基于時空效應軟土深基坑開挖施工監(jiān)測變形研究

陳 攀

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

1 工程概況

寧波5號線三官堂站地鐵車站呈南北方向布置，車站兩頭為主要交通干道，車站擬建場址為高架東側(cè)輔道，道路工程在軌道實施完成后再行施工。站點為地下兩層島式站臺車站，明挖法施工，車站范圍為雙柱三跨矩形框架結(jié)構(gòu)，車站中心頂板覆土厚度約3.0 m。車站起終點里程SDK27+709.686～SDK27+943.085，站臺中心里程為SDK27+802.235。車站兩端均為盾構(gòu)法區(qū)間隧道，標準基坑寬度為21.7 m，基坑最大開挖深度在南端頭井為18.154 m，北端頭井開挖深度為17.70 m，基坑土方開挖總量約8.6萬m3。

1.1 地質(zhì)條件

由現(xiàn)場勘查報告可知，該地鐵站施工區(qū)處于較厚的軟土層區(qū)，其工程勘察地質(zhì)，各土層物理力學指標如表1所示。由圖可知，該站開挖區(qū)土層分別從上往下依次為：雜填土，密實度為松散～密實，層厚約為1.3 m；粉質(zhì)黏土，灰黃色厚層狀，局部可塑，層厚約為1.9m；黏土，灰色層狀，流塑狀，層厚約為1.6 m；淤泥質(zhì)黏土，灰色層狀，流塑狀態(tài)，層厚約13.6 m；粉質(zhì)黏土，灰色厚層狀，流塑狀態(tài)，層厚約為6.1 m。

1.2 基坑圍護結(jié)構(gòu)方案

車站采用明挖順作法施工，車站中心頂板覆土厚度約3.0 m。車站起終點里程SDK27+709.686～SDK27+943.085，站臺中心里程SDK27+802.235，車站基坑長233.4 m，標準段基坑寬21.70 m，開挖深度為16.36 m，端頭井基坑寬25.7 m，基坑最大開挖深度南端頭井為18.14 m，北端頭井開挖深度為17.70 m。圍護結(jié)構(gòu)全部采用800 mm厚地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系(一混凝土四鋼)，標準段基坑深約16.36 m，地墻插入比約為1.12；南端頭井深18.14 m，地墻插入比約為1.09；北端頭井深17.70 m，連續(xù)墻插入比約為1.34。地連墻混凝土標號為水下C35，抗?jié)B等級為P8。

表1 各土層主要物理力學性質(zhì)一覽表

1.3 周邊環(huán)境影響

該地鐵車站周邊環(huán)境影響主要為已建成的構(gòu)筑物和地下管線分布，在施工過程中要嚴格控制對已建構(gòu)筑物及地下管線的影響。

車站周邊主要構(gòu)筑物為。

(1)基坑西側(cè)為在建大橋，該大橋鉆孔樁承臺基礎，基坑與高架接線段擋墻最小凈距6.5 m；

(2)基坑東側(cè)為浙學院體育場看臺，Φ426混凝土沉管灌注樁，樁長21 m，基坑與看臺水平凈距14.7m；

(3)車站周邊地下管線主要改遷石油管線，管線與基坑最小距離為14.7 m，柴油管線和汽油管線各一根，均為273鋼管，加套DN600鋼筋混凝土套管保護，埋置深度約4.2 m；還有部分燃氣管線和110 kV埋深4 0m的電纜線。

2 考慮時空效應影響施工方案及工程監(jiān)測

深基坑在開挖施工時，由土體、支護結(jié)構(gòu)工程空間結(jié)構(gòu)，開挖過程中由于工程擾動，會對支護結(jié)構(gòu)及土體的壓力和變形造成影響，該影響不僅與基坑的開挖方式、平面尺寸及開挖深度有關(guān)，還受到支護空間的影響，具有明顯的時空效應。

2.1 工程監(jiān)測布置方案

為考慮時空效應在基坑開挖過程中對基坑參數(shù)的影響，對基坑的圍護結(jié)構(gòu)深層水平位移、地表沉降、內(nèi)支撐軸力等進行監(jiān)測布置。其基坑監(jiān)測布置平面圖如圖1所示。

圖1 深基坑監(jiān)測布置圖

2.2 施工方案與進度

依據(jù)施工計劃及場地條件，基坑開挖時利用“時空效應”理論，依照“分層、分段挖土，先中間后兩邊”的原則進行開挖施工。考慮主體結(jié)構(gòu)施工，將基坑分為10個開挖段，車站兩個端頭分段長度分別為204 m、24 m，其余標準段長度為23～24 m。

在開挖順序上遵循為北端頭井→南端頭井→標準段(自北向南)的順序進行，南端頭由于靠近石油管線，按照一級變形控制進行考慮，南端頭井見底后加大人力投入，盡快施做底板；出土過程中，密切關(guān)注基坑監(jiān)測變形數(shù)據(jù)，當數(shù)據(jù)變形過大，立即增設臨時鋼支撐。為減少開挖過程中對基坑擾動，對基坑進行分層開挖，將基坑分為5個大層163塊土方，按順序依次進行開挖。

3 開挖過程中時空效應分析

3.1 地表沉降時空效應分析

選取基坑長邊與端部短邊監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，繪制地表沉降監(jiān)測圖，如圖2所示。由圖2可知，基坑長邊地表沉降值大于短邊地表沉降值，且長邊中間部位地表沉降較為明顯。在基坑開挖過程中，東側(cè)開挖位移較西側(cè)開挖位移小，東側(cè)最大地表沉降量為-27.3 mm，為西側(cè)沉降量-60.7 mm的44.97%。由于西側(cè)距離大橋較近，承受荷載較大，當西側(cè)基坑進行開挖時，應力會向著基坑側(cè)產(chǎn)生釋放，故此較東側(cè)基坑開挖時，會產(chǎn)生較大位移沉降。

圖2基坑周邊地表沉降位移曲線

為了分析施工開挖變化過程中地表位移沉降，選取基坑周邊典型位置監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，該監(jiān)測點均距基坑6.5 m，從212 d地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)中選取前期開挖160 d內(nèi)典型位移變化進行分析。

圖3 基坑開挖地表沉降曲線

由圖3可知，AD1-3監(jiān)測點，在開挖過程位移變化較小，即開挖過程對端部地表沉降影響較?。槐O(jiān)測點AD13-3在進行開挖時，開挖層1、2的地表沉降較小，完成前兩層開挖時，地表沉降為17 mm，為總沉降值的34.7%。隨著開挖時間的增加，基坑深度增加，由于土體開挖過程中的卸荷作用，地表沉降位移的增加速度也隨之增加。而測點AD5-3在完成第一層開挖時，沉降值達到了17.2 mm，為最終沉降值的68%，之后隨著開挖的進行，位移沉降逐漸趨于穩(wěn)定值。

3.2 支護結(jié)構(gòu)水平位移時空效應分析

選取基坑長邊與短邊處的支護結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測點，繪制監(jiān)測點水平位移曲線，如圖4所示。由圖4可知，基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移同樣存在相同現(xiàn)象，即長邊水平位移大于端部水平位移。其中ACX-1～8監(jiān)測點的支護結(jié)構(gòu)最大水平位移為24.9 mm，為ACX-9～16監(jiān)測點支護結(jié)構(gòu)最大水平位移67.4 mm的36.9%。即基坑支護結(jié)構(gòu)的水平位移，會向著支護結(jié)構(gòu)長度的跨中部位增加。

圖4 開挖完成時水平位移

3.3 支護結(jié)構(gòu)軸力時空效應分析

圖5為基坑支護結(jié)構(gòu)軸力監(jiān)測圖，由圖5(a)可知，當基坑完成第一層開挖時，軸力在大小分布上為鋼支撐軸力小于混凝土支撐軸力，混凝土支撐上的軸力呈現(xiàn)兩頭小中間大狀分布。由圖5(b)可知，當完成第二層開挖時，鋼支撐上的軸力呈中間打領(lǐng)頭小分布；由于AZg1-3處于南端開挖點，致使其在開挖時，第3層鋼支撐還未完成布置，導致該監(jiān)測點呈現(xiàn)南端軸力偏大現(xiàn)象。由圖5(c)可知，在完成第3層開挖時，鋼支撐上軸力依然呈現(xiàn)中間大兩邊小分布。由圖5(d)可知，完成第四層開挖時，鋼支撐上軸力分布呈現(xiàn)北側(cè)大于南側(cè)，南端的開挖深度小于北端，致使土體用力分布不同，致使鋼支撐軸力分布不均。綜上可知，在基坑進行開挖時，距離開挖土體較近的支護結(jié)構(gòu)軸力所受影響較大，且伴隨開的進行，支護結(jié)構(gòu)上的軸力分布逐漸均勻，即該種支護結(jié)構(gòu)設計較為合理。

圖5 支護結(jié)構(gòu)軸力監(jiān)測圖

3.4 基坑時空效應的涌水涌砂問題分析

在該地鐵車站開挖過程中，位于該車站東側(cè)(軸27)位置，發(fā)生地下連續(xù)墻③1b層涌水涌砂問題。由工程分析可知，該處所處地層主要為粉砂層，在對其兩側(cè)進行開挖時，致使該處發(fā)生地下連續(xù)墻的連接縫發(fā)生較大的差異性沉降，差異性沉降產(chǎn)生的張拉力，使地墻接縫鎖口管位置產(chǎn)生微裂縫。此處地下水位較高，在應力和水壓力的作用下，致使水壓力沿著裂縫薄弱點向基坑臨空面集中，在應力集中作用下，連續(xù)墻發(fā)生破壞，產(chǎn)生涌水現(xiàn)象。在水的作用力下，該處的粉砂顆粒逐漸被地下水帶出，形成流水通道，最終演化為涌水涌砂現(xiàn)象。該涌水涌砂現(xiàn)象導致周邊環(huán)境發(fā)生沉降，其建筑物距離基坑最近位置最大沉降值達到-70 mm。為防止繼續(xù)對周邊環(huán)境造成影響，采用坑外雙液漿進行堵漏。首先采用地質(zhì)鉆機引孔，孔徑φ76 mm，深度為③1b粉砂層涌水位置負5 m，將雙液注漿管下到離漏點一定距離的深度，雙管注漿注入水泥漿+清水，待滲漏位置流出濃稠水泥漿開始注入水玻璃，這兩種漿液在管端處混合，形成水泥-水玻璃混合漿液，在水流的帶動下，在漏點附近形成凝膠，利用該凝膠封堵漏水點。

4 結(jié) 論

本文以寧波5#線三官堂站地鐵車站為工程依托，對該地鐵站軟土深基坑在開挖過程中地表沉降、內(nèi)支撐軸力、基坑圍護水平位移、涌水涌砂的時空效應影響進行研究，研究結(jié)果如下。

(1)在軟土深基坑地區(qū)的開挖工程中，采用“分層、分段開挖，由中間向兩邊”的施工順序進行，可控制軟土深基坑在開挖過程中的變形。

(2)深基坑在開挖過程中時空效應較為顯著，其地表沉降、支撐軸力會隨著開挖深度的增加而增大，且伴隨著開挖深度的增加，該現(xiàn)象會愈加明顯，增加速率逐漸增加。

(3)軟土深基坑支護結(jié)構(gòu)的水平位移和地表沉降的在空間分布上呈現(xiàn)長邊大，端部??；支護結(jié)構(gòu)軸力的空間分布會受到開挖順序的影響，且伴隨開挖的進行逐漸趨于均勻分布。

(4)圍護結(jié)構(gòu)鎖口管位置差異變形過大，在水壓的影響下，地下連續(xù)墻接縫部位易發(fā)生涌水、涌砂，應采用高壓旋噴注射雙液漿進行封堵，能夠取得較好的處理效果。