三面臨水深基坑圍護(hù)方案設(shè)計(jì)及施工控制措施

張鵬飛,高偉奇,田 剛

(中冀建勘集團(tuán)有限公司,河北 石家莊 050000)

0 引言

深基坑施工具有風(fēng)險性大、區(qū)域性強(qiáng)、時間效應(yīng)強(qiáng)、系統(tǒng)性強(qiáng)等特點(diǎn),而且受到環(huán)境條件影響比較大,處于復(fù)雜環(huán)境地區(qū)的深基坑工程必須要采取合理有效的圍護(hù)措施[1]。在臨水環(huán)境條件下,基坑工程設(shè)計(jì)不僅需要考慮變形控制問題,而且還需考慮地下水和地表水的滲透問題。因?yàn)樵谒囱a(bǔ)給條件下,受水壓作用深基坑工程很容易發(fā)生滲透變形和滲透破壞,引發(fā)基坑工程突涌和周邊地層的坍塌,給深基坑工程的建設(shè)帶來威脅[2]。目前,關(guān)于臨河臨湖等深基工程的研究較多,且取得了較多的研究成果,但這些研究多集中在一側(cè)臨水,對于三面臨水且周邊開發(fā)程度高條件下的基坑開挖研究較少[3-5]。本文嘗試以杭州市河匯項(xiàng)目深基坑工程為研究對象,基坑三面臨河、周邊環(huán)境復(fù)雜,采用數(shù)值模擬手段分析深基坑的變形控制問題,并對止水帷幕施工控制措施展開研究,研究成果可為復(fù)雜地表水體及臨近周邊建(構(gòu))筑物條件下的深基坑開挖提供借鑒。

1 工程概況及場區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 工程概況

河匯項(xiàng)目位于杭州市上城區(qū)錢江新城核心地段,本項(xiàng)目為杭州重點(diǎn)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)高,未來杭州市新地標(biāo)項(xiàng)目,總建筑面積約137 474.5 m2。項(xiàng)目基坑三面臨水,北臨新塘河,西靠三新路,東依京杭運(yùn)河,南至運(yùn)河之江隧道及錢塘江,西南角為在建錢塘江博物館,如圖1所示。基坑周邊場地整平后絕對標(biāo)高為7.00～10.00 m,(其中新塘河駁坎側(cè)場地絕對標(biāo)高為7.00～10.00 m,東北角、新塘河泵站排水箱涵側(cè)場地絕對標(biāo)高為10.00 m),根據(jù)地勢起伏(西低東高)。江河匯項(xiàng)目基坑大致呈矩形,面積約為32 850 m2,周長約為770 m,長約260 m,寬約135 m,下表為基坑工程開挖深度表。

表1 基坑工程開挖深度

現(xiàn)狀場地較為起伏,整體呈西地東高,地下三層底板厚取800 mm。綜合考慮基底土質(zhì)條件、坑邊承臺分布和墊層厚度,設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高為-8.20 m(局部為-9.20 m)。北側(cè)為已建新塘河駁坎及新塘河排澇泵站,東側(cè)為已建新塘河排水箱涵?；觾?nèi)邊線與北側(cè)新塘河駁坎水平間距約13.2 m,與東北角新塘河排澇泵站水平間距約9.2 m,與東側(cè)新塘河泵站排水箱涵水平間距約7.7 m。

1.2 場區(qū)工程地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查,本場區(qū)地勢平坦,受后期人類活動影響,地勢稍有起伏,場地內(nèi)填土厚度普遍較大,一般為3.0～8.0 m左右,回填土多含碎石、建筑垃圾及生活垃圾等,尤其是①1層雜填土,局部粗骨粒含量高達(dá)30%～60%,粒徑一般2～8 cm,最大粒徑大于20 cm。在勘探深度范圍內(nèi)可分為12個工程地質(zhì)層,其物理力學(xué)特征如下表所示。

表2 深基坑工程土層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

2 深基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案

2.1 深基坑周邊環(huán)境分析及圍護(hù)設(shè)計(jì)要求

深基坑三面臨水,周邊環(huán)境復(fù)雜、開發(fā)程度高、周邊建筑物保護(hù)要求高。經(jīng)分析,基坑南側(cè)為已建運(yùn)河之江隧道,基坑內(nèi)邊線與北線的水平間距約9.5 m,南線隧道的水平間距約32.5 m,與河西工作井的水平間距約68.4 m;東側(cè)為已建新塘河泵站排水箱涵、三堡排洪箱涵和京杭大運(yùn)河,該側(cè)基護(hù)內(nèi)邊線距離用地紅線約3.1 m,距待建新塘河泵站排水箱涵(D5000,混凝土結(jié)構(gòu),埋深約2.0 m)最近處7.7 m,距三堡排洪箱涵約38.7 m,距京杭運(yùn)河堤壩約47.2 m;西側(cè)為市政道路三新路,至道路邊的最近距離為9.8 m;北側(cè)為新塘河駁坎,該側(cè)基護(hù)內(nèi)邊線至用地紅線的最近距離為2.8 m,距離新塘河河道邊線約13.2 m;東北角為新塘河排澇泵站,西南角為在建錢塘江博物館,同時西側(cè)及西北角周邊市政管線較多,基坑對變形均較為敏感,特別是東側(cè)已建排水涵管、北側(cè)新塘河駁坎以及東北角新塘河排澇泵站,位移控制要求高,需特別加強(qiáng)保護(hù);開挖范圍內(nèi)為粉砂土,且緊鄰錢塘江、京杭運(yùn)河及新塘河,水源補(bǔ)給充沛,需做好降排水措施,避免基坑滲漏;同時淤泥質(zhì)粘土位于坑底以下,且土層較薄,樁底容易進(jìn)入土質(zhì)較好的粘土層?；悠矫婷娣e大,開挖深度深,空間效應(yīng)較差;距離用地紅線近,約3～4 m,場地條件緊張;場地標(biāo)高起伏大,西低東高,基坑受不均衡周邊荷載作用,需合理考慮。根據(jù)以上周邊環(huán)境及基坑三面臨水特點(diǎn),基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)需重點(diǎn)考慮基坑的自身安全性、防止基坑透水和滲透破壞、防止基坑開挖對周邊敏感建筑物及管網(wǎng)的擾動。

2.2 深基坑圍護(hù)方案設(shè)計(jì)

本著“確保安全、加快進(jìn)度、節(jié)省造價、方便施工”的原則,經(jīng)多方案分析比較,針對本工程實(shí)際情況、周邊環(huán)境和鄰近建構(gòu)筑物的保護(hù)要求,最終確定采用如下方案:地下連續(xù)墻/鉆孔灌注樁結(jié)合2～3道內(nèi)支撐支護(hù),其中新塘河排澇泵站、駁坎及排水箱涵側(cè)采用φ1200@1 400 mm鉆孔灌注樁結(jié)合3道水平支撐支護(hù),深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示。

圖2 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖

如圖2所示,南側(cè)緊鄰運(yùn)河之江隧道側(cè)為1 000 mm厚地下連續(xù)墻,槽壁加固為850 mm直徑三軸水泥攪拌樁;東側(cè)近運(yùn)河側(cè)(地勢較高)為直徑1 200 mm@1 400 mm鉆孔灌注樁結(jié)合700 mm厚TRD止水帷幕;其余范圍1 100 mm@1 300 mm直徑鉆孔灌注樁結(jié)合700 mm厚TRD止水帷幕。

(1)支撐體系:整體設(shè)置二道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐,南側(cè)及東北角設(shè)置三道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐,東側(cè)中部設(shè)置一道鋼筋混凝土斜撐+二道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐,斜撐位置第二道支撐增設(shè)混凝土板帶。各道支撐標(biāo)高分別為9.00 m、3.75 m及-3.400 m。

(2)止水措施:如圖2所示,在南側(cè)采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻+700 mmTRD止水帷幕進(jìn)行地下水和錢塘江水的入滲;在基坑西側(cè)和北側(cè)采用700 mmTRD止水帷幕防止地下水和新塘河水的入滲;在基坑?xùn)|側(cè)采用700 mmTRD止水帷幕防止地下水和京杭大運(yùn)河河水的入滲。TRD穿透淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土層。

(3)降排水措施:TRD/三軸水泥攪拌樁均穿透粉砂土層進(jìn)入下部不透水層,基坑外為控制性降水至地表下5 m;運(yùn)河之江隧道側(cè)坑外為應(yīng)急井,正常情況下不得開啟,僅作為在發(fā)生滲漏險情的情況下方可開啟使用(啟用時降深應(yīng)控制在5 m以內(nèi)),使用前應(yīng)征得設(shè)計(jì)單位同意。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,對承壓水突涌復(fù)核計(jì)算,如公式(1)所示。

(1)

式中:γm表示透水層以上土的飽和重度;t+△t表示透水層頂面距基坑底面的深度;Pw表示含水層水壓力[3]。經(jīng)驗(yàn)算,土方開挖至基坑底標(biāo)高時,抗突涌穩(wěn)定性系數(shù)為1.22～1.45,大于規(guī)范要求的1.1,因此承壓水對基坑開挖影響不大,無需采取專項(xiàng)處理措施。但仍應(yīng)注意以下方面:確保所有地質(zhì)勘察鉆孔施工結(jié)束后均進(jìn)行有效封孔;鉆孔灌注樁施工時應(yīng)控制泥漿的重度、黏度等指標(biāo),孔壁泥皮不宜過厚[4]。避免沿勘察鉆孔或樁基側(cè)壁形成承壓水通道,影響基坑安全施工?？又锌硬捎酶邏盒龂姌吨亓κ綋鯄Y(jié)合坑內(nèi)滿堂加固,大門設(shè)置于西側(cè),土方車輛經(jīng)棧橋至三新路出土,待施工單位確定后另行深化。

2.3 深基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案論證分析

結(jié)合基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案具體的施工工況要求,對深基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證分析,論證該設(shè)計(jì)方案的可行性。如圖3所示,利用Plaxis軟件對新塘河排水箱涵復(fù)雜環(huán)境下深基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行二維有限元分析,依據(jù)分析類型的不同,選取A-A、B-B、C-C三個斷面作為分析對象,分析土方開挖至第三道支撐底、土方開挖至坑底標(biāo)高、拆除第一道支撐并完成換撐三個工況,基坑主體結(jié)構(gòu)與排水箱涵位移情況,二維有限元計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

圖3 Plaxis軟件深基坑有限元分析

通過二維有限元分析得出以下主要結(jié)論:隨著旁側(cè)基坑開挖,結(jié)構(gòu)變形主要表現(xiàn)為水平方向開挖側(cè)變形,豎直方向沉降,A-A斷面當(dāng)土方開挖至坑底標(biāo)高時,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平變形42.80 mm,排水箱涵的最大水平變形25.51 mm,最大沉降-21.68 mm。B-B斷面當(dāng)土方開挖至坑底標(biāo)高時,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平變形42.52 mm,駁坎的最大水平變形17.43 mm,最大沉降-19.39 mm。C-C斷面當(dāng)土方開挖至坑底標(biāo)高時,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平變形44.06 mm,排澇泵站的最大水平變形8.066 mm,最大沉降-7.074 mm。

二維有限元計(jì)算只能考慮平面應(yīng)變問題,因此無法完全反映基坑與隧道的真實(shí)關(guān)系。實(shí)際施工時沿隧道一側(cè)基坑應(yīng)采取分區(qū)、分塊、分層開挖措施。為反映開挖實(shí)際情況,應(yīng)進(jìn)一步采用三維有限元分析軟件,以進(jìn)一步精確分析基坑開挖對隧道的影響。三維模型增加了新塘河排澇泵站、駁坎、排水箱涵在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)延伸方向的維度。按照力學(xué)分析結(jié)果,模型橫向邊界到結(jié)構(gòu)的邊界的距離應(yīng)大于3～5倍的結(jié)構(gòu)尺寸,模型下邊界到圓礫層,上部邊界為地表。同時考慮到本模型主要考慮鄰近基坑開挖對新塘河排澇泵站、駁坎、排水箱涵的影響,因此模型邊界到基坑邊的距離要大于1.5～2倍的基坑開挖深度。因此,模型的尺寸為420 m×400 m×60 m,三維有限元計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 三維有限元計(jì)算結(jié)果

3 三面臨水深基坑止水帷幕施工控制措施

3.1 TRD渠式水泥切割連續(xù)墻

TRD渠式水泥切割連續(xù)墻成墻深度為24.15～28.65 m,墻體標(biāo)高范圍為+7 m/+10 m～-17.15 m/-18.65 m,墻厚700 mm。根據(jù)TRD渠式水泥切割連續(xù)墻的設(shè)計(jì)墻深進(jìn)行切割箱數(shù)量的準(zhǔn)備,為滿足24.15～28.65 m設(shè)計(jì)深度要求,切割箱3.65 m一節(jié),共需要選配9節(jié)切割箱。

為保證TRD渠式水泥切割連續(xù)墻的防水效果和強(qiáng)度,施工設(shè)備的選型應(yīng)保證先進(jìn)合理,施工工程中采用鈉基膨潤土進(jìn)行土體混合拌制,拌制后墻體水泥摻和量應(yīng)大于20%,膨潤土摻量為入950 kg/m3,待墻體施工完成后再水中養(yǎng)護(hù)28 d,并按照每臺班組抽查2組試塊的方法對TRD渠式水泥切割連續(xù)墻強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測,取樣的深度應(yīng)在有效墻頂以下1 000 mm,取樣鉆頭為11 cm,取樣試塊為直徑10 cm,高度為28 cm,在室內(nèi)試驗(yàn)中進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),其標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)不小于0.8 MPa[6-7]。如果TRD渠式水泥切割連續(xù)墻28 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不合格,則應(yīng)連續(xù)取樣至墻體底部進(jìn)行復(fù)測。

TRD渠式水泥切割連續(xù)墻的幾何尺寸控制包括垂直度、水平偏差、墻體深度和墻體厚度,垂直度應(yīng)控制在1/250以內(nèi),水平偏差應(yīng)控制在50 mm以內(nèi),墻體施工深度誤差不能超過50 mm以保證防水效果,同時墻體厚度誤差應(yīng)在±20 mm以內(nèi)以保證墻體剛度。

3.2 地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻的垂直度和水平度是最為重要的兩個控制指標(biāo),前者主要采用經(jīng)緯儀和成槽機(jī)的顯示儀進(jìn)行控制,后者則采用水平儀進(jìn)行空盒子。在施工前應(yīng)對成槽機(jī)導(dǎo)板的垂直度進(jìn)行控制,使其不超過0.3%,以控制成槽機(jī)抓斗的垂直貫入。

地下連續(xù)墻混凝土澆筑過程中,混凝土的施工質(zhì)量控制是保證地下連續(xù)墻封閉的前提條件。因此,在澆筑時應(yīng)保證導(dǎo)管在混凝土內(nèi)有一定的埋置深度,一般為2～4 m,最大不能超過6 m,以免混凝土對導(dǎo)管的卡埋,同時導(dǎo)管埋置過深使得拔管對混凝土產(chǎn)生擾動,對于具有2個導(dǎo)管同時施工的墻體,相鄰兩導(dǎo)管內(nèi)混凝土高差不超過0.5 m[10]。

為了保證地下連續(xù)墻墻幅之間的止水封閉性,在接頭處采用工字鋼接頭連接,在先行幅混凝土澆灌過程中工字鋼的外側(cè)采取回填碎石的措施,用來阻擋混凝土澆灌時產(chǎn)生的側(cè)向壓力,避免鋼筋籠的側(cè)向移動,但在混凝土澆灌過程中水泥漿液會充填到回填碎石的空隙內(nèi),同時在成槽過程中砂顆粒的沉淀也會在接頭工字鋼的槽口內(nèi)沉積很多頑固的淤泥,較難清除,因此在完成嵌幅成槽后,必須采取有效措施鏟除接頭內(nèi)沉積的淤泥和碎石,確保接頭防滲質(zhì)量。

4 結(jié)語

深基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)是深基坑施工方案設(shè)計(jì)中重點(diǎn)部分,設(shè)計(jì)一套科學(xué)合理的深基坑圍護(hù)方案,對確保深基坑施工安全和質(zhì)量具有重要作用,尤其是在復(fù)雜施工環(huán)境下,深基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)更是重中之重。此次針對三面臨水復(fù)雜環(huán)境下深基坑變形問題,提出了一個圍護(hù)設(shè)計(jì)方案,并論證了該方案的可行性,為臨河區(qū)域復(fù)雜環(huán)境下深基坑圍護(hù)施工提供了可靠的參考依據(jù),為新塘河的發(fā)展提供了理論依據(jù)。