北京首例高速公路下穿河道施工風險管控研究

孫玉輝，姚添寶，王金明，楊可可

(北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038)

1 工程概況

媯水河隧道工程位于北京市延慶區(qū)，歸屬延崇高速，線路呈南北走向，全長 2 044 m。其中中間段(K6+880～K7+280)下穿媯水河主河道。媯水河隧道是“北京地區(qū)首次以高速公路形式下穿河道”的工程，是高速公路、市政、水務相融合的項目。工程體量大、工期緊、沿線環(huán)保要求高。

媯水河隧道主體結構分閉合框架和U型槽兩部分，其中媯水河南岸U型槽長 234 m，媯水河北岸U型槽長 140 m，閉合框架全長 1 670 m，均采用明挖法施工。基坑開挖線寬 62.34 m～155.79 m，U型槽部分開挖深度 0 m～8 m，閉合框架部分開挖深度 8 m～25 m，局部泵房處開挖深度 29.2 m。全線采用CFG樁復合地基加固，U型槽部分基礎下另設抗拔樁。

2 工程水文地質

2.1 工程地質

場區(qū)內(nèi)地層分為人工堆積層、新近沉積層和第四紀沖積層。人工堆積層厚度 0 m～2.3 m，主要為素填土、碎石等；新近沉積層主要為細砂、粉細砂、粉土等；第四紀沖積層主要為黏土、粉土、粉細砂互層。

2.2 水文地質

媯水河河道寬260 m～360 m，水深 2.5 m～3.7 m，河底淤泥厚度 0.2 m～2.4 m。根據(jù)現(xiàn)場勘察報告，場區(qū)地面約 35 m深度范圍內(nèi)地下水類型自上而下分別為：上層滯水、潛水、層間水和承壓水(透鏡狀分布)，如圖1所示。

圖1 工程地質剖面圖

上層滯水主要分布在媯河南、北兩岸的階地上。

潛水賦存于埋設約9 m的粉土層及埋設10 m～13 m的砂土層中。主要分布在媯水河河床部位。

層間水賦存于埋深16 m～25 m的粉土及砂土層中，具有一定的承壓性。

承壓水賦存于埋設24 m～34 m的砂土層中。承壓水頭高度約 17.32 m～31.09 m，具有明顯的承壓性。

施工過程采用地面輕型井點降水。

3 支護結構形式

基坑支護形式有一級放坡、二級放坡、二級放坡+支護樁、二級放坡+支護樁+預應力錨索、內(nèi)外排支護樁+預應力錨索等多種形式。場地開闊、周邊環(huán)境影響小地段以放坡開挖為主；征地困難或有限制性條件區(qū)段采用支護樁(K6+650～K6+880)。

以基坑開挖最深處(K6+820～K6+850)支護形式為例：采用雙層基坑形式，外側基坑支護形式為排樁(D=1 m@1.5 m)+預應力錨索(三道@3.0 m)；內(nèi)層基坑支護形式為排樁(D=1.2 m@1.5 m)+預應力錨索(四道 @1.5 m)?；娱_口線寬度 94.5 m，開挖深度 28.8 m～29.0 m。內(nèi)外側基坑止水帷幕采用旋噴攪拌樁均設置在支護樁樁間，外側止水帷幕D=90 cm@1.5 m，L=14 m，內(nèi)側止水帷幕D= 80 cm@1.5 m，L=24 m。此段為低點2#排水泵房，兩側施作 10 m長拉森Ⅳ型鋼板樁。具體如圖2所示：

圖2 基坑支護剖面圖

4 風險識別及管控措施

根據(jù)對周邊環(huán)境、工程水文地質條件、基坑尺寸及基坑自身支護條件等影響因素分析，本工程施工工程中所識別的風險及應對措施如下。

(1)一級基坑?；娱_口線寬度 94.5 m，開挖深度 29 m，屬于超寬深大一級等級基坑。自身結構穩(wěn)定風險極高。根據(jù)工程的自身特點，支護采用內(nèi)外排支護樁+預應力錨索二級基坑支護形式。

(2)多種支護形式。本工程基坑支護采用一級放坡、二級放坡、二級放坡+支護樁、二級放坡+支護樁+預應力錨索、內(nèi)外排支護樁+預應力錨索等多種形式，存在多個支護結構形式交接處，該處在開挖過程中易發(fā)生應力集中、塑性變形區(qū)域，從而造成基坑周邊土體附加應力增加，在隨著基坑被動土壓力向主動土壓力變換過程易發(fā)生基坑支護結構失穩(wěn)。在監(jiān)測方案設計中加強支護體系交接處的監(jiān)測和巡視力度，確?；影踩?/p>

(3)工程地質。根據(jù)勘察報告等資料，基坑開挖范圍內(nèi)存在人工填土層、粉砂、細砂、粉土等地層。人工填土層結構松散，性質不均勻，處于欠固結狀態(tài)，基坑開挖時容易造成坍塌。粉砂、細砂地層結構性較差，無層理，土質較軟，均勻性差，砂土的標準貫入擊數(shù)較低，工程性質不穩(wěn)定，基坑開挖過程中均易出現(xiàn)坍塌情況，如遇水更易發(fā)生滲水流砂情況。給基坑帶來一定的安全隱患，在施工過程加大該地層開挖階段的監(jiān)測和巡視力度。

(4)水文地質。根據(jù)基坑設計埋深、勘察報告等資料，基坑槽底位于第1、2層地下水(上層滯水和潛水)以下，第3、4、5層地下水(承壓水)影響范圍內(nèi)，地下水對基坑邊坡開挖、基槽干燥作業(yè)、支護結構穩(wěn)定性、開挖后地基土的工程性質具有直接影響。即在基坑開挖及基礎施工時必須采用有效的地下水控制方法阻隔地下水、降低地下水，以滿足基礎施工及邊坡支護施工的安全和質量需要，保證基坑自身及周邊環(huán)境的安全。

根據(jù)目前條件，本基坑治水措施采用“止水帷幕+槽內(nèi)疏干”。止水帷幕采用旋噴攪拌樁，外層基坑旋噴攪拌樁樁徑 0.9 m，間距 1.5 m，樁底高程為外側基坑底以下 3 m，內(nèi)層基坑旋噴攪拌樁樁徑 0.8 m，間距 1.5 m，樁底高程為穿透第2層承壓水以下 1 m～2 m，內(nèi)外側基坑止水帷幕均設置在支護樁樁間。槽內(nèi)疏干采用在沿結構外側及二級基坑灌注樁外側布設疏干井抽取帷幕內(nèi)的滯留潛水，同時，因第1層和第2層承壓水具有高水頭承壓性，對基底滲流穩(wěn)定性和CFG樁(抗拔樁)施工均有影響，應設置對第1層和第2層承壓水的減壓井，局部加深區(qū)域需設置對第1層、第2層承壓水及第3層承壓水的減壓井。綜合考慮各層地下水的水量以及施工的便利性，將上述兩種功能的管井合并為疏干+減壓井，間距 15 m；在部分區(qū)間僅設置減壓井，間距 15 m。具體如圖3所示：

圖3 降水井布設剖面圖

(5)施工便道。施工期間在K6+170～K6+280閉合框架東西兩側標高 471 m處設置 15 m寬施工便道，K6+850～K6+880閉合框架西側設置 8.7 m寬施工便道，K7+530～K7+670閉合框架東西側設置 15 m寬施工便道，K7+690～K7+710閉合框架西側設置 9 m寬施工便道，便道緊鄰基坑支護樁及 10 m拉森Ⅳ型鋼板樁。施工期間，便道上過往施工重型大車，活動荷載較大，增加了豎向荷載及對基坑支護樁的側向荷載，對基坑支護樁的安全具有很大影響。施工過程加強該部位的監(jiān)測及巡視力度。

5 施工過程中支護及周邊環(huán)境變形分析

5.1 監(jiān)測設計

根據(jù)工程自身情況及相關規(guī)范要求，本基坑(K6+820～K6+850)監(jiān)測項目為周邊地表沉降、樁體水平位移、錨索軸力、樁頂沉降、鋼支撐軸力及水位監(jiān)測，具體布點平面圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點布設平面及剖面圖

5.2 安全評價

基坑降水井抽水前開始對基坑自身結構及周邊環(huán)境進行監(jiān)測，從監(jiān)測數(shù)據(jù)可知：

(1)周邊環(huán)境變形

隨著基坑土方開挖，基坑周邊地表出現(xiàn)上浮現(xiàn)象，直至基坑地板施工完成，周邊地表數(shù)據(jù)變形趨于穩(wěn)定，基坑周邊地表監(jiān)測斷面(3個監(jiān)測點)最終變形量分別為：2.51 mm，5.72 mm，11.34 mm，距離基坑越近隆起變形量越大。具體見圖5基坑周邊地表沉降槽及圖6各監(jiān)測點變形時程曲線。

圖5 基坑周邊地表沉降變形斷面圖

圖6 基坑周邊地表時程曲線

經(jīng)分析該基坑周邊環(huán)境變形主要是因為基坑開口率較大，基坑較深，基坑土方開挖工程中發(fā)生坑底土方卸載回彈變形，基坑范圍內(nèi)巨大上浮力帶動基坑圍護結構及周邊土體隆起變形。

(2)圍護結構自身變形

隨著基坑土方開挖，基坑樁體出現(xiàn)“鼓肚”變形現(xiàn)象，直至地板施工完成，樁體變形數(shù)據(jù)變形趨于穩(wěn)定，施工期間最大變形量發(fā)生在樁體深 6 m處，變形量最大為 8.01 mm。具體樁體變形如圖7所示。

圖7 樁體水平位移變形圖

目前基坑已回填完畢，周邊環(huán)境及自身圍護結構變形均在設計評估的預測變形值范圍內(nèi)(根據(jù)設計藍圖地表控制值為 40 mm，樁體水平位移控制值 35 mm)，施工期間未發(fā)生監(jiān)測預警；施工過程中巡視未見基坑周邊地表塌陷等異常情況發(fā)生，總體評價基坑施工期間風險安全可控。

6 結 語

(1)媯水河隧道是“北京地區(qū)首次以高速公路形式下穿河道”的工程，隧道采用明挖基坑形式施工，基坑開口線寬度 94.5 m，開挖深度 29 m，屬于超寬深大一級等級基坑。自身結構穩(wěn)定風險極高。根據(jù)工程水文地質等工程的自身特點，基坑支護采用一級放坡、二級放坡、二級放坡+支護樁、二級放坡+支護樁+預應力錨索、內(nèi)外排支護樁+預應力錨索等多種方式相結合支護形式。基坑槽底位于第1、2層地下水(上層滯水和潛水)以下，第3、4、5層地下水(承壓水)影響范圍內(nèi)。基坑治水措施采用“止水帷幕+槽內(nèi)疏干”，施工過程中采取疏干井、減壓井及應急井相互結合的方式抽取地下水。

(2)工程風險把控重點控制關鍵節(jié)點及部位。本工程施工前針對自身特點進行了風險識別：人工填土、粉砂、細砂等地層開挖期間的滲水流砂，第3、4、5層承壓水的治理，多種支護結構交接處的應力集中部位，二級基坑上部的施工便道等。

(3)施工過程中加強對重點風險的監(jiān)測與巡視，從周邊環(huán)境及圍護結構自身的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看基坑開挖期間變形較大，底板完成后變形趨于穩(wěn)定，變形累計值均在控制值范圍內(nèi)，總體風險可控。

(4)本工程基坑支護方式及施工過程中風險管控措施可行有效，為北京地區(qū)以后類似工程提供實例類比參考依據(jù)。