綜合管廊大斷面異形基坑穩(wěn)定性與支護技術(shù)研究

劉 陽，皮亞東

(1.民航機場建設(shè)工程有限公司，天津 300450；2.北京金港場道工程建設(shè)有限公司，北京 100071)

1 依托工程簡介及研究意義

1.1 依托工程簡介

北京大興國際機場飛行區(qū)地下綜合管廊工程位于飛行區(qū)內(nèi)，由航站區(qū)分隔開來，分航站區(qū)東側(cè)管廊、西側(cè)管廊和北側(cè)磁大路管廊共3條，呈“兩縱一橫”布置，東西兩側(cè)管廊在航站樓附近與磁大路管廊相接。其中西側(cè)綜合管廊總長度約為3 016.07 m，基坑開挖深度為7.5～11.0 m。西綜合管廊南段與遠機位站坪區(qū)3#下穿通道走向相同，管廊結(jié)構(gòu)外邊緣與下穿通道結(jié)構(gòu)邊緣相距9.3 m。由于結(jié)構(gòu)相距過近，如分別開挖溝槽將對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相互影響，經(jīng)設(shè)計單位同意，確定了綜合管廊與3#下穿隧道同槽開挖的施工方案。根據(jù)勘察報告及管廊(管線)的埋深情況，本基坑工程選用自然放坡、復(fù)合土釘墻(局部支護樁+內(nèi)支撐)的支護形式，基坑支護橫斷面圖如圖1所示。下穿通道AK1+100.660至AK1+280.660樁號分別為U形槽與擋土墻段(對應(yīng)綜合管廊樁號為FX+2472.500—FX+2652.500)，道面縱向坡度呈上升趨勢，由通道最低點標(biāo)高16.00 m(絕對高程)升至設(shè)計地面標(biāo)高23.00 m，而管廊基坑底面高程僅有2‰的坡度，同槽開挖造成AK1+100.660—AK1+280.660段的基坑在豎向上呈異形。

圖1 基坑支護橫斷面圖

1.2 工程地層主要特征

建設(shè)場地涉及勘探鉆孔最大深為22.00 m。依照地層成因和形成年代將地質(zhì)勘探范圍內(nèi)的地層從上至下共劃分為5個大層及其亞層，表層為人工填土層(第1大層)，其下為新近沉積層(2～3大層)及一般第四紀(jì)沉積層(4～5大層)，巖性以粉土、黏性土及砂土為主。

1.3 研究方法與意義

本文以大興國際機場附屬地下綜合管廊工程為背景，基于現(xiàn)有邊坡設(shè)計與穩(wěn)定性理論分析大斷面異形基坑的整體穩(wěn)定性和土層變形特性，將分析結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果相互驗證，對基坑支護結(jié)構(gòu)和邊坡支護穩(wěn)定性進行分析。最后，提出大斷面異形基坑邊坡支護的最佳方案和基坑邊坡支護的方法。本文的研究成果將有助于分析和認(rèn)識北京地區(qū)綜合管廊異形深大基坑與圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及周邊土體變形特性，對指導(dǎo)這類基坑的設(shè)計和施工有借鑒意義。

2 基坑穩(wěn)定性理論與變形機理

2.1 基坑失穩(wěn)模式與機理

基坑失穩(wěn)是指在基坑開挖或結(jié)構(gòu)施工過程中，由于對某些關(guān)鍵工藝或關(guān)鍵部位如圍護樁結(jié)構(gòu)施工、土釘或預(yù)應(yīng)力錨索成孔、注漿以及降排水措施控制不嚴(yán)，在圍護結(jié)構(gòu)本身及滲水、荷載等外力作用下，引發(fā)基坑坍塌、滑移等事故或達不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

通常認(rèn)為基坑土體強度不足和圍護結(jié)構(gòu)的強度或剛度不足是引起基坑失穩(wěn)的兩個主要原因，具體分析如下文所述。

2.1.1 整體或局部滑塌、失穩(wěn)

基坑圍護結(jié)構(gòu)嵌固深度不足，從而導(dǎo)致在外荷載作用下，基坑整體或局部失穩(wěn)。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因通常是采用了土釘或錨索等外圍護形式，并且土釘、外拉錨的長度不足，沒有深入到抗滑面以下，或者是圍護樁墻底沒有達到不透水層而處于軟弱土層中。

2.1.2 支撐結(jié)構(gòu)變形過大或支撐、拉錨破壞

基坑支撐、拉錨拉出或者斷裂，內(nèi)部支撐截面過小造成壓曲，圍檁破壞，從而導(dǎo)致支護失效而引起基坑失穩(wěn)。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因通常是設(shè)計時對施工環(huán)境及地質(zhì)情況考慮不周和支撐結(jié)構(gòu)施工存在質(zhì)量問題，或是施工過程中外界環(huán)境條件發(fā)生改變。

2.1.3 基坑周圍土體沉陷、傾斜

降水施工引起的地下水位下降和基坑支護結(jié)構(gòu)斷面過小是引起土體沉陷、傾斜的兩個主要原因，具體表現(xiàn)在降水施工引起的地下水位下降，土體有效應(yīng)力增加，密實度增加，引起土體沉陷?；又ёo結(jié)構(gòu)斷面過小，剛度不夠，在主動土壓力或上部荷載作用下，圍護結(jié)構(gòu)上部向坑內(nèi)出現(xiàn)位移，引發(fā)土體沉陷、傾斜。

2.1.4 坑底土體隆起

基坑開挖深度較大，且坑底土層為軟黏土層時，在基坑外側(cè)土體自重和外部上覆荷載的作用下，可能會發(fā)生坑底土體隆起，此時基坑支護體系可能不會被完全破壞，但會出現(xiàn)圍護樁、墻的傾斜或斷裂。

2.1.5 滲流破壞

當(dāng)基坑四周的地下水位高于基坑內(nèi)水位時，并且圍護樁墻沒有插入不透水層，或基坑底部覆土較淺，不足以抵抗地下水壓力時，地下水產(chǎn)生自下而上的動水壓力，土顆粒將出現(xiàn)懸浮狀態(tài)，一起隨水流動，形成一個流動通道，在滲流的作用下，通道不斷增大，引起流沙、管涌、突涌等情況，最終造成土體破壞。

需要指出的是，誘發(fā)基坑失穩(wěn)或破壞的原因往往不是一種，破壞的表現(xiàn)形式往往也不是一種，而是幾種破壞形式綜合在一起。

2.2 基坑變形的模式與機理

基坑在開挖時，坑底土體的位移方向以向上為主，這是由于開挖面土體的卸荷和基坑四周土體的土壓力而引起的。另外，圍護結(jié)構(gòu)水平與豎向偏移和基坑底土體向上隆起是導(dǎo)致基坑開挖過程中周圍地層位移的主要原因。

2.2.1 圍護結(jié)構(gòu)變形

圍護結(jié)構(gòu)變形主要分為水平變形和豎向變形兩種形式。圍護結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、剛度和施工方法等都是引起圍護結(jié)構(gòu)水平變形的主要原因。圍護結(jié)構(gòu)水平變形主要可分為四類：懸臂型位移、拋物線位移和兩者組合形態(tài)位移以及踢腳型位移，如圖2所示。

圖2 維護結(jié)構(gòu)水平位移圖

(1)懸臂型位移：圍護結(jié)構(gòu)沿基坑內(nèi)部的水平位移成懸臂式分布，圍護結(jié)構(gòu)的最大變形處位于結(jié)構(gòu)頂部，通常出現(xiàn)在基坑開挖較淺，未設(shè)置冠梁或第一道支撐時。

(2)拋物線型位移：開挖達到一定深度時，剛性圍護結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)向基坑內(nèi)部的兩端小、中間大的三角形位移或整體平行位移，柔性結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)頂部向外位移或者頂部位移不變，中部向基坑內(nèi)部突出的拋物線型位移形態(tài)。

(3)組合型位移：該形態(tài)一般呈懸臂式位移與拋物線型位移的組合，通常發(fā)生在設(shè)有多道支撐或拉錨的結(jié)構(gòu)體系中。

(4)踢腳型位移：圍護結(jié)構(gòu)底部土層為軟弱土層或透水層，并且入土深度較淺時，圍護結(jié)構(gòu)底部會產(chǎn)生較大變形，而當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)底部土層為堅硬土層或巖層時，則不會出現(xiàn)該種踢腳型位移。

圍護結(jié)構(gòu)的豎向位移對圍護結(jié)構(gòu)自身和基坑的穩(wěn)定性有較大影響。主要體現(xiàn)在圍護結(jié)構(gòu)的上升和下沉，如土體的開挖卸荷導(dǎo)致的土體應(yīng)力釋放，將會使圍護結(jié)構(gòu)上升，而圍護結(jié)構(gòu)底部存在較厚的沉渣或位于軟弱土層時，將會使圍護結(jié)構(gòu)下沉。

2.2.2 坑底隆起

基坑底部隆起模式通?？煞譃閺椥月∑鸷退苄温∑?。

(1)彈性隆起：坑底土體隆起形態(tài)呈現(xiàn)中部高而四周低。造成彈性隆起的主要原因通常是基坑開挖深度較淺時，隨著土體開挖，土體內(nèi)應(yīng)力得到釋放。

(2)塑性隆起：坑底土體隆起形態(tài)呈現(xiàn)四周大、中部小，造成塑性隆起的主要原因通常是基坑開挖深度較大時，圍護結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)中間部位位移比兩端位移大的受力形態(tài)，然而對于長條形或?qū)挾容^小的基坑，坑底土體隆起形態(tài)仍表現(xiàn)為中部大、四周小。

3 基坑穩(wěn)定性計算結(jié)果分析與支護結(jié)構(gòu)受力分析

3.1 基坑穩(wěn)定性計算結(jié)果分析

根據(jù)《復(fù)合土釘墻基坑支護技術(shù)規(guī)范》(GB 50739—2011)5.3.2條、5.3.5條，通過對不同開挖深度模型計算，得到基坑整體穩(wěn)定性計算結(jié)果。見表1。

表1 基坑整體穩(wěn)定性計算匯總表

3.2 基坑支護結(jié)構(gòu)受力分析

3.2.1 基坑土釘抗拔承載力計算

通過對基坑不同開挖深度的土釘抗拔承載力進行計算，結(jié)果見表2。

表2 基坑土釘抗拔承載力匯總表

3.2.2 基坑土釘驗收抗拔力計算

根據(jù)《復(fù)合土釘墻基坑支護技術(shù)規(guī)范》(GB 50739—2011)5.2.6條 ，土釘?shù)墓ぷ飨禂?shù)φ=1.000，得到：

基坑右側(cè)土釘抗拔力：①Tyj(KN)=232.227；②Tyj(KN)=311.395；③Tyj(KN)=311.395；

基坑左側(cè)土釘抗拔力：①Tyj(KN)=311.395；②Tyj(KN)=311.395；③Tyj(KN)=311.395；④Tyj(KN)=311.395；⑤Tyj(KN)=232.227。

4 基坑實際監(jiān)測成果

基坑?xùn)|側(cè)每隔10 m設(shè)置一處沉降觀測樁。該基坑在2016年9月初開挖，于2016年10月初挖到底，至2017年9月基坑回填，此期間的實測位移曲線和沉降曲線如圖3所示，最大位移量為45 mm，最大沉降量為47.6 mm。位于基坑頂部靠近綜合管廊一側(cè)，基坑實際變形及沉降與理論分析結(jié)果大體相同。

圖3 基坑位移及沉降曲線圖

5 結(jié)論與展望

伴隨國內(nèi)基建工程的發(fā)展，對于大型基坑，特別是異型基坑，目前規(guī)范的計算方法無法考慮深基坑的一些影響，對異形基坑的穩(wěn)定性及支護技術(shù)研究不足。本文以北京大興國際機場附屬綜合管廊工程為背景，重點考慮各影響因素對異形基坑穩(wěn)定性和變形性的影響，采用經(jīng)典力學(xué)理論分析方法對基坑的整體穩(wěn)定性、支護結(jié)構(gòu)受力情況以及基坑抗傾覆能力進行計算，檢驗基坑整體安全系數(shù)滿足要求。開挖后的基坑主要出現(xiàn)了坑底的隆起和邊坡水平位移情況[1]。這時由于基坑邊坡有滑移的趨勢，使得邊坡下部的土體有向邊坡外側(cè)移動的傾向，而上部土體則有向邊坡內(nèi)側(cè)移動的趨勢?？傮w上，此階段對基坑穩(wěn)定性和變形的影響較小。隨著中間基坑邊坡坡度的變化，基坑整體呈現(xiàn)出一定的變化?；诱w位移有向左移動的趨勢，豎向位移中左側(cè)隆起明顯高于右側(cè)；右側(cè)基坑出現(xiàn)向左擴移的水平移動趨勢。此時為關(guān)鍵階段，容易發(fā)生基坑失穩(wěn)或變形加大。

本文在分析基坑穩(wěn)定性與變形特性時，沒有考慮基坑暴露時間、地下水以及地震等多種不利因素的影響，而這些也是影響基坑穩(wěn)定性的主要因素，值得進一步進行研究。同時本文只對明挖基坑放坡開挖的豎向異形基坑斷面穩(wěn)定性進行了分析研究，沒有擴展到其他不同支護類型的縱橫向異形基坑穩(wěn)定性研究上，因此還需進一步擴大研究類型與研究范圍。