復雜地層大直徑超深工作井開挖施工監測分析

祝 燦

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司 重慶 400010)

1 前言

目前，大直徑超深工作井作為輸水管線和地下隧道盾構始發與接收常用形式，由于深基坑主要基于半經驗方法設計[1]，考慮到工程地質條件的復雜性、施工不確定性，開展結構變形與環境監測是確保基坑安全、減小風險的主要手段。通過對某一深埋輸水隧道工作井地下水位、基坑支護結構位移及變形、地表沉降的實測數據進行分析[2－4]，揭示大直徑超深工作井地連墻位移和地表沉降分布不均勻的原因。

2 工程概況及地質條件

2.1 工程概況

擬建場地位于廣東佛山市，為珠江三角洲水資源配置工程土建施工A5標段輸水干線的一部分。工作井為外徑35.9 m的豎向圓井，開挖深度為61.55 m，基坑平面如圖1所示。

圖1 基坑平面

2.2 工程地質條件

上部為34.4 m厚的沖積層，其下為13.2 m厚全風化泥質砂巖和5.4 m厚強風化泥質砂巖，洞身底部為弱風化泥質砂巖。全風化及強風化部分圍巖自穩能力差，砂含水層，滲透性強，強風化巖破碎，透水性中等。相關參數如表1所示。

表1 土層計算參數

3 基坑支護方案及施工內容

工作井采用地下連續墻＋內襯的支護方案，圍護結構為1.2 m厚C30地連墻＋1.2 m厚C30鋼筋混凝土內襯。地下連續墻共計24幅成環，深度為工作井底板以下4 m。地連墻上部設置(2 500×1 500)mm的混凝土壓頂梁，上方布置1 200 mm高擋水墻。

開挖及支撐采用明挖和逆作法配合施工，單次開挖深度4.5 m。分14層開挖，前十一層采用逆作法，后三層采用順作法[5]。開挖按豎向分層、盆式開挖法作業、由上至下的原則進行。施工步驟可以簡化為15步，如表2所示。

表2 施工步驟

4 基坑監測及其分析

本工程風險等級為一級，如支護不當會引起基坑圍護結構產生較大變形，造成失穩等問題[6]。為此對地下連續墻水平位移、墻頂沉降、墻體豎向主筋內力、側土壓力、坑內外水位、地表沉降等進行監測。選取坑外地下水位和地表沉降、地下連續墻水平位移監測數據進行分析，測點布置如圖2所示。

圖2 監測點布置

4.1 地下水位發展規律

地下水位變化曲線如圖3所示，起始日期為2020－05－08。

圖3 地下水位變化曲線

(1)UP4-1在第1至第12步的施工步驟中地下水位變化表現為:開始基本保持不變，之后隨著土方開挖水位不斷降低。由于河涌補充作用，UP2-1在第1至第12步中基本穩定。

(2)在第13步中，采用順作法在短時間內開挖至底板接近地下連續墻底部標高，地下水滲透加大，并快速降低超過警戒值，當底板澆筑完成時，地下水位保持不變。完成內襯施工后進行注漿封堵以及回灌使得地下水位回升。

4.2 地下連續墻水平位移

4.2.1 地下連續墻頂部水平位移

在壓頂梁上兩兩相對布置頂部水平位移監測點 TP1-1、TP2-1、TP3-1、TP4-1，如圖 2 所示，水平位移量與時間變化關系如圖4所示。開始測量時間為2020－05－08。方向朝向圓心為正，背離圓心為負。

圖4 地連墻頂部水平位移－時間變化曲線

(1)由圖4可以看出，隨著時間推移，位移量呈現波動式發展。在1至5層內，地下連續墻水平位移朝圓心方向發展，且基本保持相同的變化趨勢，最大變形均在2 mm范圍內，可見采用基于時空效應的施工方法能有效保證變形的穩定發展與減小變形。從位移量看，圖中反應四者存在一定的誤差，其原因是由于實際施工存在不確定性和土層在空間上分布不均勻所致。

(2)在開挖第6至第7層時，TP3-1頂部水平位移減小至背離圓心，而TP1-1位移表現為頂部水平位移突然增加。結合地質條件可發現，該步開挖地層為透水性較大的含水性砂土層，排水造成地下水位降低，UP4-1在50 d左右時出現水位降低。根據羅耀武[7]所提出水土壓力模型，基坑地下水位降低時，土體總壓力減小，地下連續墻卸荷回彈，TP3-1處頂部水平位移減小至背離形態。而TP3-1處頂部水平位移突然增大是因為當TP1-1產生了背離圓心的位移時，相應的TP3-1處產生相同方向的位移，并疊加上原有頂部水平位移，最終表現出突增趨勢。

(3)在進行第8層開挖時，開挖層為風化巖，弱透水性，出水減小，TP1-1與TP3-1頂部水平位移不再增大，在之后步驟中逐漸回落。

4.2.2 地下連續墻沿深度的水平位移

深部位移測點布置如圖2所示，IN2-1布置在工作井的東南側。其深度水平位移形態如圖5所示，該曲線測量的日期為2020－12－14，其方向以朝向圓心為正，背離圓心為負。

圖5 基坑深度水平位移形態

由圖5可知，最大水平位移為12 mm，發生在深度50 m位置，與水平曲線和一般柔性圍護結構表現的弓形[8]變形，即中間大、兩端小的特征有所不同，最大變形位置靠近基底位置，開挖結束階段顯示墻腳處出現凸起輪廓，約占總水平位移的30%，一方面是與施工質量控制和上部應力過大有關[9]，另一方面是在最后階段采用了順作法，支護效果與前期逆作法相比較差。

4.3 基坑周圍土體垂直位移

基坑沉降測點布置如圖2所示，LD2-2、LD2-3、LD2-4、LD2-5、LD2-6、LD2-7 均布置在地下連續墻的東南側。圖6為第1至第12層時基坑周圍土體沉降量隨時間變化曲線，初始時間為2020－05－08。

圖6 基坑周圍土體沉降量隨時間變化曲線

由圖3可知，該段時間點地下水位穩定，因此該段的沉降主要由開挖擾動引起。從圖6可以看出，基坑周圍各點的沉降不斷累計增長。發展類型分為三類:第一類為LD2-2與LD2-3，兩測點距離地下連續墻較近，沉降發展趨勢基本相同，表現為先增長之后趨于平緩；第二類為 LD2-4、LD2-5、LD2-6，表現為穩定發展型；第三類為LD2-7，因距離較遠，目前開挖深度對該點并未造成影響。

從圖7可以看出開挖深度對沉降的影響情況，在0～50 d左右，開挖0～22.5 m土層，土體快速沉降，隨著內襯施工，沉降速率開始放緩，并且從圖7e中可看出，符合隨土體開挖深度增加，地表沉降范圍增加的規律[10]。在50～130 d左右，開挖22.5～44.75 m土層，土體沉降速率較快，后隨著內襯的施工變緩，同時對于較近處沉降影響減小，而對較遠處沉降影響增快。在進行第12層時重復之前的規律。

圖7 沉降變化率－時間變化曲線

由圖8可知，沉降最大值發生在LD2-5處，土體沉降曲線較為符合偏態分布，根據沉降曲線為偏態分布的估算方法[11]:

圖8 各測點沉降曲線

式中:h為開挖深度(m)，取值為61.55 m；a根據理論可取0.6，得xm＝36.93 m。而LD2-5布置距離工作井35 m，兩者相距不大，因此可選用沉降曲線為偏態分布的估算方法對沉降進行計算。

根據偏態分布方程模型可得方程:

式中:Sw為沉降曲線包絡面積(m·mm)，根據圖5計算得445.636 7 m·mm；w根據σ′(x)＝0取為0.83[12]；xm＝35 m。 代入公式得:

通過數值軟件可得最大值σ(x)max＝4.318 mm，與工程實測值差距較大，其中一方面原因是估算方法無法考慮到施工過程中不確定因素引發的沉降，另一方面該方法是基于支護結構變形考慮，但實際工程中由于內襯的施加使地下連續墻變形并非如一般規律，并且未考慮到地下水位對沉降的影響。

5 施工控制方法及措施

(1)從以上分析可看出地下水位變化是影響墻體水平位移與周圍土體沉降的主要因素，因此需在基坑周圍增加幾處地下水位監測點為之后施工安全提供數據支持，并且當支護結構出現滲水時，應及時采取有效堵漏措施。

(2)對于地下連續墻結構的水平變形控制，需在最大水平位移出現處增設監測點，同時當水平位移超過控制值時需在坑壁間增加鋼管支撐。

(3)對于地表沉降的控制，當超過控制值時對地層加固，避免地連墻變形過大、滲水等可能情況，可采用回填、反壓坑腳、挖土卸載的方法。同時需對周圍增加監測點，防止后期盾構施工對周圍建筑產生裂縫等情況。

6 結論

(1)該工程地下水位發展主要受開挖地層與周圍環境影響。

(2)地下連續墻頂部水平位移變化，說明采用基于時空的開挖方法能有效抑制位移發展；同時，順作法與逆作法兩種施工手段對水平位移能產生不同的效果。

(3)沉降曲線為偏態分布的統計學估算分析方法，應考慮地下水與采用時空效應的施工方法對地表沉降與支護結構變形等因素的影響。

(4)對于地下連續墻結構的水平變形控制，可通過增設監測點、增加鋼管支撐措施進行控制；對于地表沉降的控制，材料回填、反壓墻腳等措施效果較好。