海域圍堰復雜地質深基坑支護的變形規律分析

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，基礎建設事業得以飛速發展，加之城市人口數量不斷增長，城市土地的使用價格愈來愈高，城市的規劃向著地下空間的開發和利用發展；同時，城市的快速發展，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，基坑面臨的地質情況越發復雜。

在軟土地區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象，在基坑支護中出現了吊腳樁問題[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闡述; 劉紅軍等[11]對土巖組合地層基坑工程變形進行了監測分析，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]探索了軟土地區深大基坑工程施工對基坑周圍環境的擾動影響； 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境下上軟下硬復雜地層深基坑施工期間的全過程變形規律進行分析。

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，導致基坑結構出現安全風險的問題，本文以蘇埃通道工程始發井及后配套基坑施工為背景，全過程分析盾構始發井及后配套開挖過程中的圍護結構變形規律，建立監測綜合判定機制，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 圍堰現場圖

2 工程水文地質

盾構始發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；中部砂層富水，易發生涌水、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。巖性參數見表1。

表1 地層分類評價表

表1(續)

3 圍護結構設計

3.1 圍護結構設計參數

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定，盾構井(EK6+837.5～+862.5)開挖階段采用連續墻+內支撐體系，連續墻厚 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。

盾構井在盾構始發階段采用連續墻+環框梁的圍護體系。由于盾構始發，需要拆除內支撐，圍護結構支撐受力轉換為環框梁受力。在圍護結構頂，冠梁兼做環框梁，并在冠梁下設置第2層閉合環框梁。支護結構設計圖如圖2所示。基坑圍護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JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》，連續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，其彈性抵抗系數按“m”法確定。盾構井處(1.2 m 連續墻)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

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

4 監測方案

始發井及后配套01、02節監測項目如表2所示。基坑開挖期間進行連續監測。測點平面和剖面布置如圖5和圖6所示，監測控制標準如表2所示。

表2 基坑施工主要監測項目及控制值

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 監測結果分析

對于始發井及后配套01、02節基坑施工，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位于盾構始發井的始發方向，QT8位于暗埋段基坑位置，靠近始發井。為保證盾構安全，要對QT1、QT8 重點監測分析。圍護結構施工全過程的墻體水平位移圖如圖7所示。可以看出： 1)始發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《建筑基坑工程監測技術規程》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定狀態。

始發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出鼓“肚子”變形規律，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墻的土體反壓作用有減小；始發井基坑西側為鋼支撐、模板、鋼管堆放區域，存在地面超載，增大側向土體壓力。

5.2 始發井混凝土支撐軸力

5.2.1 始發井基坑整體受力情況

始發井基坑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律一致，原因相同。始發井基坑支撐軸力分布如圖9所示。

圖9 始發井基坑支撐軸力分布圖

5.2.2 始發井基坑最大受力支撐情況

始發井基坑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，沒有新增荷載出現短暫平穩狀態； 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，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節第6層、第5層鋼支撐拆除后，支撐軸力連續增長，主要因為基坑開挖和后配套01節第6層、第5層鋼支撐拆除影響所致； 4)在2017年9月1日到8日始發井西北側地面進行注漿加固，注漿壓力導致地下連續墻受力增加，進而傳遞到支撐受力增加，支撐軸力出現第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。始發井第4層支撐受力變化曲線圖如圖10所示。

圖10 始發井第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，沒有新增荷載出現短暫平穩狀態； 2)從2017年8月7日負7層開挖后及配套01節第6層、第5層鋼支撐拆除后，支撐軸力連續增長，主要因為基坑開挖和后配套01節第6層、第5層鋼支撐拆除影響所致； 3)在2017年9月1日到8日始發井西北側地面進行注漿加固后，軸力出現第3次增加過程，主要因為注漿導致地下連續墻受力增加，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，使其受力出現增大，縱向支撐受力，受力轉換導致減小。始發井第5層支撐受力變化曲線圖如圖11所示。

圖11 始發井第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井基坑的影響

根據施工工序中，后配套第1節基坑底板完成時，始發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，對始發井基坑第4層、第5層和01節第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。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 始發井周邊地表沉降

基坑外側地表沉降主要對基坑北側始發端頭、西側和東側場地進行監測。基坑所在圍堰為人工回填而成，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，對基坑北側長18 m、寬50 m、深30 m的始發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下沉，超過200 mm以上，且遠大于基坑北側。基坑周邊沉降隨時間變化曲線如圖14所示。可以看出： 基坑東西兩側地表同步持續相對均勻下沉，地面出現斜坡度逐步增大，沒有出現突然塌陷問題。持續下沉原因如下： 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，基坑結構穩定，基坑周邊總體安全。

5.4 始發井周邊水位變化

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測孔影響，基坑東西兩側水位下降小，說明基坑連續墻施工中，東西兩側封閉性比北側好，基坑開挖中北側連續墻有滲水出現。基坑開挖完成后，對連續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 始發井基坑周邊地表沉降曲線圖(2017年)

圖15 始發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，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了基坑西側大于基坑東側的變形規律。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測預警機制，既保證施工安全，又防止出現誤預警。

3)始發井受力中第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)在始發井與暗埋段相接位置，施工工序影響支撐受力穩定。后續類似施工中，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定性。