富水深基坑邊坡變形規(guī)律分析

李凌云

(安徽建筑大學(xué) 建筑結(jié)構(gòu)與地下工程安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230601)

近年來(lái)，隨著國(guó)家高速鐵路的不斷發(fā)展，高鐵車站日益增多，伴隨而來(lái)的是各種復(fù)雜條件下的基坑施工，特別對(duì)于水系發(fā)達(dá)地區(qū)的富水深基坑施工，基坑開(kāi)挖往往會(huì)引起支護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞、地表沉降、地下水突涌等工程事故。針對(duì)富水深基坑開(kāi)挖引起的邊坡變形規(guī)律，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量研究[1-6]。劉興旺等[1]結(jié)合上海、杭州等軟弱地區(qū)基坑施工案例，對(duì)基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)最大側(cè)位移、側(cè)移變形位置、鄰近建筑物沉降及變形時(shí)間效應(yīng)進(jìn)行了有效分析研究；李煥煥等[2]對(duì)厚軟土地區(qū)深基坑預(yù)應(yīng)力錨樁、鋼支撐和 SMW 工法樁的應(yīng)用效果進(jìn)行了分析;任望東[3]以北京某基坑為研究背景，介紹了鋼管樁結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨桿的組合支護(hù)形式在基坑中的成功應(yīng)用；徐菁[4]探索了軟土地區(qū)深大基坑工程施工對(duì)基坑周圍環(huán)境的擾動(dòng)影響;黃春娥、龔曉南[5]等在深入探討地下水滲流對(duì)基坑邊坡穩(wěn)定作用的基礎(chǔ)上，提出有限元與條分法相結(jié)合的新方法；Long[6]根據(jù)296個(gè)基坑案例，研究了各種基坑在不同條件下的變形規(guī)律，得出了一些基坑變形的規(guī)律性結(jié)論。

本文以某高鐵站站前廣場(chǎng)基坑開(kāi)挖項(xiàng)目為研究背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析了基坑周邊的地表沉降、邊坡水平位移和地下水位變化，得出開(kāi)挖工序與各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目變形之間的基本規(guī)律，給類似工程條件下基坑開(kāi)挖提供指導(dǎo)。

1 工程概況

本站前廣場(chǎng)結(jié)構(gòu)凈尺寸為225 m×256 m，占地面積約57 000 m2，地下3層框架結(jié)構(gòu)+樁基礎(chǔ)，其中地下1層為社會(huì)停車場(chǎng)、出租車停車場(chǎng)及公交車站，設(shè)計(jì)高度6.0 m，地下2層及地下3層均為社會(huì)車場(chǎng)，設(shè)計(jì)高度4.2 m；設(shè)計(jì)使用年限為50 a，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防烈度7度。

本工程基坑開(kāi)挖面積約為58 936 m2，開(kāi)挖深度15.9 m，局部開(kāi)挖深度18.9 m，分三層開(kāi)挖，地面覆土1.5 m。基坑共設(shè)置兩道混凝土撐，基坑圍護(hù)呈環(huán)形布置，支護(hù)周長(zhǎng)約1 005 m，下部采用格構(gòu)柱作為支撐柱，格構(gòu)柱共484根。基坑平面布置如圖1所示。

圖1 基坑平面布置示意

2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告，本工程場(chǎng)地所屬地貌分區(qū)為徐淮黃泛平原區(qū)，地貌單元為沖積扇三角洲，地勢(shì)平坦，地面坡度小于8°，地貌類型單一，現(xiàn)為農(nóng)田，區(qū)間穿越京滬高速公路和在建高鐵東站站場(chǎng)，場(chǎng)地標(biāo)高7.70～9.40 m，覆蓋層均為第四紀(jì)松散沉積物，地層分布見(jiàn)表1。

表1 地層分布

根據(jù)勘察報(bào)告，對(duì)工程有影響的地下水按其埋藏條件可分為潛水和承壓水。潛水主要埋藏于2-1層砂質(zhì)粉土中，潛水水位隨著降水面變化；承壓水主要埋藏于3-3層粉砂、3-1和3-4層粉砂和粉質(zhì)黏土中，主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給，徑流以側(cè)向?yàn)橹?，排泄方式以徑流為主，局部人工開(kāi)采。

3 支護(hù)方案

本工程支護(hù)周長(zhǎng)約1 005 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)東側(cè)和北側(cè)采用地連墻，每幅墻體長(zhǎng)度約為6 m，深度為50 m，接頭位置均采用工字鋼接頭+高壓旋噴樁方式進(jìn)行施工；西側(cè)和南側(cè)TRD工法墻+圍護(hù)樁，TRD墻體長(zhǎng)度為425.6 m，深度為50 m，圍護(hù)樁采用Φ1150鉆孔灌注樁進(jìn)行施工，共計(jì)282根。

3.1 地連墻施工

3.1.1 施工順序

導(dǎo)線施工→泥漿制備→成槽施工→鋼筋籠制作→鋼筋籠吊裝→水下混凝土灌注→地下連續(xù)墻檢測(cè)。

3.1.2 地連墻施工控制重點(diǎn)

根據(jù)場(chǎng)地條件、地質(zhì)條件及基坑特征，每相鄰兩幅地連墻接縫位置均設(shè)置兩根樁徑1 000 mm高壓旋噴樁，搭接500 mm，確保地連墻接縫位置止水效果，防止開(kāi)挖過(guò)程中出現(xiàn)滲漏水情況，如圖2所示。旋噴樁采用跳打方式進(jìn)行施工，施工前需進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，確定各項(xiàng)施工參數(shù)，水泥漿水灰比為0.8～1.5，每米水泥用量600 kg，鉆桿鉆機(jī)過(guò)程中旋轉(zhuǎn)速度為10～15 r/min，提升速度為5～15 cm/min，噴漿壓力為28～30 MPa。

圖2 地連墻連接縫處理示意

3.2 TRD工法墻+圍護(hù)樁

3.2.1 施工順序

(1)TRD工法墻

建立試成墻→測(cè)量放線→開(kāi)挖溝槽→吊放預(yù)埋箱→樁機(jī)就位→切割箱與主機(jī)連接→安裝測(cè)斜儀→TRD工法成墻→拔出切割箱。

(2)圍護(hù)樁施工順序

施工準(zhǔn)備→場(chǎng)地平整→測(cè)量放線→護(hù)筒埋設(shè)→鉆機(jī)就位→泥漿制備與管理→鉆進(jìn)成孔→鋼筋籠制作與安裝→鋼筋籠吊放入孔→水下灌注→成樁檢測(cè)。

3.2.2 TRD工法墻+圍護(hù)樁施工控制重點(diǎn)

(1)TRD工法墻施工時(shí)必須保持TRD工法樁機(jī)底盤的水平和導(dǎo)桿的垂直，施工前采用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行軸線引測(cè)，使TRD工法樁機(jī)正確就位，并校驗(yàn)樁機(jī)立柱導(dǎo)向架垂直度偏差小于1/250。

(2)對(duì)于當(dāng)天成型墻體應(yīng)搭接已成型墻體不小于50 cm，搭接施工時(shí)間間隔不得大于24 h，若因長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法搭接或搭接質(zhì)量無(wú)法保證，應(yīng)作為冷縫，后期采用高壓旋噴樁進(jìn)行處理，如圖3所示。

圖3 TRD工法墻搭接施工示意圖

(3)圍護(hù)樁施工時(shí)，采用正循環(huán)鉆施工。按施工開(kāi)孔之距離(樁中心距離)不小于4倍的要求，以“跳四鉆一”循環(huán)進(jìn)行施工，即每隔四根鉆孔樁施工一根鉆孔樁，如圖4所示。

圖4 圍護(hù)樁施工順序示意

4 基坑監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》要求，對(duì)基坑周邊0.7H范圍內(nèi)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，H為基坑深度。主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容有：地表沉降、基坑邊坡水平位移和坑外水位變化。地表沉降每個(gè)監(jiān)測(cè)剖面布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共48個(gè)；樁頂水平位移監(jiān)測(cè)沿基坑邊布設(shè)38個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；坑外水位沿基坑共布設(shè)24個(gè)。監(jiān)測(cè)時(shí)間從2019年3月5日開(kāi)始，到2019年10月10日截止，共220 d，具體測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)布設(shè)示意圖

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.2.1 地表沉降

根據(jù)兩種不同的支護(hù)方式，分別選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)DB01～DB04和DB21～DB24進(jìn)行分析，地表沉降變化曲線如圖6所示。

圖6 地表沉降變化曲線

從圖6可知：地表沉降值隨著基坑的開(kāi)挖，沉降量不斷增大，最終趨于穩(wěn)定。在基坑剛開(kāi)挖60 d內(nèi)，即基坑第一層開(kāi)挖時(shí)，基坑周圍地表沉降位移曲線變化平緩，表明開(kāi)挖初期對(duì)地表影響很小；60～130 d時(shí)間段，即基坑第二層開(kāi)挖階段，曲線變化大并呈連續(xù)降低的趨勢(shì)，最大沉降值達(dá)13 mm，表明該階段土石開(kāi)挖的速度過(guò)快，導(dǎo)致基坑周圍地表變形變大；隨著基坑第三層開(kāi)挖，墊層和底板澆筑的竣工，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到提高，變化曲線趨于水平，地表沉降也隨之穩(wěn)定。DB01和DB21的地表沉降值明顯高于其他點(diǎn)，且表現(xiàn)出離基坑越遠(yuǎn)，地表沉降量越小的趨勢(shì)。

4.2.2 基坑邊坡水平位移

從基坑四個(gè)方位邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)中分別選取SP06、SP18、SP28和SP36四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 邊坡水平位移曲線

從圖7可知：邊坡圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移與基坑的施工過(guò)程密切相關(guān)。當(dāng)基坑開(kāi)挖深度在第二層時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移均達(dá)到最大變形量，分別為12 mm、13.2 mm、11 mm和9.5 mm，滿足設(shè)計(jì)變形要求?；由疃扰c其最大水平位移值在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)，超出一定范圍轉(zhuǎn)為負(fù)相關(guān)。從變化曲線來(lái)看，其最大水平位移均發(fā)生在基坑深度的2/3左右。

4.2.3 坑外水位變化

從坑外水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，沿基坑四周各取兩個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共8個(gè)點(diǎn)(SW02、SW04、SW08、SW10、SW14、SW16、SW20、SW22)進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8 地下水位變化曲線

從圖8可知：在整個(gè)開(kāi)挖階段，監(jiān)測(cè)點(diǎn) SW02、SW04、SW10、SW14和SW22的水位值變動(dòng)較小，處于-215～1 230 mm；SW08、SW16和SW20的水位變化幅度較大，位于-530～2 710 mm?；釉谡麄€(gè)施工開(kāi)挖過(guò)程中，須采用信息施工法進(jìn)行施工及設(shè)定監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示已觸及報(bào)警值應(yīng)及時(shí)向業(yè)主和施工方說(shuō)明情況并采取相應(yīng)措施[7-10]。結(jié)合本工程的地下水位報(bào)警值的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，其監(jiān)測(cè)值沒(méi)有觸及報(bào)警值。

5 結(jié)論

(1)基坑開(kāi)挖打破原始地應(yīng)力平衡，造成地表沉降變形，基坑邊坡水平位移，水位變化等不利影響。

(2)隨著基坑的開(kāi)挖，基坑周邊地表沉降逐漸變大，最終趨于穩(wěn)定；基坑邊坡的水平位移在一定范圍內(nèi)與基坑開(kāi)挖深度呈正相關(guān)趨勢(shì)，最大位移發(fā)生在基坑深度的2/3處。

(3)工程所在地的徐淮黃泛平原區(qū)地下水位豐富，基坑開(kāi)挖會(huì)引起水位發(fā)生較大浮動(dòng)。

(4)對(duì)于富水深基坑，以地連墻和TRD工法墻加鉆孔灌注樁的組合圍護(hù)體系可以起到良好的支護(hù)效果，能夠有效控制變形，可為類似工程條件下基坑開(kāi)挖提供借鑒。