濱海地區二元地層明挖隧道基坑施工變形實測分析

伍坤

（江西省天馳高速科技發展有限公司，南昌 330103）

1 引言

隨著我國城市建設的快速推進，地鐵、隧道及市政等基礎設施的建設得到了大規模發展，與之伴隨的地下基坑開挖工程也越來越多。基礎設施快速發展的同時也使得基坑工程開挖面臨的施工環境越來越復雜。例如，在基坑開挖紅線外往往分布著密集的建構筑物、地鐵、管線等，基坑施工風險性也隨之顯著提高。研究地下工程開挖對周邊環境的影響特性也成為眾多學者和工程人員所關注的熱點問題之一。

研究基坑開挖對周邊環境影響特性的方法和手段眾多[1-4]，其中現場實測分析是最為直接、準確的方法，可充分考慮實際復雜地層及施工過程的影響。任城等[5]和董桂紅等[6]分別通過現場實測資料分析對基坑開挖過程中土體及支護結構的水平位移、周邊地表沉降分布特性進行了研究。李淑等[7]通過對大量北京地鐵車站基坑現場實測資料進行統計分析，給出了北京地區地鐵車站基坑開挖引起的鄰近土層變形特性的經驗分析方法。徐凌等[8]對不同支護結構形式下基坑實測變形資料進行分析，建立了基坑圍護結構形式（剛度）與地表沉降槽分布范圍的規律。徐娜等[9]以廈門地鐵2 號線海滄大道車站基坑為研究對象，通過現場實測資料分析得到了濱海地區長大深基坑施工引起的鄰近土層變形規律。胡學明[10]采用實測與理論分析相結合的方法對杭州地區的明挖隧道基坑變特性進行了研究，給出了不同圍護結構形式下圍護結構的內力、變形及土層變形分布規律。

基坑開挖引起的地層變形分布規律受地層條件影響密切，不同地層條件下基坑開挖引起的鄰近土層變形分布規律差異較大。本文以某明挖基坑為研究對象，場地上部土層為素填土、粉質黏土層及砂層，下部為風化狀態的花崗巖，呈現出典型的濱海地區上下軟-硬二元地層分布特性。在施工過程中對基坑進行現場實測分析，通過對圍護結構水平位移、地表沉降及立柱變形分布規律進行分析，研究在濱海地區軟-硬二元地層條件下基坑開挖過程中的受力變形規律，為類似地層中基坑工程設計和施工提供參考借鑒。

2 工程概況及地質條件

2.1 工程概況

擬建枋鐘路隧道接金尚路現狀通道，隧道起點位于金尚路隧道東側出口，與原隧道相接，沿現狀枋鐘路向東，穿過環島干道高架后出地面。起點K20+968.120，終點K23+795。其中K21+068.130～K23+565 為暗埋段，長2496.87 m；其余為敞口段，長330.01 m，敞口與金尚路通道連接過渡段。隧道全長約2826.88 m。通道設計雙向6 車道，開挖擬采用明挖順作法施工，需進行基坑支護。隧道主線開挖深度在2.85～17.64 m，匝道單獨開挖深度1.69～4.07 m，1#雨水泵房開挖深度20.37 m，2#水泵房開挖深度22.04 m，3#廢水泵房開挖深度22.28 m。

2.2 地質及水文條件

地勘報告揭露地層的主要分布特性見圖1。其中，軟土屬軟弱土，人工填土、粉質黏土、砂類土、殘積土、全風化煌斑巖及全風化花崗巖、強風化花崗巖（砂礫狀）屬中軟-中硬土；強風化花崗巖（碎塊狀）、中、微風化花崗巖屬軟質巖石-巖石。

圖1 場地典型地層分布

3 基坑圍護結構及監測方案

3.1 基坑圍護結構設計方案

工程場地為現狀道路，兩側分布有建筑物、廠房、水庫等，并通過環島高架，道路地下埋設有管線（需遷改），綜合考慮造價及工期，明挖隧道基坑采用鋼板樁、灌注樁、灌注樁+止水帷幕工法。當開挖深度小于3 m 時，采用鋼板樁支護；當開挖深度大于3 m 時，采用灌注樁+內支撐支護。基坑圍護樁采用φ1 000 mm@1 200 mm 鉆孔灌注樁，根據實際開挖深度的不同，樁長在20.5～31.5 m。共設置4 道水平內支撐，第一道為混凝土支撐，其余3 道為鋼管支撐，具體支撐設計參數如表1 所示。

表1 基坑內支撐設計參數

3.2 基坑圍護結構設計方案

作為廈門第二東通道工程的重要組成部分，為保證枋鐘路隧道工程安全順利推進，在基坑開挖過程中，對基坑圍護結構及周邊環境進行實時監測，并根據現場實測數據，進行信息化施工。以起訖里程K22+551～K22+787 隧道明挖基坑為研究對象，共布置7 道監測斷面，監測項目包括地表沉降觀測、圍護結構水平位移觀測、地下水位觀測、坑內立柱變形觀測及內支撐軸力觀測。地表沉降觀測點在隧道基坑開挖南北兩側對稱分布，每側共設置沉降點5 個。基坑監測點平面布設如圖2所示。

圖2 監測點平面布置圖

4 實測結果分析

4.1 圍護結構水平位移

圖3 為不同斷面處基坑圍護結構水平位移沿深度分布曲線。從圖3 中可以看出：從基坑開挖開始到隧道主體結構施工完成期間，圍護結構水平位移隨工況進行有逐漸增大接著趨近平穩的變形特性。圍護結構最大水平位移在26～80 mm，最大位移發生在K22+787 斷面處，可能與該位置為堆料場，上部堆載較大有關。最大水平位移發生在圍護結構10 m 深度處，且大致位于第四道鋼管支撐位置。為了減小基坑圍護結構水平位移，需要及時施作最后一道支撐，以快速提供有效的支撐作用力。

圖3 不同斷面基坑圍護結構水平位移沿深度分布曲線

按基坑平均開挖深度16 m 計算，圍護結構最大水平位移約為0.16%～0.50%的基坑開挖深度，小于Peck[11]的研究結果1.00%和Clough 等[12]的研究結果0.60%。這可能與本工程中軟-硬二元地層的工程地質條件有關系，下部風化巖層能起到較好的嵌固作用，可有效降低圍護結構的水平位移值。

4.2 地表沉降

圖4 給出了基坑外側不同位置監測點（DB-0、DB-1）處地表沉降δv隨時間的發展曲線，兩個測點距坑邊距離分別為1 m、9 m。從圖4 中可以直觀地看出：隨著基坑開挖的進行地表沉降值呈現出先增大后逐漸平穩的變化趨勢；最大地表沉降約為40 mm，大約為基坑開挖深度的0.25%。不同位置測點處最大地表沉降值存在較大差異，距坑邊最近的監測點DB-0沉降值最小，平均沉降值約為8 mm；隨著距坑邊距離的增大，地表沉降值呈現先增大后減小的趨勢，呈現“√”分布特征。最大沉降位于DB-1 測點附近，大致在基坑開挖深度的0.3 倍距離處，這與文獻[9]及文獻[12]的實測結果稍有差異。

圖4 不同測點位置地表沉降分布曲線

4.3 立柱豎向位移

圖5 所示為基坑開挖過程中基坑立柱豎向位移隨時間發展曲線，從圖5 中可以看出：相較于圍護結構的水平位移和地表沉降發展曲線，立柱的豎向位移分布較為均勻，最終狀態下立柱的豎向位移大致在5～15 mm。其中，絕大多數立柱位移均小于10 mm，滿足工程安全施工要求。

圖5 立柱豎向位移隨時間發展曲線

5 結論

以某明挖基坑為研究對象，在施工過程中對基坑進行現場實測分析，通過對圍護結構水平位移、地表沉降及立柱變形分布規律進行分析，主要得到以下幾點結論：

1）在基坑開挖過程中，圍護結構水平位移呈現兩頭小中間大的“鼓脹”形分布，最大位移大致在第四道鋼支撐處，圍護結構最大水平位移約為0.16%～0.5%的基坑開挖深度；

2）基坑鄰近地表沉降呈“凹槽”形分布，最大地表沉降約為基坑開挖深度的0.25%，發生在距坑邊0.3 倍基坑深度的位置；

3）基坑開挖過程中立柱豎向變形分布較為均勻，最大豎向位移約為5～10 mm，可滿足設計施工安全。