某軌道交通明挖區(qū)間基坑開(kāi)挖與監(jiān)測(cè)分析

孟前程 （中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100）

近年來(lái)，基坑工程越來(lái)越復(fù)雜，特別是城市隧道、城市地鐵的大規(guī)模建設(shè)，以及復(fù)雜的地下環(huán)境和周圍建筑物的影響，這使得基坑周圍環(huán)境和基坑支護(hù)體系不僅受到基坑內(nèi)施工工況的影響，而且受到周圍基坑施工影響。本文結(jié)合某城市軌道交通2號(hào)線區(qū)間明挖段基坑，分析了施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了基坑施工過(guò)程中基坑支撐形式、支撐軸力的變化規(guī)律，分析了基坑中支撐軸力增大的影響因素，得出了一些有益的結(jié)論，可供類似工程施工借鑒。

1 工程概況

某軌道交通工程區(qū)間為全部地下明挖段，并在基坑范圍設(shè)置隔斷樁將基坑劃分為6個(gè)開(kāi)挖區(qū)段，本文重點(diǎn)研究施工三區(qū)基坑工程，如圖1所示。

圖1 地下區(qū)間區(qū)段劃分圖

該地下區(qū)間段全長(zhǎng)869.587m，采用單層雙（單）跨箱型結(jié)構(gòu)，基坑埋深3.00～16.38m，基坑寬13.40～28.83m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用灌注樁+內(nèi)支撐體系，如圖2所示。灌注樁φ1000@1200mm，樁間設(shè)旋噴樁止水，旋噴樁樁徑φ600mm，樁端進(jìn)入不透水層3-23不小于1.5m，內(nèi)支撐系統(tǒng)豎向設(shè)1～3道支撐。第一、二道為800×1000mm鋼筋混凝土支撐，水平間距9.0m；其余采用φ800mm，t=16mm鋼支撐，水平間距3.0m。鋼圍檁采用雙拼45a工字鋼焊接而成，牛腿采用75×75mm角鋼。本區(qū)間基坑灌注樁嵌固段位于硬塑狀粉質(zhì)粘土層和泥質(zhì)砂巖層，嵌固深度取3.1～7.7m，地下水位埋深0～5.8m。

圖2 區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)段斷面圖

施工三區(qū)暗挖進(jìn)洞處基坑端頭井及標(biāo)準(zhǔn)段區(qū)間，采用混凝土斜撐和鋼斜撐加固，端頭井基坑深16.2m,寬度26.1m，長(zhǎng)度19.4m；標(biāo)準(zhǔn)段寬度22.1m，如圖3所示。

2 基坑開(kāi)挖與監(jiān)測(cè)

圖3 區(qū)間端頭井及標(biāo)準(zhǔn)段平面圖

基坑開(kāi)挖采用普通挖機(jī)開(kāi)挖土方，長(zhǎng)臂挖機(jī)出土，人工配合清底。施工中為提高工效，采用臺(tái)階接力式開(kāi)挖，縱向拉槽，兩側(cè)預(yù)留寬2m平臺(tái)。具體是開(kāi)挖第一層土方時(shí)，將第二層的中間部分土體挖除，留設(shè)2m寬的工作平臺(tái)，便于架設(shè)支撐、掛網(wǎng)噴錨，放坡坡度不小于1∶1，開(kāi)挖第二層土方時(shí)，將第三層的中間部分土體挖除，依次類推。第一層和第二層開(kāi)挖時(shí)可各分兩小層開(kāi)挖，每小層開(kāi)挖高度為3m，放坡坡度不小于1∶1。

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

三區(qū)端頭井17～20軸自第二層混凝土支撐澆筑完成至5月30日基坑開(kāi)挖到第三層鋼支撐架設(shè)深度，期間支撐軸力 ZL17-2、ZL18-2、ZL19-2、ZL20-2增大 7064.6kN、3460.1 kN、3324.0 kN、669.3 kN。

自5月底至6月9日基坑暫停開(kāi)挖，6月7日完成第三層鋼支撐架設(shè)，但未達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)加軸力值，期間支撐軸力 ZL17-2、ZL18-2、ZL19-2、ZL20-2 到達(dá)9266.3kN、9188.1 kN、9704.1 kN、7124.1 kN。

自6月10日至6月14日，在未達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)加軸力值的情況下，開(kāi)挖至設(shè)計(jì)底板深度，并于6月12日底板澆筑完成，6月14日軸力ZL17-2、ZL18-2、ZL19-2、ZL20-2 分 別 為 16249.0kN、10480.1kN、12511.8 kN、8616.9 kN。

自6月15日至7月4日，支撐軸力ZL17-2、ZL18-2、ZL19-2、ZL20-2 穩(wěn)定在 17103.9kN、11498.7 kN、11756.2 kN、9456.9kN。如表 1所示。

各測(cè)點(diǎn)軸力實(shí)測(cè)值 表1

由圖4可知，各第二道混凝土支撐軸力在前15d時(shí)明顯增大，之后逐漸趨于平穩(wěn)，ZL17-2軸力變化明顯大于其他混凝土支撐軸力，可能受到鋼筋計(jì)的溫度應(yīng)力釋放影響，增大的速率明顯大于其他支撐，在第10d左右ZL17-2支撐軸力趨于平緩，而其他三個(gè)混凝土支撐變化規(guī)律一致，進(jìn)一步表明ZL17-2支撐軸力出現(xiàn)異常增大并非正常基坑出現(xiàn)預(yù)警。

圖4 軸力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

表2可以看出，端頭井ZL17-2、ZL18-2最大軸力為設(shè)計(jì)軸力控制值 6倍，ZL19-2、ZL20-2、ZL21-2最大軸力為設(shè)計(jì)軸力3～4倍，而實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)的墻頂水平位移、深層水平位移、地表沉降等均在合理設(shè)計(jì)控制變化范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)對(duì)端頭井圍護(hù)結(jié)構(gòu)第二層混凝土斜撐軸力計(jì)算，根據(jù)分析結(jié)果，在不考慮第三層鋼支撐的情況下，第二層斜撐最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值為7155kN。在第二層混凝土斜支撐中間增設(shè)一道鋼支撐，增設(shè)支撐完成后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定即可進(jìn)行下一步工序施工。

各測(cè)點(diǎn)支撐軸力實(shí)測(cè)值 表2

4 討論

設(shè)計(jì)自重鋼筋混凝土重度按γ=25kN/m3。側(cè)向水土荷載采用朗肯土壓力理論，粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粘土水土合算，砂性土水土分算。地面超載計(jì)算時(shí)考慮地面超載20kPa。

土體物理力學(xué)參數(shù) 表3

臨界深度的判定：

式中γ為各土層的重度、γ3為粉質(zhì)粘土重度、H為土層總厚度、q為地面超載、Ka3為主動(dòng)土壓力系數(shù)、c3為粉質(zhì)粘土粘聚力、kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)。

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)范》得，臨界深度為：

Z0=2c/(γ√(ka1)-q/γ)

式中Z0臨界深度、c為素填土粘聚力、γ素填土重度、ka1為主動(dòng)土壓力系數(shù)、q表示地面超載，代入數(shù)值得Z0=-0.086m＜0。而圍護(hù)樁不存在負(fù)側(cè)壓力區(qū)，如按梯形截面算，則原地面土壓力為；

Pa=(γ1h0+q)ka1-2c1√(ka1)

式中Pa土壓力、h0土體厚度、ka1為主動(dòng)土壓力系數(shù)、c1為粉質(zhì)粘土粘聚力。代入數(shù)值得Pa=1.1kPa。

基底主動(dòng)土壓力；

Pa主=(γ1h1+γ2h2+γ3h3+q)ka3-2c3√(ka3)

代入數(shù)值得Pa主=160.3kPa。

基底被動(dòng)土壓力；

Pa被=2c3√(kp)

代入數(shù)值得Pa被=104.3kPa。

則基底土壓力為56kPa。

圖5 圍護(hù)樁土壓力分布圖

圍護(hù)樁按照等值梁法進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，結(jié)構(gòu)采用有限元軟件MIDAS建立力學(xué)模型，其中腰梁看作圍護(hù)樁自身的約束。結(jié)構(gòu)按照兩種工況進(jìn)行計(jì)算分析,如圖 6、7所示。

工況一圍護(hù)樁按照原設(shè)計(jì)設(shè)置三道腰梁和內(nèi)支撐。工況二假設(shè)第三道腰梁和內(nèi)支撐失效。

根據(jù)圍護(hù)樁支反力驗(yàn)算的結(jié)果，將腰梁及內(nèi)支撐同樣分兩種工況進(jìn)行計(jì)算分析。

根據(jù)以上分析結(jié)果可知，在不考慮第三層鋼支撐的情況下，第二層斜撐最大軸力標(biāo)準(zhǔn)值為7155kN。以上結(jié)果未考慮地下水位的影響。

圖6 工況一與工況二結(jié)構(gòu)計(jì)算模型對(duì)比

圖7 工況一與工況二圍護(hù)樁支反力對(duì)比圖

圖8 工況一與工況二腰梁及內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算模型對(duì)比圖

圖9 工況一與工況二腰梁及內(nèi)支撐軸力對(duì)比圖

5 結(jié)語(yǔ)

由于現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境復(fù)雜，通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬，該區(qū)間基坑開(kāi)挖混凝土斜撐軸力一直增大的因素包括：①由于基坑周圍地下水水位較高，基坑內(nèi)外降水不及時(shí)產(chǎn)生過(guò)大的水壓，其水壓力通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞給冠梁，再傳遞給混凝土支撐導(dǎo)致混凝土支撐軸力變大。②混凝土支撐軸力最大處即第二層混凝土支撐位置，樁的破壞截面處是土層分層截面，土壓力出現(xiàn)變化導(dǎo)致支撐軸力突變。③現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)用樁的測(cè)斜代替土體的測(cè)斜，這樣不能準(zhǔn)確得出土體測(cè)斜位移,而測(cè)量出的位移可能偏小導(dǎo)致計(jì)算的土體側(cè)向壓力偏小。④由于鋼支撐及鋼圍檁在安裝架設(shè)過(guò)程中軸線存在誤差，導(dǎo)致鋼支撐并沒(méi)有實(shí)際產(chǎn)生支撐軸力，而土和水側(cè)向壓力都由上層混凝土支撐承受從而混凝土支撐軸力變大。⑤混凝土支撐內(nèi)的鋼筋計(jì)直接焊接在鋼筋籠上，焊接過(guò)程中產(chǎn)生的溫度應(yīng)力在逐漸釋放過(guò)程中進(jìn)行施工，導(dǎo)致應(yīng)力計(jì)不可確定性的軸力數(shù)值過(guò)大。⑥現(xiàn)場(chǎng)混凝土支撐表面只有2個(gè)鋼筋計(jì)，應(yīng)布置4個(gè)鋼筋計(jì)，可以相互驗(yàn)證是否為鋼筋計(jì)本身問(wèn)題。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)神蕪區(qū)間三區(qū)基坑工程軸力過(guò)大問(wèn)題提出了處理措施，先做底板增加基底安全性，同時(shí)在混凝土支撐和鋼支撐用反力計(jì)測(cè)量，完成底板澆筑。拆支撐同時(shí)觀測(cè)其余支撐軸力變化。最后由設(shè)計(jì)單位復(fù)核，后期以結(jié)構(gòu)安全值和土壓力值兩者結(jié)合作為支撐軸力參考值。

本工程地質(zhì)條件復(fù)雜，施工程序繁雜，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)支撐軸力過(guò)大通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析、理論計(jì)算以及數(shù)值模擬等方式對(duì)其研究，同時(shí)分析了導(dǎo)致基坑開(kāi)挖支撐軸力過(guò)大的各種因素，為類似基坑開(kāi)挖支撐結(jié)構(gòu)工程提供了具有重要價(jià)值的參考。