過江隧道超深基坑開挖與監(jiān)測分析

黃曉康，周剛 （安徽省蕪湖市軌道（隧道）交通工程質量安全監(jiān)督站，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

隨著城市化經(jīng)濟的發(fā)展，為解決城市交通壓力，盾構隧道交通建設已經(jīng)成為城市緩解城市交通擁堵的必然選擇，地下隧道交通建設往往涉及一些深大基坑工程。基坑開挖會使基坑圍護結構以及地表等產(chǎn)生水平與豎向變形，大大增加了基坑開挖的不安全性。為預測基坑開挖變形及圍護結構的受力影響，采取安全可靠的開挖方式與支護結構，保證一些深基坑安全的施工，國內外大量學者通過分析各種基坑工程實測數(shù)據(jù)和數(shù)值分析，研究了基坑圍護結構變形、地表沉降規(guī)律，為解決基坑開挖安全合理性提供了很多的參考價值。

衛(wèi)海通過對基坑工程和地下工程作業(yè)造成的環(huán)境破壞及災害進行了分類，并針對實際工程中常遇到的問題提出一些控制措施。黃茂松等主要探討深基坑典型地下工程涉及的關鍵土工問題，對軟土基坑工程的分析方法與新技術，包括基坑圍護結構受力分析、基坑抗隆起穩(wěn)定性分析和滲流對基坑穩(wěn)定性的影響等問題進行研究。廖少明等和丁智等通過對地區(qū)的基坑工程實例監(jiān)測數(shù)據(jù)，全面地對比分析基坑開挖時采用不同支護結構、不同深基坑的變形性狀以及支撐軸力監(jiān)測方案。張磊等，霍潤科等和連寶琴等通過對車站基坑開挖施工過程中的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和FLAC3D軟件對基坑開挖過程進行數(shù)值模擬，將實測數(shù)據(jù)與模擬結果進行對比分析，兩者結果都比較吻合。驗證施工開挖的合理性。黃銀銀等，葉任寒等和魏綱等主要通過對施工現(xiàn)場基坑開挖的實測數(shù)據(jù)分析，研究開挖過程中基坑變形和地表位移等變化規(guī)律，以提供后續(xù)支撐結構的軸力預警范圍。鄭剛等，朱衛(wèi)東和鄭杰明等利用環(huán)梁形式的水平支撐體系設置了不同的環(huán)梁支撐平面布置方案，結合數(shù)值模擬軟件實現(xiàn)了局部構件破壞時水平支撐結構體系的連續(xù)破壞模擬和整體破壞荷載確定，以及基坑變形和地表沉降的形態(tài)。胡軍等，張愛軍等，施有志等和陳昆等主要針對基坑開挖卸荷對基坑周邊的樁基以及一些建筑物的影響，通過對基坑圍護樁位移、內支撐的軸力、地下水位的變化、地表沉降、地下管線沉降以及橋墩基礎的沉降等進行現(xiàn)場監(jiān)測，以此推測對周邊建筑物的影響特點。

以上學者研究成果為今后基坑開挖的安全性提供了許多寶貴的參考意見。但近年來，隨著基坑工程深度、規(guī)模的不斷增大，水文地質環(huán)境的復雜性以及對周邊建筑物的影響，使很多基坑在開挖過程中，支護體系的穩(wěn)定性和開挖的安全性受到很大的影響。本文結合安徽省第一條過江隧道——皖江第一隧超深基坑工程，分析了施工監(jiān)測數(shù)據(jù)對基坑開挖施工過程中基坑支護結構變形、支撐軸力、地表沉降以及在汛期采取的灌水反壓措施對基坑穩(wěn)定性的變化規(guī)律，得出了一些有益的結論。

1 工程概況

皖江第一隧項目全長設計5.965km，隧 道 長 4.945km（ 直 徑14.93m泥水平衡盾構機施工盾構段長3.967km），南北接線道路總長1.02km。江北段包括：江北工作井、江北明挖暗埋段、江北敞開段，設計里程YK1+900～YK2+422.6，全長 522.6m，圍護結構采用地下連續(xù)墻、SMW工法樁。

工 作 井 設 計 里 程 YK2+357.1～YK2+422.6，NMW15 平 面 尺 寸 為25.5m×45.8m，開挖深度為 27.4m，地下 連 續(xù) 墻 為 寬 1.2m、高 51.5m，NMW14 平面尺寸寬為 31.8～33.6m，長 42.4m，地下連續(xù)墻為寬 1.0m、高22.3～24.0m，支撐體系采用4層混凝土支撐和1層鋼支撐，如表1所示，基坑圍護結構斷面圖如圖1所示。

支撐布置體系 表1

圖1 圍護結構斷面圖

2 監(jiān)測方案

本工程江北明挖段監(jiān)測范圍確定為2H（H為基坑開挖深度），基坑在開挖階段監(jiān)測項目較多，本文選取工程中具有代表性的工作井基坑進行監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，具體分析的監(jiān)測內容主要包括：基坑地下地連墻水平位移、立柱與地下地連墻豎向位移；周圍地表沉降變形；支撐軸力以及周圍巖土體和周邊環(huán)境等。具體的測點布置如圖2所示。

圖2 基坑監(jiān)測點平面示意圖

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 地下地連墻水平位移分析

重點分析地連墻水平方向的位移隨開挖進程的變化。由于汛期期間采用灌水反壓的措施控制基坑變形，故將地連墻的水平位移變化分為三個階段，分別為灌水反壓前后以及灌水反壓期間來進行地連墻水平位移隨基坑開挖進程的變化規(guī)律分析。

圖3為監(jiān)測點ZQS-1～ZQS-4在整個基坑開挖和灌水反壓階段的墻頂?shù)乃轿灰谱兓?guī)律。由圖3可以發(fā)現(xiàn)ZQS-1～ZQS-4處水平位移呈現(xiàn)先增大后減小，之后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，最大值分別約為18mm、17.5mm、23mm和20mm。在灌水反壓期間（日期7.11-8.31，下同），ZQS-1和ZQS-4處水平位移變化規(guī)律是由小幅度上升，后變?yōu)橹饾u趨于穩(wěn)定；ZQS-2和ZQS-3處水平位移則是由先緩慢下降，后變?yōu)橼呌诜€(wěn)定。

圖3 ZQS-1～ZQS-4處墻頂?shù)乃轿灰?/p>

圖4為監(jiān)測點ZQT-2處墻體的水平位移變化規(guī)律。由圖4可以發(fā)現(xiàn)在灌水反壓之前，地連墻的水平位移隨著開挖進度的進行出現(xiàn)明顯的增長，增長速率由快變慢，并在灌水反壓前達到最大，ZQT-2處地連墻的水平位移最大值為17.67mm，最大值點在距地連墻頂1m處。在灌水反壓期間，地連墻的水平位移不再增加，而是在逐漸減小，已經(jīng)發(fā)生的變形有不同程度的恢復，并在灌水反壓后期逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在灌水反壓結束后，地連墻的水平位移隨著基坑開挖深度的增加基本無變化，墻體的水平位移穩(wěn)定在11mm附近。表明灌水反壓措施能夠很好地控制基坑圍護結構的水平位移，保護基坑安全穩(wěn)定。

圖4 灌水反壓前后ZQT-2處墻體水平位移

3.2 立柱與地下地連墻豎向位移分析

基坑開挖過程中，基坑底部和周圍的應力場重新分布，原有的應力平衡體系被破壞，冠梁和立柱不可避免地產(chǎn)生豎向位移，立柱結構和地連墻頂部的沉降數(shù)據(jù)，能較全面立體地反映主體結構的位移及變形情況。

圖5為監(jiān)測點LZC-1與LZC-2處的立柱沉降變化規(guī)律圖，圖6為監(jiān)測點ZQC-1～ZQC-4處的墻頂沉降變化規(guī)律圖。由圖5可知，在基坑開挖前期，坑底的卸荷回彈量較小，立柱由于自重與土壓力變化而產(chǎn)生沉降，隨著開挖深度的增加，坑底的卸荷回彈量逐漸增大，由于樁土之間的摩擦力，帶動立柱產(chǎn)生向上的隆起變形。由圖6可知，地連墻頂一直發(fā)生沉降變形，只是隨著開挖進度的進行，其沉降量逐步減小并逐漸穩(wěn)定。其總體的豎向位移變化處在20mm的累計控制值以內。

圖5 LZC-1和LZC-2處立柱沉降

圖6 ZQC-1～ZQC-4處墻頂沉降

在灌水反壓期間，監(jiān)測點LZC-1與LZC-2處的立柱一直在發(fā)生緩慢的向上位移，使得立柱的變形狀態(tài)由沉降逐漸轉變?yōu)槁∑穑@一階段變化緩慢且變化幅度很小；ZQC-1和ZQC-4處的墻頂同樣產(chǎn)生向上的位移，使得地連墻的沉降不斷減小，并在之后趨于平緩；ZQC-2和ZQC-3處則是先緩慢下降，之后同樣趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3 周圍地表沉降變形分析

基坑的開挖勢必會對周邊的土體以及建筑物產(chǎn)生影響，通過分析基坑開挖中基坑周圍的地表沉降變形，分析基坑開挖對周邊環(huán)境的影響。

圖7為監(jiān)測點DBC1～DBC4處地表沉降變化規(guī)律圖，由圖7可知，隨著基坑開挖進度的增加，地表沉降量的總體變化趨勢是逐漸增大的，前期以較快的速度產(chǎn)生沉降，之后沉降速度逐漸變小，地表的沉降值也趨于穩(wěn)定。并且由于樁土之間的摩擦力，地表的最大沉降量不是發(fā)生在基坑的邊緣，而是隨著與基坑距離的增大而逐漸增大，并在距離基坑邊緣10m左右達到最大沉降量，DBC1和DBC4最大沉降量分別為23mm和21mm，之后地表沉降量再次不斷減小。

圖7 DBC1～DBC4地表沉降

灌水反壓期間，基坑外地表沉降量幾乎沒有變化，一直在一個非常小的范圍內進行微小的波動，處于非常好的穩(wěn)定狀態(tài)。

3.4 支撐軸力分析

圖8為監(jiān)測點ZCL-1、ZCL-2（端頭井斜撐）和ZCL-3處各層支撐的軸力變化規(guī)律圖，由圖8可知，內支撐在施作前期會經(jīng)歷軸力的較大增長，而后隨著開挖過程的進行，其軸力逐漸下降并逐漸趨于穩(wěn)定值。這是由于內支撐在施作過程中，地連墻由于變形會對支撐持續(xù)地施加壓力，使得其軸力不間斷增大。等到下一層支撐施作之后，會分擔一部分地連墻的壓力，使得支撐軸力出現(xiàn)下降現(xiàn)象，而后趨于穩(wěn)定。由于第五道支撐尚未施作，第四道支撐的軸力尚處于上升階段，并未穩(wěn)定。內支撐軸力在施工階段處于控制值以內，基坑內支撐處于安全范圍以內。

開挖階段各監(jiān)測項目最大值 表2

圖8 各層混凝土支撐軸力

在灌水反壓期間，第四層混凝土支撐并未施工，監(jiān)測點ZCL-1、ZCL-2和ZCL-3處的軸力變化幾乎呈現(xiàn)為一條直線，第一層的軸力在這兩點處穩(wěn)定在600kN附近；第二層的內支撐軸力在ZCL-1處穩(wěn)定在850kN附近，在ZCL-2處穩(wěn)定在280kN附近；第三層的軸力在這兩點處穩(wěn)定在500kN附近；ZCL-3處前三層內支撐軸力各自圍繞著一個數(shù)值做上下小幅度波動，但其整體的趨勢趨于穩(wěn)定。

對整個基坑在開挖過程中各監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)進行整合匯總，并提取出各監(jiān)測項目的最大值以及其發(fā)生的部位，具體數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可以明顯地看出，地連墻水平位移最大的部位在監(jiān)測點ZQT-3處，最大值為23.2mm；地連墻以及周圍地表發(fā)生沉降變形，而立柱最終發(fā)生隆起變形，現(xiàn)階段最大隆起量為12.73mm；支撐軸力則是下層支撐的力大于上層支撐的力，第四層支撐軸力尚處于快速上升階段，未達到穩(wěn)定值。基坑圍護結構的變形與內力最大值，以及周邊環(huán)境的變形最大值均處于監(jiān)測控制標準以內。

4 結語

①通過對各項數(shù)據(jù)的分析研究，隨著基坑開挖深度的增加，地連墻的水平位移在灌水反壓前出現(xiàn)明顯的增長；在灌水反壓期間，地連墻的水平位移逐漸減小，并逐漸趨于穩(wěn)定；在灌水反壓結束后，地連墻的水平位移隨著基坑開挖深度的增加趨于穩(wěn)定。

②在基坑開挖過程中，立柱隨著開挖深度的增加，先是發(fā)生沉降，之后沉降量不斷減小，并在灌水反壓期間以小幅度變形由沉降逐漸轉變?yōu)槁∑稹５剡B墻沉降變形貫穿整個開挖和汛期階段，只是隨著開挖深度的增加，其沉降量逐步減小，并在灌水反壓期間逐漸穩(wěn)定。

③基坑內支撐在施作前期階段會出現(xiàn)軸力突增，當下一層支撐施作之后，隨著開挖深度的增加，上一層支撐軸力會逐漸減小，并在灌水反壓階段支撐軸力趨于穩(wěn)定。

④隨著基坑開挖深度的增加，地表沉降量的總體變化趨勢是逐漸增大的，地表沉降具有明顯的空間效應，沉降量在距離基坑邊緣10m左右達到最大，達最大后沉降量向外邊緣逐漸減小。在灌水反壓階段，地表沉降值基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。

⑤當臨江深基坑在開挖過程中遇到汛期水位突漲時，灌水反壓措施能夠很好地控制基坑支護結構的變形、支撐軸力變化以及周圍地表的沉降變形，維持基坑的安全穩(wěn)定，保證基坑在汛期期間處于穩(wěn)定狀態(tài)。