濱江軟土地層逆作法深基坑變形及控制研究

謝 俊

(1.中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063；2.水下隧道技術國家地方聯合工程研究中心 湖北武漢 430063）

1 引言

盾構法自問世以來，特別是隨著現代盾構技術的發展，因其掘進速度快、施工高效安全、對周圍環境影響小等特點在地下工程的開發中獲得了越來越廣泛的應用[1-3]。傳統盾構法隧道中，兩端需構筑始發及接收井以滿足設備的始發及接收需要，始發及接收井通常采用明挖法施工，采用順作或逆作的方式開挖。對環境控制嚴格的區域而言，逆作法具有變形小、環保效果好、適用性強等優點，越來越多地被采用，并在全國得到了推廣[4-8]，也隨之被越來越多的工程技術人員關注，被學者們研究。

傅立新等[9]依托汕頭海灣隧道工程，對始發井逆作及盾構始發兩種工況進行有限元模擬分析，結合現場實測，對基坑土體變形和支護內力進行了研究。彭斌等[10]依托南京2號線蘇盧站基坑，對圓礫層深基坑開挖過程采用數值模擬和現場實測開展研究，對盾構始發井段及標準段的地連墻變形進行了分析。李克先等[11]對某公路隧道盾構始發段深基坑圍護墻(樁）的位移、內力、混凝土支撐軸力、地表沉降、水位等監測結果進行了分析研究。

本文依托某濱江軟土隧道基坑工程，通過有限差分軟件對逆作接收井基坑施工全過程進行了模擬，結合現場監測數據對基坑變形規律及變形控制進行了分析。

2 工程概況

2.1 基坑概況

某過江通道工程接收井位于蘇通大橋西側。場區地勢平坦，場平標高3.5 m。接收井平面外包尺寸為25.9 m ×32.4 m，工作井底標高-25.75 m，圍護結構采用鋼筋混凝土地下連續墻，墻深48.0 m、厚1.2 m，為永久結構，如圖1所示。

圖1 基坑現場施工

2.2 工程及水文地質

接收井場址位于長

江三角洲近前緣地帶，具河口段沉積物特點，地層從上到下依次為粉細砂、粉砂夾粉土、粉砂、粉質黏土混粉土、粉細砂等。本工程擬建站址區氣候溫暖濕潤，降雨量充沛、地勢平坦，有利于大氣降水的入滲補給，且站址區瀕臨長江，地表水資源豐富。地下水水位主要受大氣降水和地表水體的影響，并與長江水形成密切補給關系，呈季節性變化，地下水主要為潛水和承壓水。

2.3 支護結構設計方案

接收井圍護采用1.2 m厚C35地下連續墻，每幅連續墻內設兩根直徑50 mm，壁厚3 mm的注漿管，注漿管伸入連續墻墻底，混凝土澆筑4～6 d后壓注水泥漿(水泥采用P.O42.5，漿液水灰比0.5～0.6，注漿壓力 2 ～4 MPa），單管注漿2.5 m3，抗滲等級P12，連續墻與主體結構的側墻采用共同受力的疊合墻形式，端頭加固范圍外包0.8 m厚C15素墻。接收井地連墻接縫采用φ800@500 mm三管旋噴樁止水，旋噴樁與地連墻咬合300 mm，深度比地連墻淺2 m。基坑平面縱向上設置兩道對撐，同時各角部設置角撐，對撐結構下方設置豎向支承，采用4L180×16型鋼格構柱。支撐采用鋼筋混凝土結構，豎向共設五道，各道支撐均采用C40補償收縮混凝土，與支撐相接的各道圍檁(含冠梁）采用C40補償收縮防水混凝土，第一～三道圍檁抗滲等級P8，第四～五道圍檁抗滲等級P10。

3 逆作法施工數值仿真

3.1 有限元模型及計算工況

采用有限差分軟件模擬分析了某濱江軟土地區深基坑逆作法開挖的全過程，研究了其變形規律及控制措施。根據國內外對深基坑工程的研究，基坑開挖引起的地表沉降范圍一般不超過5倍基坑開挖深度，故數值仿真中構筑的三維模型尺寸為150 m×150 m ×60 m，具體如圖2所示。因基坑開挖前已進行采取井點降水措施，故在模擬中未考慮地下水的影響。計算模型邊界約束如下:地表自由，縱橫向及底面均施加法向位移約束。地層物理力學性質指標見表1。

圖2 整體計算模型側視圖

表1 地層物理力學性質指標

3.2 施工步驟

工況一:冠梁澆筑-負一層開挖-二道撐澆筑-側墻澆筑；工況二:負二層開挖-三道撐澆筑-側墻澆筑；工況三:負三層開挖-四道撐澆筑-側墻澆筑；工況四:負四層開挖-五道撐澆筑-側墻澆筑；工況五:負五層開挖-負五層底層澆筑-側墻澆筑。

4 逆作法施工監測方案

4.1 監測內容及監測點布設

根據相關規范及設計要求，本工程監測內容分別為:地表沉降、圍護結構墻頂沉降、立柱豎向位移、圍護結構水平位移、砼支撐軸力、圍護結構水平位移。監測點平面布置如圖3所示。

圖3 基坑監測項目及監測點平面布置示意

4.2 監測項目控制值

監測項目控制值如表2所示，正負值規定如下:圍護墻頂沉降、立柱豎向位移、地下水位“-”為下降、“+”為上升；地表沉降“-”為上升、“+”為下降、圍護墻體水平位移“-”為向基坑外、“+”為向基坑內；砼支撐軸力本次頻率大于初始頻率，鋼筋計標定系數K值取“+”代表砼支撐受拉，K值取“-”，代表砼支撐受壓。

表2 監測項目的控制值

5 數值及實測分析對比

5.1 地連墻變形對比

5.1.1 地連墻水平變形規律

選取地連墻兩處典型位置測點處的水平位移曲線進行分析，對應的測斜曲線如圖4所示，各工況具體對應的施工操作詳見3.2節所述。

由圖4可以看出，對本工程而言基坑圍護墻體最大水平位移出現在基坑底部，且表現為向坑內位移；隨開挖深度的增加，離基坑頂部0～20 m的墻體水平位移逐漸由坑內發展到坑外，墻體水平位移最大值出現的位置逐漸上移，證明隨著基坑開挖，圍護墻及內部砼支撐結構體系在內部開挖卸載及外側地層壓力作用下產生了較為顯著的變形。

墻體水平位移最大值δmax隨開挖深度H的增加而增大，開挖至基底28.95 m時，水平位移最大值δmax為90.5 mm，超過設計控制值，但小于《建筑基坑工程監測技術規范》(GB 50497-2009）中相對基坑深度控制值，對比文獻[12]僅小于上海國際旅游度假區核心區管理中心工程(17.5 m深）的159.8 mm。

5.1.2 數值模擬與實測地連墻水平變形對比

由圖5可知，數值計算結果與現場監測結果水平位移數值相差不大，但整體規律有一定差異。

圖5 地連墻（ZQT01）水平變形曲線（計算值）

數值計算中圍護墻整體向基坑內側位移，實測數據顯示，伴隨基坑開挖深度的增加，開挖面位置墻體向基坑內側位移，但開挖面以上圍護墻向基坑外側位移，與數值計算結果有顯著差異，具體原因在后續研究中需進一步開展分析。

5.2 基坑外地表沉降變形對比

由基坑圍護邊由近及遠(距基坑距離為3、8、18、38、73 m，測點編號 DB1-1 ～DB1-5）選取5 個地表沉降測點，對應各工況各測點的時程曲線及沉降曲線如圖6、圖7所示。

圖6 基坑周圍地表沉降時程曲線（實測值）

圖7 基坑周圍地表沉降曲線（實測值）

由圖6得，初始地表最大沉降發生距離基坑邊3 m的DB1-1測點，隨著基坑持續開挖，最大沉降點向遠離基坑側發展，為距基坑邊8 m的DB1-2測點，沉降值為69.8 mm。基坑開挖的影響范圍較大，距基坑邊38 m的DB1-4測點沉降值伴隨基坑的開挖，沉降值顯著增大；距坑邊73 m(約2.5倍基坑開挖深度）的DB1-5測點受到開挖的影響較小。DB1～DB4監測點的變化趨勢及最終沉降曲線形態類似，都是隨開挖深度加深而逐步增大，在工況四結束后趨于穩定。

在數值模擬中，提取出五個工況下基坑周邊的地表沉降位移，具體如圖8所示。從圖可以看出，除了臨近基坑3 m的DB1-1測點外，測點離基坑越近，測點沉降值越大，離基坑距離越遠，沉降影響程度越小。每一工況下，地表沉降變化曲線、變化趨勢均相似，整體變化趨勢類似于小的勺形。

圖8 基坑周圍地表沉降曲線時程圖（計算值）

對DB1-1測點而言，距離圍護墻3 m，一定程度上受到地連墻與土體的摩阻力影響，地表沉降受到一定約束，限制了沉降位移的發展，無論是數值計算還是實測數據均顯著反映了這種趨勢。

5.3 砼支撐受力的計算與監測結果對比

選取基坑第一道支撐Z1-1(6 m斜撐），Z1-3(20 m直撐）的實測與計算軸力進行對比。實測與計算軸力值分別見圖9、圖10。

圖9 第一層砼支撐軸力時程曲線（實測值）

圖10 第一層砼支撐軸力時程曲線（計算值）

由圖9可知，第一道斜撐與第一道直撐的軸力變化趨勢基本一致，斜撐所受到的軸力是直撐的約1.5倍。在工況二架設第二層支撐后，第一層砼支撐軸力基本穩定，變化不大。對比圖9及圖10可得，數值模擬與實測的軸力變化規律上基本一致。

6 結論

本文以某濱江軟土地區深基坑工程為背景，采用數值模擬與現場監測相結合的方法研究了逆作法基坑的變形規律及變形控制，主要結論如下:

(1）逆作法基坑開挖過程中，地連墻最大水平位移、周圍地表沉降、砼支撐軸力等的計算結果和監測結果的變化趨勢一致，但又有所差異。

(2）基坑周邊地表沉降，圍護結構水平位移等數據均伴隨基坑的開挖深度的增大而增大，同時圍護結構水平變形逐步下移，2.5倍基坑深度以外的范圍受基坑開挖的影響不大。

(3）圍護結構水平位移與施工開挖的深度緊密關聯，基坑開挖至某一深度時，圍護墻已開挖面附近為界限，上、下部位移發展趨勢不同，上部向基坑外側，下部向基坑內側；整體基坑向內位移最大值達90.5 mm，超過設計控制值，但小于《建筑基坑工程監測技術規范》(GB 50497-2009）中的控制值，在位移值超限后應采取加大監測頻率，加強現場巡視等措施加強實時反饋，以策安全。

(4）實際工程中土體力學特性的復雜、施工質量及時空效應等多種因素在數值模擬中無法完全予以考慮，使得計算及監測結果存在一定差異，如何使得計算結果更貼近于實際工程，以便更精確開展施工預測，是今后需進一步深入研究的問題。