基于超深蓋挖逆作基坑的施工變形規律分析

畢春帥

(上海隧道工程有限公司，上海 200232)

0 引言

伴隨“十四五規劃”深入實行，我國綜合國力進一步增強，地下空間開發利用達到全新高度。超深基坑項目也開始挑戰更加復雜多變的地質狀況與施工環境，因基坑施工變形過大所引發的事故時有發生，且超深基坑項目一旦發生安全事故，勢必造成巨大的經濟損失或人員傷亡，產生嚴重、不可逆的負面影響。損害施工企業的正常運營，甚至影響整個地下工程行業的健康發展。基于上述背景，本文以蓋挖逆作超深基坑為基礎，對開挖階段全過程施工變形進行具體研究分析。所得出的結論可為今后類似工程地質狀況及環境下的超深基坑項目施工提供參考和借鑒。

1 工程簡介

1.1 工程概況

本超深基坑為地下5層結構，外包尺寸31 m×60.5 m(含圍護墻)、總面積為1 610 m2、深度達40.1 m，基坑安全等級與變形保護等級均為一級。結構內襯墻與連續墻采用疊合墻構造+逆作法施工。連續墻為1 500 mm厚C35水下鋼筋混凝土結構、抗滲等級P8，墻長47.7 m～52.4 m，進入3中風化石英閃長巖層不小于2 m。其中盾構進洞處采用玻璃纖維筋+銑接頭施工，其他接頭均采用工字鋼接頭。

1.2 工程地質條件及水文條件

1.2.1 工程地質條件

根據野外鉆探及土工資料，揭露的該超深基坑地層結構、巖性特征、埋藏條件及物理力學性質，具體如表1所示。

表1 工程地質條件表

1.2.2 工程水文條件

1)地表水。

本工程沿線場地地表水屬錢塘江水系，河網密布，沿線地表水體與地下水有一定的水力聯系。臨時抗浮設防水位可采用周邊道路平均地面高程下0.5 m考慮，永久性抗浮設防水位按工程建成后室外地坪設計高程下0.5 m考慮。

2)地下水。

勘探深度范圍內地下水因含水介質、水動力特征及其賦存條件的不同，其補、徑、排作用和水化學特征均各不同，分為第四系松散土類孔隙潛水、孔隙承壓水和基巖裂隙水三大類。孔隙潛水主要賦存于場區淺部①1層填土層、②1粉質黏土、④2層粉黏性土層內，透水性良好，水位隨季節氣候動態變化明顯，動態變幅一般在0.50 m～1.0 m左右；孔隙承壓水主要賦存于下部⑤1圓礫土、⑤2卵石土層中，上覆黏性土層構成相對隔水層，含水層總厚度較大，水量較豐富；基巖裂隙水主要賦存于下部基巖風化裂隙內，裂隙大部分呈閉合狀，導水性相對較差，水量相對微弱。

1.3 工程施工及周邊環境

本超深基坑工程施工范圍內及周邊所處環境較為復雜，有海關大樓、人民檢察院、6層成片居民房、五星級酒店、河道水閘等建筑物以及電力、燃氣、通信管線等。

2 超深基坑逆作施工

2.1 圍護結構及加固施工

該超深逆作基坑圍護結構為36幅1 500 mm厚鋼筋混凝土地下連續墻(最深為51.9 m、最淺為42.6 m)，采用H型鋼接頭，接縫止水采用φ2 200 mm MJS旋噴樁，擺噴角度135°，深度為地面以下6 m至1層以下2 m共36根;基坑陰角加固采用φ800@600 mm三重管高壓旋噴樁，加固深度同地墻，與連續墻搭接不得小于300 mm，水泥摻量值為30%。加固體28 d無側限抗壓強度不小于1 MPa，滲透系數不大于10-7cm/s。

2.2 超深基坑結構施工

首先實施表層土方開挖至頂板底標高下20 cm，而后自上而下沿豎向分六個開挖區間，每個開挖區間內的每層開挖高度不超3 m且每層板撐混凝土強度達到規范要求后方可進行下層土方開挖。盡量縮短基坑的無支撐暴露時間，有效地控制圍護結構變形與周圍地表沉降[1]。基坑開挖遵循“分層分段，對稱平衡，嚴禁超挖”的原則。坡度不大于1∶2.5，綜合坡度不陡于1∶3。開挖到坑底設計標高以上300 mm處，進行基坑驗收并改用人工開挖至基底[2]。坑底位于⑤2卵石土層，結構內襯墻與連續墻采用疊合墻構造型式，逆作法施工。支撐采用五道混凝土板撐形式，第一、二、三、四、五道板撐結構(永久板)采用C35混凝土現澆。主體結構頂、底板外側設全包防水層。

3 超深蓋挖逆作基坑開挖變形征兆預測分析

本超深基坑在開挖面B區被動土壓力隨著基坑開挖面A區開挖深度增加而減小，引起圍護結構發生向基坑內側的位移并產生地面沉降[3]。由于開挖與支撐循環的進行，在土方挖運作業區附近通常產生最大變形；在監測報表上即為墻體深層水平位移變化增大。基坑開挖是一個逐步卸載的過程，隨著坑內土體的開挖使得B區和C區土體的反壓力與D區和E區形成的頂托力之間有一個極限平衡值，當超過這個極限值時基底就會隆起，同時圍護結構外側地表沉降；在監測報表上即為格構柱豎向位移數據增大或地表沉降數據增大。基坑開挖影響區示意圖如圖1所示。

4 圍護墻體深層水平位移監測

4.1 監測原理

在需要進行測斜監測的部位埋設與活動式測斜儀配套的測斜管，把測斜儀的一組導向輪沿測斜管導向滑槽放入管中并滑到管底，每隔一定距離向上拉線讀數[4]。測出測斜儀所在位置測管的傾斜度為θ，換算成該位置測斜儀上下導輪間(或分段長度)的位置偏差Δi=L×sinθ(其中，L為量測點的分段長度)，自下而上相加可知各點處的水平位置δ=∑L×sinθ。

4.2 監測點布置及監測頻率

4.2.1 監測點布置

本項目監測范圍包含里程范圍內的基坑圍護及1倍基坑開挖深度的周邊環境監測[5]。沿圍護墻體位移監測點布置共有10組，深度同圍護墻體(約46 m～48 m)；沿基坑周邊布置7個監測斷面共計28個沉降監測點。具體如圖2所示。

4.2.2 監測頻率

本超深基坑安全等級及監測等級均為一級，同時考慮不同施工階段周邊環境、自然條件的變化，確定監測時段為地下結構全部完成后結束監測，監測頻率如表2所示。

表2 圍護墻體測斜監測頻率表

4.3 初始數據采集及監測控制值

在正式開挖前至少測3遍初值后取平均作為監控測量初始值。根據設計圖紙要求，現將控制值列于表3，當監測值達到表3數據時提出書面報警。

表3 監測報警控制指標

5 實測數據計算與分析

5.1 開挖數據統計分析

本工程總計開挖方量為64 609.3 m3(1 610×40.13)，根據開挖方案可知分為7層開挖，每層開挖量及開挖時間統計如表4所示。

表4 開挖及逆作施工階段數據統計表

5.2 墻體深層水平位移數據計算及分析

5.2.1 數據計算及統計

本論文墻體深層位移數據分析即從-1層挖土施工開始至底板澆筑結束并養護7 d后，總計278 d為變形分析時間起止節點切入點進行具體分析，其中冠梁及頂板施工期間無測斜，故以下分析均從-1層開挖開始，同時為了將墻體深層位移變形表述的更加直觀和明確，分析時將10個測斜孔按照南(ZQT01，ZQT02)、東(ZQT03，ZQT04，ZQT05)、北(ZQT06，ZQT07)、西(ZQT08，ZQT09，ZQT10)四個不同方位進行分析,通過對數據進行詳細的分析整理后分別得出10個監測孔位的變形曲線如圖3所示。

通過對以上變形曲線進行整理后可得出10個監測孔的最大變形量以及最大變形所發生的階段和所處的地層，具體如表5所示。

表5 深層變形分析表

5.2.2 數據對比分析

通過對以上數據進行對比分析可以有以下結果：

1)四個方位的最大變形主要發生在-3層、凈空為7.44 m，其地層條件為④1粉土和④2粉質黏土，說明粉土與粉質黏土層相對于其他土層變形較大。

2)-3層施工時間為78 d，占比總施工時間278 d的28.1%，是變形較大的一個相關因素。

3)10個深層位移監測孔最大位移為27.1 mm，發生在ZQT04的14.5 m處，在預警值及控制值內。

4)南側ZQT01與ZQT02實際移變化曲線相差較大，可知ZQT01處深層加固質量欠缺；北側ZQT06與ZQT07趨勢相同且變形量較小，說明深層加固質量較為平均且較好，如圖4，圖5所示。

5)東側最大位移約為西側3倍，因東側為盾構接收面而采用玻璃纖維筋，抗彎強度較小。

6)東側最大位移發生在ZQT04處，西側在ZQT09處，均為剛性鉸接的跨中處，符合結構變形規律，如圖6，圖7所示。

5.3 墻地表沉降數據計算及分析

根據對超深逆作基坑在整個施工期間的監測數據進行分析整理后得出7個斷面共計28組累計沉降數據，具體如表6所示。

表6 基坑周邊地表沉降數據表

通過對表6數據進行統計分析后得出7個斷面的變形曲線，具體如圖8所示。

通過對以上圖表進行對比有如下結論：

1)通過對28組沉降數據與報警值進行對比分析可知僅1處未報警、2處橙色警報、剩余均紅色警報，報警率為96.4%。主要是因為本逆作基坑所處地層主要為粉質黏土層和圓礫卵石層，且坑外疏干井井管直徑為325 mm大口徑井管，水泵功率為7.5 kW，降水引起的沉降極為明顯。

2)除DBC03其1處斷面最大沉降點發生在距離基坑6 m的第二圈監測點處外，其余6處斷面的最大沉降點均發生在距離基坑16 m的第三圈監測點處。

說明DBC03斷面附近坑外加固效果較差，土體伴隨降水固結作用明顯，同時距離基坑16 m處的最大沉降也和降水有一定關聯，后續可做進一步研究。

3)DBC05處沉降相對最小，說明此處轉角加固效果明顯；DBC07斷面地表沉降相對最大，說明此斷面附近地下水豐富且降水效果顯著。

6 結論

根據工程實際分析可知超深蓋挖逆作基坑的整體變形趨勢有如下特點：

1)通過合理的組織開挖與結構施工，可縮短施工時間以進一步減少累計變形量。

2)坑內、外降水的時機與質量，對富水的粉質黏土層、圓礫及卵石層沉降影響較大。

3)地墻接縫的加固質量以及陰陽角的加固質量的優劣，對控制基坑整體變形有較大影響。

4)超深蓋挖逆作基坑圍護結構的最大位移隨著軟土層厚度的增加有增大的趨勢。

5)因本工程地墻進入卵石層較早，其嵌固作用較好，實際最大變形處與設計計算最大彎矩處有一定不同。

6)圍護結構整體剛度較大，在板撐的作用下抵抗變形能力較強，但是仍然受內部主筋(鋼筋或玻璃纖維筋)材質、地質條件影響較大。