卵礫地層深基坑非降水近距施工風險監控研究

程志鵬　朱雯蕾

(中交鐵道設計研究總院有限公司，北京　100088)

卵礫地層深基坑非降水近距施工風險監控研究

程志鵬朱雯蕾

(中交鐵道設計研究總院有限公司，北京100088)

摘要:結合北京地鐵某車站主體基坑工程，介紹了帷幕注漿止水的排水方案及其控制措施，實現了基坑無水作業，并通過數值模擬結果與現場檢測數據，評價了施工風險控制效果，指出除了達到黃色預警值的樁體變形應該加強監測外，基坑及周邊環境均處于安全可控狀態，且基坑圍護結構及支撐體系參數仍然具有優化的空間。

關鍵詞:地鐵車站，基坑，非降水施工，風險監控

0　引言

目前，城市大深基坑的施工采用注漿止水已成為趨勢，非降水施工的風險監控尚未形成系統的方法體系，國內的基坑施工風險控制的研究案例也主要集中在降水基坑的施工。為了豐富基坑施工風險控制經驗、提高施工的安全性、預測環境風險，本文以北京某地鐵主體基坑施工監控為背景，針對砂卵石地層開挖深度超過20 m的大深基坑非降水施工工程進行風險監控及分析，旨在提出復雜周邊環境下、砂卵石地層大深基坑工程的風險監測要點及控制措施，為非降水深基坑工程的設計和施工提供指導。

1　工程背景

1.1工程概況

北京某地鐵車站A站位于城市主道路北側，東西走向布置，橫跨道路交叉路口，與位于路口北側南北走向的另一車站B站形成換乘。車站主體采用明挖法施工，主體基坑總長279.800 m，標準段總寬度13.800 m，基坑深26.7 m，車站主體基坑被B站換乘節點分為東西兩部分，A站主體基坑貼近換乘節點施工，施工場地狹窄。

1.2工程條件

1)工程地質、水文地質環境差。所處地層主要為砂卵石層，地層孔隙率大，砂土層粘結性差，透水性好，這對基坑開挖極為不利;地下潛水位處于底板結構以上，基坑降水成為難點。2)周邊建(構)筑物密集。主體基坑鄰近多層商廈建筑物且換乘節點深基坑鄰近高架橋。針對此類風險源，施工時需加強監控量測，采取相應的風險控制措施，保證安全。3)地下管線密布，錯綜復雜。4)與原有地鐵車站B站相交。

1.3非降水施工措施

根據以往施工經驗，城市的地鐵車站的基坑開挖，一般采用管井降水施工實現基坑內無水作業環境。厚卵礫漂石地層的滲透性較大，降水形成的沉降槽大，同時，基坑周邊建筑物密集、各種管線密布對地層沉降控制要求較高，傳統的排水井降水施工方法不能滿足施工對于沉降控制的要求。因此，采用帷幕注漿阻排水的非降水方法，對基坑封閉后結合明排方式(大口井)將水疏干，為結構施工創造無水作業環境。

2　基坑開挖數值模擬

采用有限元軟件MIDAS-GTS對基坑開挖過程進行二維數值模擬，通過對基坑典型斷面的開挖支護過程的模擬，評估、預測基坑開挖對基坑自身以及周邊建筑物的風險性影響。

2.1計算模型的建立

考慮到邊界效應，模型的計算范圍選取如下:模型的左、右邊界與基坑的側邊相距67 m，60 m(約為車站隧道跨度的3倍)，下邊界與車站隧道的底邊相距60 m，上邊界取至地表;模型中的土體、既有建(構)筑物采用摩爾—庫侖模型、平面單元進行模擬，圍護樁、支撐以及管道單元則采用彈性模型、梁單元進行模擬;模型計算參數如表1所示;模型采用四邊形網格劃分，網格劃分圖如圖1所示。

圖1　模型網格劃分圖

2.2數值計算結果分析

1)樁體變形。由模型計算結果可以看出，隨著基坑的開挖，樁體水平位移的最大值逐漸下移，隨著支撐的逐步施作，樁體位移得到了有效的控制。基坑開挖完成后，樁體變形趨于穩定，最終樁體的變形及變形量如圖2所示。

表1　模型計算參數

圖2　樁體水平向位移云圖（單位：mm）

2)樁頂位移。模型對樁頂水平位移的計算結果如圖3所示，圍護樁就位后樁頂向基坑內的方向發生小變形，基坑完成第一步開挖后，樁頂向內位移迅速增大，施作第一道支撐后位移得到約束，隨著基坑的進一步開挖，左、右側樁頂全部位移量逐步增大，施作第三道支撐后趨于穩定，最大位移量分別為3.04 mm和2.34 mm。

圖3　樁頂水平位移歷時曲線

3)高層商廈。基坑開挖完成后，高層商廈的豎向、水平向位移分別如圖4所示。由位移云圖可以看出:豎直方向上，高層商廈發生整體沉降，近基坑側沉降略大，最大沉降值為5.88 mm，最大差異沉降為0.92 mm;水平方向上，高層商廈底部位移最大位移量為4.92 mm，相對位移量為2.1 mm。

圖4　高層商廈位移云圖（單位：mm）

4)高架橋。基坑開挖完成后，高架橋的豎向、水平向位移分別如圖5所示。由位移云圖可以看出:豎直方向上，高架橋整體略有抬升，靠近基坑側的向上位移值較大，最大為0.57 mm，橋面差異沉降為0.46 mm;水平方向上，高架橋樁底向基坑側變形，橋面則向相反方向發生位移，相對位移量為1.97 mm。

5)周邊管線。數值模型中取四條典型管線進行沉降計算，管線的位置圖如圖6所示。隨著基坑開挖的進行四條管線的豎向位移曲線如圖7所示，由計算結果可知，變化最大的是污水管線D1 050沉降達到7.15 mm，其次是上覆土厚度較小的D500和 D2 200分別向上隆起4.50 mm和4.17 mm。

圖5　高架橋位移云圖（單位：mm）

圖6　管線位置圖

圖7　周邊管線沉降歷時曲線（單位：mm）

3　風險控制效果評價

3.1基坑自身風險監測分析

1)樁體水平位移。選取基坑圍護樁最大樁體水平變形一斷面南、北側對應一對測點數據進行分析，基坑圍護樁最大樁體變形為15.1 mm;該監測斷面挖至18 m深時，變形開始加大，直至挖至26 m深時，10 d內變形達10 mm左右，對第三、四道鋼支撐加力后樁體向基坑外變形約2 mm;分析變形數據，樁頂2 m左右有冠梁鎖定、樁底2 m有坑內土體鎖定變形很小，最大變形在14 m～24 m之間，即第三、四道鋼支撐部位，可見樁體變形與開挖深度和鋼支撐軸力的施加密切相關，及時架設鋼支撐并施加軸力可有效控制樁體變形，并且在鋼支撐拆撐過程中，補加其余各層損失軸力，加強對樁體變形的關注。

2)樁頂位移。由樁頂監測數據記錄可知，圍護樁樁頂水平位移累計值最大為6.5 mm，累計值位于4 mm～5 mm之間的測點占總測點的50%，其余測點均小于4 mm。

圖8　樁頂水平位移測點歷時曲線

圖8列出了典型基坑樁頂水平位移測點的變形歷時曲線，可以看出，開挖初期變形不明顯，隨著開挖深度的增加，位移趨勢加大，并且貫穿于整個開挖過程，當基坑開挖且底板混凝土澆筑完成后，位移曲線趨于平穩，鋼支撐拆除對位移影響不大。

3.2周邊環境風險源監測分析

1)高層商廈監測數據分析。由高層商廈測點監測數據可知，高層商廈最大沉降值為5.84 mm，累計差異沉降最大值為3.5 mm，兩者均小于控制值。

圖9　高層商廈典型測點歷時曲線

從圖9曲線可以看出，基坑開挖初期變形不明顯，隨著開挖深度的增加，特別是挖至第二道支撐的深度后，沉降趨勢加大，并且貫穿于整個開挖過程中，當基坑開挖完成，沉降并未立即穩定，直至底板混凝土澆筑完成后，沉降曲線趨于平穩。1號點比2號點距離基坑較遠，沉降量較小，兩點差異小于控制值。

2)高架橋監測數據分析。由高架橋測點監測數據可知，高架橋最大沉降值為2.28 mm，沉降值90%以上集中在1 mm～2 mm之間，未超過控制值。

圖10　高架橋典型測點歷時曲線

從圖10曲線可以看出，基坑開挖初期變形不明顯，隨著開挖深度的增加，變形趨勢加大，并且貫穿于整個開挖過程中，當基坑開挖完成，沉降并未立即穩定，直至底板混凝土澆筑完成后，沉降曲線趨于平穩，1號點比3號點距離基坑較遠，初期沉降量較小且變形相對3號緩慢，兩點差異沉降小于控制值。

3)周邊管線。從監測情況來看，地鐵車站基坑施工重點監測的6條管線中以D1 050污水管的沉降最大，累計最大沉降7.52 mm，其次是D2 200雨水管，累計最大沉降為6.68 mm，均小于預警值10.5 mm，且各管線變化趨勢較為平緩。

圖11　周邊管線典型測點沉降值曲線

從圖11曲線可以看出，基坑開挖初期變形量不明顯，隨著開挖深度的增加，沉降趨勢加大，直至底板澆筑混凝土后，部分沉降曲線趨于穩定，進入結構施工階段，基坑周邊大型車輛動載及堆載荷載增加，造成部分測點沉降繼續小幅加大。

4　結語

1)針對地質條件差、周邊環境復雜、管線多以及與既有車站相交的環境風險，采用有限元軟件MIDAS-GTS對基坑開挖過程進行二維數值模擬，通過模擬可以看出不同開挖階段周邊建(構)筑物的變形趨勢，又經現場實際監控量測數據對其模擬結果進行了驗證，通過數值模擬的變形趨勢可以對其開挖過程進行有效指導。

2)地鐵車站基坑開挖過程各監測項目的監測數據累計變化值均小于其控制值，反映所采用的施工方式對地層及建(構)筑物的變形控制非常有效，基坑及周邊環境均處于安全可控狀態，總體施工沉降滿足風險管理的需求。

3)基坑自身監測點和周邊環境監測點的受力與變形都是隨著基坑開挖逐漸增大的，當基坑開挖完成，沉降并未立即穩定，直至底板混凝土澆筑完成后，受力和變形曲線才趨于平穩。

參考文獻:

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On non-precipitation close construction risk supervision and control at deep foundation pits at pebble stratum

Cheng Zhipeng Zhu Wenlei
( CCCC Railway Design and Research Institute Co.，Ltd，Beijing 100088，China)

Abstract:Combining with the foundation pit projects of the main part of some station in Beijing Metro，the paper introduces the drainage scheme of the curtain grouting waterproof and controlling measures，realizes the anhydrous works of foundation pits，evaluates the construction risk control effect according to the numeric simulation results and site test data，and points out the foundation pits and surrounding environment are in the safe and controllable status except the pile deformation reaching the yellow alert，and the foundation pit enclosure structure and support system parameter are in the optimal space.

Key words:metro station，foundation pit，non-precipitation construction，risk supervision and control

作者簡介:程志鵬(1983-)，男，碩士，工程師;朱雯蕾(1988-)，女，碩士，助理工程師

收稿日期:2015-11-23

文章編號:1009-6825( 2016) 04-0062-03

中圖分類號:TU463

文獻標識碼:A