海域圍堰復雜地質深基坑支護的變形規(guī)律分析

鄒 翀， 張文新， 李云濤， 金新凱

(1． 中鐵隧道局集團有限公司勘察設計研究院, 廣東 廣州 511458； 2． 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

近年來，隨著我國城市化進程的不斷加快，基礎建設事業(yè)得以飛速發(fā)展，加之城市人口數(shù)量不斷增長，城市土地的使用價格愈來愈高，城市的規(guī)劃向著地下空間的開發(fā)和利用發(fā)展；同時，城市的快速發(fā)展，使交通擁堵問題日益突出，尤其是存在內海、內河的城市，過海(江)通道是必然的選擇。為了解決這些突出問題，超大深基坑不斷涌現(xiàn)，基坑面臨的地質情況越發(fā)復雜。

在軟土地區(qū)工程中常用鉆孔灌注樁 + 鋼筋混凝土內支撐+ 水泥土攪拌樁止水帷幕[1-2]、地下連續(xù)墻二墻合一+鋼筋混凝土支撐[3]、放坡土釘墻支護[4]、鉆孔灌注樁 + 錨桿[5]、SMW 工法樁 + 鋼支撐[6]等支護形式。在上部第四系土層與下部巖層的上軟下硬地層現(xiàn)象，在基坑支護中出現(xiàn)了吊腳樁問題[7-9]。王殿斌等[10]對民建中的巖石基坑及上軟下硬基坑支護設計進行了系統(tǒng)闡述; 劉紅軍等[11]對土巖組合地層基坑工程變形進行了監(jiān)測分析，并闡述了基坑施工過程中的變形特點; 李煥煥等[12]對厚軟土地區(qū)深基坑預應力錨樁、鋼支撐和SMW 工法樁的應用效果進行了分析； 徐菁[13]探索了軟土地區(qū)深大基坑工程施工對基坑周圍環(huán)境的擾動影響； 趙文強[14]分析了上軟下硬復合地層條件下深基坑支護設計情況； 譚顯松[15]對巖土工程深基坑支護的設計及施工問題進行了分析。但以上研究少有對海域環(huán)境下上軟下硬復雜地層深基坑施工期間的全過程變形規(guī)律進行分析。

針對海域圍堰復雜地層的深大基坑因圍護結構體系異常變形，導致基坑結構出現(xiàn)安全風險的問題，本文以蘇埃通道工程始發(fā)井及后配套基坑施工為背景，全過程分析盾構始發(fā)井及后配套開挖過程中的圍護結構變形規(guī)律，建立監(jiān)測綜合判定機制，提出變形預警，指導施工，并對支護設計中存在的不足提出建議。

1 工程概況

汕頭市蘇埃通道工程位于已建海灣大橋和礐石大橋之間，起點從汕頭市北岸龍湖區(qū)天山南路與金砂東路交叉口，依次下穿天山南路、中山東路、華僑公園，然后穿越蘇埃灣海域，在南岸汕頭市跳水館西側約200 m處上岸，終點位于虎頭山隧道口，與規(guī)劃的安海路相接。南岸盾構井位于南岸圍堰內部(見圖1)。盾構始發(fā)井為長方形，深 29.66 m，長×寬為 49.9 m×25 m，場地范圍內從上到下穿越地層主要為淤泥、中粗砂、全風化花崗巖、強風化花崗巖。

圖1 圍堰現(xiàn)場圖

2 工程水文地質

盾構始發(fā)井及南岸后配套段處于填海圍堰范圍內，圍堰內地面標高為+2.90～+3.00 m，地層主要為第四系(Q)人工填土層、海積沉積層、海陸交互相沉積、殘積土層及燕山期侵入巖。施工范圍內巖土層軟硬差異大，上部淤泥地層高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強度、強流塑性，易變形失穩(wěn)；中部砂層富水，易發(fā)生涌水、涌砂；下部強風化、中風化巖層巖石強度高，且槽段內有大量潛在孤石(地層中孤石、基巖突起分布不規(guī)則，孤石強度為80～100 MPa，基巖強度為100～140 MPa，巖面起伏變化極大)，施工質量控制難度大，直接影響到基坑開挖的安全。

南岸地下水與地表水呈互補關系。地下水劃分為松散巖類孔隙潛水、松散巖類孔隙承壓水及塊狀巖類裂隙水。區(qū)內地下水的補給，主要為大氣降水和垂直滲入補給。巖性參數(shù)見表1。

表1 地層分類評價表

表1(續(xù))

3 圍護結構設計

3.1 圍護結構設計參數(shù)

盾構井處頂面整平標高為 2.8 m，圍護結構頂(冠梁)標高為 1.7 m，高差采用 1.6 m 高擋墻，擋水墻高度為0.4 m。為保證基坑安全與穩(wěn)定，盾構井(EK6+837.5～+862.5)開挖階段采用連續(xù)墻+內支撐體系，連續(xù)墻厚 1.2 m，采用6層鋼筋混凝土支撐： 第1、2、5、6層混凝土支撐截面高×寬為1 300×1 000 mm，第3、4層混凝土支撐截面高×寬為1 300 mm×1 200 mm。

后配套基坑(EK6+837.5～EK7+050)地下連續(xù)墻墻厚1 m，墻頂設1 m×1 m鋼筋混凝土冠梁；EK6+862.5～EK7+050第1、2層為1 300 mm×1 000 mm的混凝土支撐+4層鋼支撐。

盾構井在盾構始發(fā)階段采用連續(xù)墻+環(huán)框梁的圍護體系。由于盾構始發(fā)，需要拆除內支撐，圍護結構支撐受力轉換為環(huán)框梁受力。在圍護結構頂，冠梁兼做環(huán)框梁，并在冠梁下設置第2層閉合環(huán)框梁。支護結構設計圖如圖2所示?；訃o結構三維立體圖如圖3所示。

(a) 平面布置圖 (單位： mm)

(b) 縱斷面圖 (單位： m)

圖3基坑圍護結構三維立體圖

Fig. 3 3D diagram of retaining structure of foundation pit

3.2 圍護結構計算分析

根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》，連續(xù)墻采用彈性支點法計算模式： 開挖面坑底上部主動側(迎土側)按主動土壓力進行計算，開挖面坑底下部考慮兩側土壓力相抵后形成矩形土壓力荷載，圍護排樁內側的被動土壓力以彈簧進行模擬，其彈性抵抗系數(shù)按“m”法確定。盾構井處(1.2 m 連續(xù)墻)內力及變形計算結果如圖4所示。

圖4 盾構井處內力及變形計算結果圖

Fig. 4 Calculation results of internal force and deformation of shield shaft

根據(jù)坑底土層的工程力學指標進行圍護結構的整體穩(wěn)定性等驗算，計算結果滿足要求。

4 監(jiān)測方案

始發(fā)井及后配套01、02節(jié)監(jiān)測項目如表2所示。基坑開挖期間進行連續(xù)監(jiān)測。測點平面和剖面布置如圖5和圖6所示，監(jiān)測控制標準如表2所示。

表2 基坑施工主要監(jiān)測項目及控制值

圖5 測點布置平面圖

圖6 基坑支撐剖面及軸力測點布置圖

5 監(jiān)測結果分析

對于始發(fā)井及后配套01、02節(jié)基坑施工，重點對基坑圍護結構墻體位移、混凝土支撐軸力、鋼支撐軸力在基坑開挖中的變形規(guī)律進行分析。

5.1 圍護結構深層水平位移分析

深基坑圍護結構的變形控制在施工過程中最關鍵，其側向水平變形與基坑施工過程密切相關。 QT1位于盾構始發(fā)井的始發(fā)方向，QT8位于暗埋段基坑位置，靠近始發(fā)井。為保證盾構安全，要對QT1、QT8 重點監(jiān)測分析。圍護結構施工全過程的墻體水平位移圖如圖7所示?？梢钥闯觯?1)始發(fā)井基坑圍護結構的最大水平位移與開挖深度及時間密切相關，最大水平位移發(fā)生位置隨支撐的依次安裝而逐漸下移，在主體結構完成與內支撐拆除后，圍護結構最大水平位移為 21.9 mm，位于距離基坑頂部19.5 m的位置處，位于基坑北側盾構始發(fā)方向位置； 2)暗埋段最大水平位移變形為13.6 mm，位于距基坑頂部19 m位置。滿足GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)程》中關于圍護樁(墻) 體水平位移容許值為 0.15%H(H為開挖深度)或容許值為 30 mm(兩者取最小值)的要求，說明基坑處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

始發(fā)井基坑東西兩側水平位移曲線圖如圖8所示。

(a) QT1各階段 (b) QT8各階段

正值表示向基坑開挖側的水平位移; 負值表示向基坑外側的水平位移。

圖7始發(fā)井與后配套水平位移曲線圖

Fig. 7 Horizontal displacement curves of launching shaft and back-up supporting

(a) QT4各階段 (b) QT5各階段

圖8始發(fā)井基坑東西兩側水平位移曲線圖

Fig. 8 Horizontal displacement curves of east and west sides of foundation pit in launching shaft

由圖8可以看出： 基坑東西兩側變形呈現(xiàn)出鼓“肚子”變形規(guī)律，基坑西側測點QT4最大變形為13.84 mm，基坑東側測點QT5最大變形為10.97 mm，基坑西側變形大于基坑東側。分析主要原因為： 基坑位于海域填筑圍堰內，海水流向為由西向東(如圖1中箭頭為水流方向)，因水流的動壓作用，基坑西側外的水土壓力大于基坑東側；基坑底部西側設置有集水坑，集水坑開挖后使得坑內作用于連續(xù)墻的土體反壓作用有減??；始發(fā)井基坑西側為鋼支撐、模板、鋼管堆放區(qū)域，存在地面超載，增大側向土體壓力。

5.2 始發(fā)井混凝土支撐軸力

5.2.1 始發(fā)井基坑整體受力情況

始發(fā)井基坑6層支撐在2017年10月開始拆除，拆除前，支撐軸向力表現(xiàn)為基坑西側大于基坑東側，與基坑西側變形大于基坑東側的變形規(guī)律一致，原因相同。始發(fā)井基坑支撐軸力分布如圖9所示。

圖9 始發(fā)井基坑支撐軸力分布圖

5.2.2 始發(fā)井基坑最大受力支撐情況

始發(fā)井基坑6層支撐軸力東側依次為4 902.11、5 057.55、10 311.50、12 940.80、15 656.19、10 523.5 kN；西側依次為7 449.35、7 295.74、14 205.66、16 566.89、15 666.49、13 155.50 kN。由軸力值和圖9可知，第4層和第5層支撐總體受力大。

第4層支撐受力變化可分為如下5個階段: 1)負5層4.39 m從開挖至2017年7月18日完成，第4層支撐軸力受開挖影響軸力先增大，在停止開挖進行第5層支撐施工，沒有新增荷載出現(xiàn)短暫平穩(wěn)狀態(tài)； 2)負6層4.5 m從2017年7月20日到8月1日開挖期間，開挖范圍內第5層支撐強度還處于增長狀態(tài)，第4層支撐限制基坑圍護變化處于主要受力點，使其受力增長較快； 3)負7層3.89 m從2017年8月7日開挖后及配套01節(jié)第6層、第5層鋼支撐拆除后，支撐軸力連續(xù)增長，主要因為基坑開挖和后配套01節(jié)第6層、第5層鋼支撐拆除影響所致； 4)在2017年9月1日到8日始發(fā)井西北側地面進行注漿加固，注漿壓力導致地下連續(xù)墻受力增加，進而傳遞到支撐受力增加，支撐軸力出現(xiàn)第3次快速增加過程； 5)在2017年9月21日后到支撐拆除過程中，第6層支撐拆除后，受力約束傳遞到第4層、第5層，使其受力出現(xiàn)增大，縱向支撐的施作和第5層支撐拆除，受力轉換導致減小。始發(fā)井第4層支撐受力變化曲線圖如圖10所示。

圖10 始發(fā)井第4層支撐受力變化曲線圖(2017年)

第5層支撐受力變化可分為如下4個階段： 1)從2017年7月20日負6層開挖到8月1日，第5層支撐軸力受開挖影響軸力先增大，在停止開挖進行第6層支撐施工，沒有新增荷載出現(xiàn)短暫平穩(wěn)狀態(tài)； 2)從2017年8月7日負7層開挖后及配套01節(jié)第6層、第5層鋼支撐拆除后，支撐軸力連續(xù)增長，主要因為基坑開挖和后配套01節(jié)第6層、第5層鋼支撐拆除影響所致； 3)在2017年9月1日到8日始發(fā)井西北側地面進行注漿加固后，軸力出現(xiàn)第3次增加過程，主要因為注漿導致地下連續(xù)墻受力增加，繼而影響到支撐受力增加； 4)在2017年9月21日后到支撐拆除過程中，第6層支撐拆除后，受力約束傳遞到第4層、第5層，使其受力出現(xiàn)增大，縱向支撐受力，受力轉換導致減小。始發(fā)井第5層支撐受力變化曲線圖如圖11所示。

圖11 始發(fā)井第5層支撐受力變化曲線圖(2017年)

第4層和第5層位于基坑最大水平位移變形范圍，二者支撐受力相近，但第5層支撐斷面小于第4層支撐斷面，故第5層支撐存在的風險比第4層支撐存在的風險大。

5.2.3 后配套支撐拆除對始發(fā)井基坑的影響

根據(jù)施工工序中，后配套第1節(jié)基坑底板完成時，始發(fā)井進行底板及集水坑開挖，后配套逐步拆除第6層、第5層支撐進行結構施工，對始發(fā)井基坑第4層、第5層和01節(jié)第2層影響使支撐受力增大，如圖10—12所示。增加鋼管支撐后，受力變化逐步平穩(wěn)。支撐架設前后對比如圖13所示。

圖12 后配套支撐受力變化曲線圖(2017年)

(a) 支撐增加前

(b) 支撐增加后

5.3 始發(fā)井周邊地表沉降

基坑外側地表沉降主要對基坑北側始發(fā)端頭、西側和東側場地進行監(jiān)測?；铀趪邽槿斯せ靥疃?，地層密實度差，承載力低。為了保證盾構刀盤拼裝和順利始發(fā)，對基坑北側長18 m、寬50 m、深30 m的始發(fā)端頭采用水泥摻量不低于20%的φ850 mm@600 mm咬合三軸旋噴加固；為提高基坑東西兩側地面承載能力，對其進行深8 m、寬12 m、水泥摻量為15%的單軸旋噴樁加固。基坑開挖后，基坑北側沉降在20 mm以內，基坑東西兩側路面相對同步均勻地持續(xù)下沉，超過200 mm以上，且遠大于基坑北側?；又苓叧两惦S時間變化曲線如圖14所示?？梢钥闯觯?基坑東西兩側地表同步持續(xù)相對均勻下沉，地面出現(xiàn)斜坡度逐步增大，沒有出現(xiàn)突然塌陷問題。持續(xù)下沉原因如下： 地層密實度差，自身存在固結沉降；地層承載力差，受地面重型機械等荷載作用，加速地層固結沉降，基坑主體結構完成后，對基坑東西兩側地面進行重新澆筑混凝土，保持地面平整，基坑結構穩(wěn)定，基坑周邊總體安全。

5.4 始發(fā)井周邊水位變化

基坑外共布設5個水位觀測孔。在基坑開挖期間，坑內通過管井降水，坑外地下水位隨時間變化上下波動，基坑北側水位隨基坑開挖逐步下降，在負4層開挖期間，水位基本保持穩(wěn)定，在底板封閉完成后，水位開始上升并趨于平衡；基坑東側波動較大，主要是由于地表水流入水位監(jiān)測孔影響，基坑東西兩側水位下降小，說明基坑連續(xù)墻施工中，東西兩側封閉性比北側好，基坑開挖中北側連續(xù)墻有滲水出現(xiàn)?；娱_挖完成后，對連續(xù)墻滲水進行了有效封堵。地下水位隨時間變化曲線如圖15 所示。

圖14 始發(fā)井基坑周邊地表沉降曲線圖(2017年)

圖15 始發(fā)井基坑周邊水位變化曲線圖(2017年)

6 結論與討論

1)制定合理的圍護結構參數(shù)，預測施工中的變形情況，預判基坑開挖中最大風險位置，針對性增強對應部位的支撐體系，保證圍護結構體系安全。

2)在海域上軟下硬地層中，基坑圍護結構水平位移與支撐軸向力都表現(xiàn)了基坑西側大于基坑東側的變形規(guī)律。建立以圍護結構水平位移為主、支撐軸力和地面沉降為輔的監(jiān)測預警機制，既保證施工安全，又防止出現(xiàn)誤預警。

3)始發(fā)井受力中第4層和第5層受力基本相同，但第5層支撐截面小于第4層支撐截面。在后續(xù)類似工程中，應增大第5層支撐斷面，增強第5層支撐的承受荷載能力。

4)在始發(fā)井與暗埋段相接位置，施工工序影響支撐受力穩(wěn)定。后續(xù)類似施工中，宜在相接位置暗埋段增加混凝土支撐，增強相接位置受力穩(wěn)定性。