四個不同方位進(jìn)行分析,通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的分析整理后分別得出10個監(jiān)測孔位的變形曲線如圖3所示。

通過對以上變形曲線進(jìn)行整理后可得出10個監(jiān)測孔的最大變形量以及最大變形所發(fā)生的階段和所處的地層，具體如表5所示。

表5 深層變形分析表

5.2.2 數(shù)據(jù)對比分析

通過對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析可以有以下結(jié)果：

1)四個方位的最大變形主要發(fā)生在-3層、凈空為7.44 m，其地層條件為④1粉土和④2粉質(zhì)黏土，說明粉土與粉質(zhì)黏土層相對于其他土層變形較大。

2)-3層施工時間為78 d，占比總施工時間278 d的28.1%，是變形較大的一個相關(guān)因素。

3)10個深層位移監(jiān)測孔最大位移為27.1 mm，發(fā)生在ZQT04的14.5 m處，在預(yù)警值及控制值內(nèi)。

4)南側(cè)ZQT01與ZQT02實(shí)際移變化曲線相差較大，可知ZQT01處深層加固質(zhì)量欠缺；北側(cè)ZQT06與ZQT07趨勢相同且變形量較小，說明深層加固質(zhì)量較為平均且較好，如圖4，圖5所示。

5)東側(cè)最大位移約為西側(cè)3倍，因東側(cè)為盾構(gòu)接收面而采用玻璃纖維筋，抗彎強(qiáng)度較小。

6)東側(cè)最大位移發(fā)生在ZQT04處，西側(cè)在ZQT09處，均為剛性鉸接的跨中處，符合結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，如圖6，圖7所示。

5.3 墻地表沉降數(shù)據(jù)計(jì)算及分析

根據(jù)對超深逆作基坑在整個施工期間的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理后得出7個斷面共計(jì)28組累計(jì)沉降數(shù)據(jù)，具體如表6所示。

表6 基坑周邊地表沉降數(shù)據(jù)表

通過對表6數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后得出7個斷面的變形曲線，具體如圖8所示。

通過對以上圖表進(jìn)行對比有如下結(jié)論：

1)通過對28組沉降數(shù)據(jù)與報(bào)警值進(jìn)行對比分析可知僅1處未報(bào)警、2處橙色警報(bào)、剩余均紅色警報(bào)，報(bào)警率為96.4%。主要是因?yàn)楸灸孀骰铀幍貙又饕獮榉圪|(zhì)黏土層和圓礫卵石層，且坑外疏干井井管直徑為325 mm大口徑井管，水泵功率為7.5 kW，降水引起的沉降極為明顯。

2)除DBC03其1處斷面最大沉降點(diǎn)發(fā)生在距離基坑6 m的第二圈監(jiān)測點(diǎn)處外，其余6處斷面的最大沉降點(diǎn)均發(fā)生在距離基坑16 m的第三圈監(jiān)測點(diǎn)處。

說明DBC03斷面附近坑外加固效果較差，土體伴隨降水固結(jié)作用明顯，同時距離基坑16 m處的最大沉降也和降水有一定關(guān)聯(lián)，后續(xù)可做進(jìn)一步研究。

3)DBC05處沉降相對最小，說明此處轉(zhuǎn)角加固效果明顯；DBC07斷面地表沉降相對最大，說明此斷面附近地下水豐富且降水效果顯著。

6 結(jié)論

根據(jù)工程實(shí)際分析可知超深蓋挖逆作基坑的整體變形趨勢有如下特點(diǎn)：

1)通過合理的組織開挖與結(jié)構(gòu)施工，可縮短施工時間以進(jìn)一步減少累計(jì)變形量。

2)坑內(nèi)、外降水的時機(jī)與質(zhì)量，對富水的粉質(zhì)黏土層、圓礫及卵石層沉降影響較大。

3)地墻接縫的加固質(zhì)量以及陰陽角的加固質(zhì)量的優(yōu)劣，對控制基坑整體變形有較大影響。

4)超深蓋挖逆作基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大位移隨著軟土層厚度的增加有增大的趨勢。

5)因本工程地墻進(jìn)入卵石層較早，其嵌固作用較好，實(shí)際最大變形處與設(shè)計(jì)計(jì)算最大彎矩處有一定不同。

6)圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體剛度較大，在板撐的作用下抵抗變形能力較強(qiáng)，但是仍然受內(nèi)部主筋(鋼筋或玻璃纖維筋)材質(zhì)、地質(zhì)條件影響較大。