濱海地區(qū)二元地層明挖隧道基坑施工變形實測分析

伍坤

（江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，南昌 330103）

1 引言

隨著我國城市建設(shè)的快速推進，地鐵、隧道及市政等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)得到了大規(guī)模發(fā)展，與之伴隨的地下基坑開挖工程也越來越多。基礎(chǔ)設(shè)施快速發(fā)展的同時也使得基坑工程開挖面臨的施工環(huán)境越來越復(fù)雜。例如，在基坑開挖紅線外往往分布著密集的建構(gòu)筑物、地鐵、管線等，基坑施工風(fēng)險性也隨之顯著提高。研究地下工程開挖對周邊環(huán)境的影響特性也成為眾多學(xué)者和工程人員所關(guān)注的熱點問題之一。

研究基坑開挖對周邊環(huán)境影響特性的方法和手段眾多[1-4]，其中現(xiàn)場實測分析是最為直接、準(zhǔn)確的方法，可充分考慮實際復(fù)雜地層及施工過程的影響。任城等[5]和董桂紅等[6]分別通過現(xiàn)場實測資料分析對基坑開挖過程中土體及支護結(jié)構(gòu)的水平位移、周邊地表沉降分布特性進行了研究。李淑等[7]通過對大量北京地鐵車站基坑現(xiàn)場實測資料進行統(tǒng)計分析，給出了北京地區(qū)地鐵車站基坑開挖引起的鄰近土層變形特性的經(jīng)驗分析方法。徐凌等[8]對不同支護結(jié)構(gòu)形式下基坑實測變形資料進行分析，建立了基坑圍護結(jié)構(gòu)形式（剛度）與地表沉降槽分布范圍的規(guī)律。徐娜等[9]以廈門地鐵2 號線海滄大道車站基坑為研究對象，通過現(xiàn)場實測資料分析得到了濱海地區(qū)長大深基坑施工引起的鄰近土層變形規(guī)律。胡學(xué)明[10]采用實測與理論分析相結(jié)合的方法對杭州地區(qū)的明挖隧道基坑變特性進行了研究，給出了不同圍護結(jié)構(gòu)形式下圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、變形及土層變形分布規(guī)律。

基坑開挖引起的地層變形分布規(guī)律受地層條件影響密切，不同地層條件下基坑開挖引起的鄰近土層變形分布規(guī)律差異較大。本文以某明挖基坑為研究對象，場地上部土層為素填土、粉質(zhì)黏土層及砂層，下部為風(fēng)化狀態(tài)的花崗巖，呈現(xiàn)出典型的濱海地區(qū)上下軟-硬二元地層分布特性。在施工過程中對基坑進行現(xiàn)場實測分析，通過對圍護結(jié)構(gòu)水平位移、地表沉降及立柱變形分布規(guī)律進行分析，研究在濱海地區(qū)軟-硬二元地層條件下基坑開挖過程中的受力變形規(guī)律，為類似地層中基坑工程設(shè)計和施工提供參考借鑒。

2 工程概況及地質(zhì)條件

2.1 工程概況

擬建枋鐘路隧道接金尚路現(xiàn)狀通道，隧道起點位于金尚路隧道東側(cè)出口，與原隧道相接，沿現(xiàn)狀枋鐘路向東，穿過環(huán)島干道高架后出地面。起點K20+968.120，終點K23+795。其中K21+068.130～K23+565 為暗埋段，長2496.87 m；其余為敞口段，長330.01 m，敞口與金尚路通道連接過渡段。隧道全長約2826.88 m。通道設(shè)計雙向6 車道，開挖擬采用明挖順作法施工，需進行基坑支護。隧道主線開挖深度在2.85～17.64 m，匝道單獨開挖深度1.69～4.07 m，1#雨水泵房開挖深度20.37 m，2#水泵房開挖深度22.04 m，3#廢水泵房開挖深度22.28 m。

2.2 地質(zhì)及水文條件

地勘報告揭露地層的主要分布特性見圖1。其中，軟土屬軟弱土，人工填土、粉質(zhì)黏土、砂類土、殘積土、全風(fēng)化煌斑巖及全風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖（砂礫狀）屬中軟-中硬土；強風(fēng)化花崗巖（碎塊狀）、中、微風(fēng)化花崗巖屬軟質(zhì)巖石-巖石。

圖1 場地典型地層分布

3 基坑圍護結(jié)構(gòu)及監(jiān)測方案

3.1 基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

工程場地為現(xiàn)狀道路，兩側(cè)分布有建筑物、廠房、水庫等，并通過環(huán)島高架，道路地下埋設(shè)有管線（需遷改），綜合考慮造價及工期，明挖隧道基坑采用鋼板樁、灌注樁、灌注樁+止水帷幕工法。當(dāng)開挖深度小于3 m 時，采用鋼板樁支護；當(dāng)開挖深度大于3 m 時，采用灌注樁+內(nèi)支撐支護。基坑圍護樁采用φ1 000 mm@1 200 mm 鉆孔灌注樁，根據(jù)實際開挖深度的不同，樁長在20.5～31.5 m。共設(shè)置4 道水平內(nèi)支撐，第一道為混凝土支撐，其余3 道為鋼管支撐，具體支撐設(shè)計參數(shù)如表1 所示。

表1 基坑內(nèi)支撐設(shè)計參數(shù)

3.2 基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

作為廈門第二東通道工程的重要組成部分，為保證枋鐘路隧道工程安全順利推進，在基坑開挖過程中，對基坑圍護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境進行實時監(jiān)測，并根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，進行信息化施工。以起訖里程K22+551～K22+787 隧道明挖基坑為研究對象，共布置7 道監(jiān)測斷面，監(jiān)測項目包括地表沉降觀測、圍護結(jié)構(gòu)水平位移觀測、地下水位觀測、坑內(nèi)立柱變形觀測及內(nèi)支撐軸力觀測。地表沉降觀測點在隧道基坑開挖南北兩側(cè)對稱分布，每側(cè)共設(shè)置沉降點5 個?；颖O(jiān)測點平面布設(shè)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點平面布置圖

4 實測結(jié)果分析

4.1 圍護結(jié)構(gòu)水平位移

圖3 為不同斷面處基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移沿深度分布曲線。從圖3 中可以看出：從基坑開挖開始到隧道主體結(jié)構(gòu)施工完成期間，圍護結(jié)構(gòu)水平位移隨工況進行有逐漸增大接著趨近平穩(wěn)的變形特性。圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移在26～80 mm，最大位移發(fā)生在K22+787 斷面處，可能與該位置為堆料場，上部堆載較大有關(guān)。最大水平位移發(fā)生在圍護結(jié)構(gòu)10 m 深度處，且大致位于第四道鋼管支撐位置。為了減小基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移，需要及時施作最后一道支撐，以快速提供有效的支撐作用力。

圖3 不同斷面基坑圍護結(jié)構(gòu)水平位移沿深度分布曲線

按基坑平均開挖深度16 m 計算，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移約為0.16%～0.50%的基坑開挖深度，小于Peck[11]的研究結(jié)果1.00%和Clough 等[12]的研究結(jié)果0.60%。這可能與本工程中軟-硬二元地層的工程地質(zhì)條件有關(guān)系，下部風(fēng)化巖層能起到較好的嵌固作用，可有效降低圍護結(jié)構(gòu)的水平位移值。

4.2 地表沉降

圖4 給出了基坑外側(cè)不同位置監(jiān)測點（DB-0、DB-1）處地表沉降δv隨時間的發(fā)展曲線，兩個測點距坑邊距離分別為1 m、9 m。從圖4 中可以直觀地看出：隨著基坑開挖的進行地表沉降值呈現(xiàn)出先增大后逐漸平穩(wěn)的變化趨勢；最大地表沉降約為40 mm，大約為基坑開挖深度的0.25%。不同位置測點處最大地表沉降值存在較大差異，距坑邊最近的監(jiān)測點DB-0沉降值最小，平均沉降值約為8 mm；隨著距坑邊距離的增大，地表沉降值呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，呈現(xiàn)“√”分布特征。最大沉降位于DB-1 測點附近，大致在基坑開挖深度的0.3 倍距離處，這與文獻[9]及文獻[12]的實測結(jié)果稍有差異。

圖4 不同測點位置地表沉降分布曲線

4.3 立柱豎向位移

圖5 所示為基坑開挖過程中基坑立柱豎向位移隨時間發(fā)展曲線，從圖5 中可以看出：相較于圍護結(jié)構(gòu)的水平位移和地表沉降發(fā)展曲線，立柱的豎向位移分布較為均勻，最終狀態(tài)下立柱的豎向位移大致在5～15 mm。其中，絕大多數(shù)立柱位移均小于10 mm，滿足工程安全施工要求。

圖5 立柱豎向位移隨時間發(fā)展曲線

5 結(jié)論

以某明挖基坑為研究對象，在施工過程中對基坑進行現(xiàn)場實測分析，通過對圍護結(jié)構(gòu)水平位移、地表沉降及立柱變形分布規(guī)律進行分析，主要得到以下幾點結(jié)論：

1）在基坑開挖過程中，圍護結(jié)構(gòu)水平位移呈現(xiàn)兩頭小中間大的“鼓脹”形分布，最大位移大致在第四道鋼支撐處，圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移約為0.16%～0.5%的基坑開挖深度；

2）基坑鄰近地表沉降呈“凹槽”形分布，最大地表沉降約為基坑開挖深度的0.25%，發(fā)生在距坑邊0.3 倍基坑深度的位置；

3）基坑開挖過程中立柱豎向變形分布較為均勻，最大豎向位移約為5～10 mm，可滿足設(shè)計施工安全。