復(fù)雜環(huán)境下深基坑開挖對周邊環(huán)境的影響研究

李瑜玉，姚廣迎，李因旭，朱傳英，韓 宇

(華通建設(shè)發(fā)展集團有限公司,山東 泰安 271000)

0 引言

城市化進程不斷加快的同時,各大城市都在正向發(fā)展建設(shè),濟南作為新舊動能轉(zhuǎn)換發(fā)展的先行區(qū),也在加緊發(fā)展城市經(jīng)濟、推進城市建設(shè),而黃河成為阻礙濟南南北同發(fā)展的攔路虎,建設(shè)穿黃隧道工程,打通黃河南北兩岸的發(fā)展通道,實現(xiàn)共同發(fā)展成為其重要戰(zhàn)略布局。但是該隧道建設(shè)要經(jīng)過人員居住密集區(qū),周邊環(huán)境復(fù)雜多變,制定合理的施工方案、有針對性的保護措施,減少隧道建設(shè)對周邊環(huán)境的影響顯得尤為重要。

近些年,不少學者對相關(guān)課題進行了深入研究。張婉吟、孫昌利、張挺[1]運用模擬軟件分析了工程采用地連墻與環(huán)形內(nèi)支撐相結(jié)合方案對周邊環(huán)境的影響程度;黃磊[2]基于桐廬車站項目,使用FLAC3D探究了該工程開挖對周邊建筑、管線、市政道路的影響規(guī)律;李敏[3]依托珠江某超深基坑對施工前后的基坑周邊環(huán)境開展了監(jiān)測研究,得出了其變形規(guī)律,同時分析了地層突發(fā)沉降的原因;翟永勇、王嘉浩、鄔建華[4]分析了某超大基坑的影響因素,研究了整個開挖過程對周圍環(huán)境的影響;聶子云[5]基于某換乘車站對多重基坑施工影響周圍環(huán)境的狀況展開了研究;于唯、陳歡歡、洪艷[6]以某電纜盾構(gòu)隧道為對象,研究了盾構(gòu)施工引起的周邊土體和建筑物變形規(guī)律;張俊[7]依托上海某項目,整理歸納了基坑位移和沉降的代表性數(shù)據(jù)成果,研究了周圍環(huán)境受各類因素的影響程度,同時制定了相應(yīng)策略;孔令華、胡軍然、牛文宣等[8]研究了狹長基坑不同內(nèi)撐施工階段對周邊老舊建筑的影響,并與模擬開挖數(shù)據(jù)進行對比分析;劉俊城、譚勇、宋享樺等[9]利用流固耦合模型研究了富水砂土條件下基坑出現(xiàn)滲水情況后,支護側(cè)墻與周邊環(huán)境的變形情況;魏云霞[10]建立了Plaxis 3D深基坑模型,依據(jù)此模型通過方案對比分析方式,對深基坑降水施工情形下的周邊環(huán)境影響程度開展了研究分析;穆道貴、郭薇、徐世光等[11]通過對比實測與模擬數(shù)據(jù),分析了采用樁錨支護方式下的基坑周邊環(huán)境變形特征,同時驗證所建模型的準確性。

本文結(jié)合濟南黃河濟洛路隧道項目,通過對現(xiàn)場工程進行監(jiān)測,以實際工程變形數(shù)據(jù)為依據(jù)對超深基坑開挖對周邊環(huán)境影響進行探討。

1 工程概況

1.1 工程位置

濟南市濟洛路穿黃隧道項目南起濟洛路與濼口南路交匯處往南400 m處,北至鵲山水庫與G309相接,中間下穿濟廣高速高架、黃河,隧道全長4 700余米,其中明挖基坑段長度為910 m,盾構(gòu)開挖段長度為3 850 m。本工程黃河以北部分主要以盾構(gòu)開挖為主,而黃河以南部分則是以明挖基坑為主,從北向南依次是盾構(gòu)接收井、軌道交通與市政道路合建段以及汽修廠站段三大部分,而且南岸部分基本位于城區(qū)中,周邊建筑物、市政管線等錯綜復(fù)雜(見圖1)。

1.2 設(shè)計概況

南岸大盾構(gòu)接收井(如圖2所示)與黃河大堤的距離僅有300多米,其北側(cè)是二環(huán)北路以及濟廣高速高架,該接收井主要是用于吊運出盾構(gòu)機,基坑采用明挖法施工,支護形式采用地連墻結(jié)構(gòu),地連墻最大深度將近60 m,墻幅厚度為1.2 m,共設(shè)置八道支撐體系,一、四、七、八層為鋼筋混凝土支撐,二、三、五、六層為鋼支撐,工程場地位于濟濼路北段二環(huán)北路南側(cè),距離黃河南岸大堤約340 m,此基坑工程呈矩形,東西長49.4 m,南北長30.2 m,最大開挖深度為35.2 m。

1.3 水文地質(zhì)條件

南岸大盾構(gòu)接收井基坑場地為黃河一級階地,開挖土層共為15層,主要包括雜填土、沖填土、素填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、粉砂、細砂、鈣質(zhì)結(jié)核、輝長巖等,不良地質(zhì)則以雜填土、膨脹土、殘積土和風化巖石為主;工程區(qū)補水來源主要依靠黃河水、小清河水以及降雨,地下水在-1.60 m～-1.02 m范圍內(nèi),徑流、蒸發(fā)和人類開采是其主要排泄方式。

2 現(xiàn)場監(jiān)測方案

2.1 現(xiàn)場周邊環(huán)境

在基坑主要影響范圍區(qū)內(nèi),東側(cè)為2棟2層磚混結(jié)構(gòu)商鋪,以及多棟民房建筑,而距離基坑最近處僅有7.02 m;西側(cè)為1棟3層磚混結(jié)構(gòu)飯店和1棟2層幕墻結(jié)構(gòu)辦公樓,以及多棟2層民房建筑,最近處距離基坑11.1 m。同時在基坑主要影響區(qū)內(nèi)還有2條污水管、2條給水管和1條燃氣管。其中距離基坑最近的一條給水管線間距僅有1.6 m。為確保基坑施工過程周邊環(huán)境安全,根據(jù)監(jiān)測方案要求對基坑周邊環(huán)境布設(shè)監(jiān)測點,建筑物共計布設(shè)64個監(jiān)測點、管線共計布設(shè)30個監(jiān)測點、地表沉降點共計布設(shè)48個監(jiān)測點,具體監(jiān)測點布設(shè)位置及影響區(qū)域劃分圖如圖3所示。

2.2 周邊建筑物沉降點布置與埋設(shè)

1)建筑物沉降監(jiān)測點布設(shè):a.為了確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性、真實性,建筑物沉降觀測點的布設(shè)工作應(yīng)當在基坑進行開挖工作之前進行埋設(shè),同時在開挖前采集建筑物沉降初始值。b.依據(jù)接收井監(jiān)測方案要求,在建筑物可能發(fā)生較大沉降的四角處、層高變化處等布設(shè)監(jiān)測點,使用沖擊鉆在墻體上打孔,并將孔內(nèi)浮塵清理干凈,然后灌入環(huán)氧樹脂膠,最后插入L型沉降標(見圖4)。

2)地表沉降監(jiān)測點布設(shè):a.使用鉆機在預(yù)定位置鉆出φ150 mm、深度1 m的孔,并對孔底進行夯實;b.在孔內(nèi)放入不小于φ20、長度1 m的鋼筋,孔底部灌入強度不小于C20、高度20 cm左右的混凝土;c.在混凝土初凝后,將準備好的砂子填入孔內(nèi),頂部確保鋼筋頂高于砂面;d.為防止監(jiān)測點破壞,在監(jiān)測孔上端安裝了φ140 mm的保護蓋。地表沉降監(jiān)測點布設(shè)模擬圖及現(xiàn)場布設(shè)圖見圖5。

3)管線沉降點布設(shè)。

2.3 監(jiān)測方法

沉降量按以下公式進行計算:

ΔH=Hn-H0。

其中,ΔH為監(jiān)測點沉降量,mm;H0為監(jiān)測點初始高程,mm;Hn為實測高程,mm。

根據(jù)監(jiān)測點的各期高程值,獲取了各期階段沉降總量、過程變形率、累積變形量等信息。

3 監(jiān)測頻率

依據(jù)濟南市濟洛路穿黃隧道施工盾構(gòu)接收井的設(shè)計圖紙和盾構(gòu)接收井監(jiān)測方案,所制定的基坑實施階段的監(jiān)測頻率及要求見表1。

表1 監(jiān)測頻率一覽表

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 建筑沉降數(shù)據(jù)分析

為研究基坑施工開挖過程對周邊建筑物所產(chǎn)生的影響程度,本次選取距離基坑最近的兩棟建筑進行研究。分為基坑?xùn)|側(cè)2層磚混結(jié)構(gòu)的商鋪,以及基坑西側(cè)1棟3層磚混結(jié)構(gòu)的鄉(xiāng)里鄉(xiāng)親飯店。由于整個基坑施工監(jiān)測周期太長,選取部分代表性開挖節(jié)點數(shù)據(jù)開展分析,此次研究共選取10處監(jiān)測點,2層商鋪監(jiān)測點共計布設(shè)4處監(jiān)測點,其監(jiān)測點編號為JGC20-JGC23,鄉(xiāng)里鄉(xiāng)親飯店監(jiān)測點共計布設(shè)6處監(jiān)測點,其監(jiān)測點編號為JGC01,JGC02,JGC05,JGC06,JGC07,JGC08,圖6,圖7分別為兩棟建筑在基坑不同開挖節(jié)點的數(shù)據(jù)分析情況。

通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理分析,本工程地質(zhì)條件下周邊建筑物會隨著深基坑的開挖工作進展發(fā)生沉降,建筑物的沉降量總體趨勢是跟隨開挖深度的加深而逐漸的加大,基坑開挖前期沉降變化速率較快,這主要是由于原始土體狀態(tài)受到擾動,原始土體平衡狀態(tài)被打破;隨著基坑深度的加深,沉降量基本處于增加狀態(tài),速率會逐漸變緩,基坑開挖工作完成后,沉降量基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)。同時通過研究還發(fā)現(xiàn),建筑物遠離基坑一側(cè)的沉降量明顯要低于距離基坑較近一側(cè)的沉降量;另外,建筑物邊角處的沉降變化量也比其他部位的變化量要高。

4.2 地表沉降數(shù)據(jù)分析

由于基坑周邊所布設(shè)沉降觀測點過多,數(shù)據(jù)分析量過大,本次分析選取西側(cè)一個斷面和北側(cè)一個斷面作為研究對象,其編號分別為DBC06和DBC08,監(jiān)測點DBC06的布設(shè)間距從靠近基坑側(cè)起分別為2 m,3 m,5 m,8 m,8 m,10 m,監(jiān)測點DBC08由于受到場地條件限制,其布設(shè)間距從靠近基坑側(cè)起分別為2 m,3 m,3 m,4 m,兩處監(jiān)測點的沉降變化規(guī)律如圖8,圖9所示。

對以上兩組數(shù)據(jù)分析,可以最為直觀的看出,地表沉降隨著開挖進程的開展其變化曲線呈現(xiàn)為“湯匙”形和下凹形。同時還可以發(fā)現(xiàn),隨著基坑深度的增加,地表的沉降量也在漸漸增加,DBC06在距離基坑5 m位置處發(fā)生沉降量最大,同樣DBC08在距離基坑5 m位置處的沉降量最大,距離基坑位置越遠,其沉降變化量越小。當基坑底板澆筑工作結(jié)束后,其地表沉降量值增長速度放緩、趨于平穩(wěn)。

4.3 管線沉降數(shù)據(jù)分析

由于工程位置位于居民區(qū)主要道路,周邊布設(shè)有較多管線,為防止基坑施工對周邊管線引起過大位移,從而造成管線發(fā)生損壞,對此次基坑開挖施工對周邊管線產(chǎn)生的影響開展分析,選取主要影響區(qū)內(nèi)5條主要市政管線的部分代表性監(jiān)測點進行分析研究,選取的監(jiān)測點編號分別為WSC4,WSC9,GSC4,GSC9,RQC2,RQC4六個監(jiān)測點,詳細的數(shù)據(jù)分析情況如圖10所示。

從圖10可以清晰、直觀地看出,隨著基坑開挖施工工作的不斷進行,周邊管線會出現(xiàn)不同程度的豎向沉降情況,總體上的變形走勢表現(xiàn)為沉降值跟隨開挖深度不斷增大,開挖前期變化速率較大,后期變化趨勢逐漸趨于平穩(wěn)狀態(tài)。這主要是由于開挖工作開展以后,致使原有土層的平衡狀態(tài)被打破,土體發(fā)生了擾動現(xiàn)象,而后期因為支撐的架設(shè)、底板及側(cè)墻的施工,對基坑起到了很好地支撐保護作用,同時穩(wěn)定了周邊土體狀態(tài),使得其處于新的平衡狀態(tài)。

5 結(jié)論

依托于濟南穿黃濟洛路隧道項目,對超深基坑開挖對基坑周邊環(huán)境的影響展開了探究,具體得出了以下研究成果:

1)基坑開挖施工會對周邊建筑物產(chǎn)生不同程度的沉降影響,總體上呈正比狀態(tài),即建筑物沉降量會隨基坑深度的增加而變大,同時距離較遠一側(cè)沉降值要比較近一側(cè)的變形小。

2)基坑周邊土體穩(wěn)定性會受到基坑開挖的影響,距離基坑5 m處位置的沉降變化值最大,地表沉降與監(jiān)測點布設(shè)間距的關(guān)系曲線呈“湯匙”形和下凹形。

3)當基坑進入底板澆筑階段后,其對周邊建筑物的影響會變小,對周邊土體的擾動減弱,周邊環(huán)境總體上趨于穩(wěn)定。

4)基坑周邊管線由于受到基坑開挖施工的影響,其沉降值伴隨著開挖深度的加深而處于不斷增加狀態(tài)。