多梯度深基坑降水與開挖效應研究

蔣 肼

(中國鐵建投資集團有限公司,北京 100855)

隨著城市地鐵、大型交通樞紐工程的建設以及地下空間的開發利用,復雜環境條件下大型多梯度深基坑不斷出現,基坑的降水施工、大體量土方開挖,導致土體內的應力及外部約束條件產生變化,使得原本平衡的地層出現明顯的位移,從而引起土體變形,并在動態中尋求新的平衡。

深基坑工程是受承壓水危害最直接、最廣泛的工程類型[1-2]。上海、杭州、揚州等沿海城市也發生過多次因降水引起的周邊環境安全事故[3-4],應建立“以水位控制為前提、以沉降控制為核心”的承壓水綜合治理體系。由于局部基坑的開挖,基坑周邊土的受力變形特性發生變化,基坑開挖導致的地層移動會使得周邊土體發生附加變形,基坑不同開挖時序會產生相互影響的耦合效應[5]。目前,考慮不同梯度和規模基坑開挖時序問題的研究不多[6],實際施工中往往容易被忽視,經常出現開挖方式不當而導致整個基坑失穩嚴重事故。

1 工程概況

南京青奧軸線地下工程B2-J1區基坑平面形狀復雜、“坑中坑”設計為本工程基坑主要特點。基坑南側距青奧村、國際風情街基坑僅10 m,J匝道“坑中坑”外側采用格柵地下連續墻圍護結構,內側采用地下連續墻圍護結構;基坑西側距長江大堤99 m,采用放坡開挖、掛網錨噴混凝土支護;主線隧道采用地下連續墻圍護結構;l、M匝道均采用圍護樁結構;基坑北側臨近青奧中心采用雙排樁圍護結構。基坑形式見圖1。B2-J1區基坑開挖采用大放坡加懸臂開挖下的地下空間基坑內套直立開挖的隧道基坑形式。

圖1 基坑形式

2 地下水降水方案和沉降預測

2.1 降水方案

B2-J1基坑Ⅰ期工程主要內容:盆式基坑開挖,濱江大道、主線隧道及J、L、M匝道基坑開挖與主體結構施作。雖然基坑外圍已采用三軸攪拌樁作為止水帷幕,對潛水已有一定的隔水效果,但考慮Ⅰ期施工時基坑整體面積較大,淺層土體含水量不容忽視。Ⅰ期工程施工時,基坑降水采用混合井井結構、整體降水的方式。整體降水即Ⅰ期工程基坑內全部的降水井都將共同參與運行,直到Ⅰ期工程完成。經過模型計算:在先施工的Ⅰ期布置降水井76口(含20%備用兼觀測井),基坑降水井布置見圖2,可將該區水位控制安全水位下。Ⅰ期施工時,執行“分層降水、按需降水、動態調整”的原則,地下水位控制在開挖面以下0.5～1.0 m。降水運行時,隨開挖深度加深逐步降低承壓水頭,盡量減少減壓降水引起相鄰地面的沉降,基坑降水井運行后預測基坑水位降深等值線見圖3,滿足后續施工要求。

圖2 基坑降水井布置 圖3 降水井運行后預測基坑水位降深等值線(單位:m)

2.2 沉降預測

預估Ⅰ期開挖降水120 d后,基坑大面積放坡開挖至標高約-0.5 m,此時需要對③1粉砂層承壓含水層進行降水,減壓降水引起的周邊沉降變形等值線預測見圖4。

圖4 基坑工程減壓降水引起的地面沉降預測(單位:mm)

由圖4可知,減壓降水引起的B2-J1基坑外最大沉降值約16～20 mm,滿足沉降控制要求。

3 多梯度深基坑開挖相互作用模擬分析

3.1 計算模型及參數

主隧道基坑混凝土內支撐1 m×1 m,匝道基坑混凝土內支撐1 m×1 m,鋼支撐直徑609 mm,格柵連續墻厚度1.0 m、深度17.5 m,匝道基坑支護深23.5 m,雙排樁的前排樁直徑1.2 m、深23.5 m,后排直徑1.0 m、深15.5 m。利用數值分析軟件modfiow建立的整體計算模型見圖5。計算參數見表1。

圖5 整體計算模型

主隧道基坑開挖深度27.052 m,J匝道開挖深度17.599 m,L匝道開挖深度20.891 m,M匝道開挖深度17.264 m,濱江大道開挖深度8.581 m。

3.2 模擬結果分析

表1 地層物理力學特性指標

鑒于本工程工期異常緊張,基于主體結構底板及基坑必須于3月長江汛期前封底決定了必須首先完成基坑最深處土方開挖并進行結構施作。本次模擬選取三種開挖時序,工況1:先開挖主隧道后開挖匝道;工況2:先開挖匝道后開挖主隧道;工況3:匝道和主隧道同時開挖。以“工況1:先開挖主隧道后開挖匝道”時序為例進行多梯度深基坑開挖相互作用詳細分析。

不同開挖階段基坑水平位移見圖6,基坑不同開挖階段主隧道和匝道圍護結構的水平位移分別見圖7和圖8。

從圖6～圖8可知,當開挖完成上部第一層土體后,格柵地連墻的最大水平位移為5.3 mm,滿足規范要求。雙排樁的前樁最大水平位移為3.4 mm,開挖結束為2.2 mm;雙排樁后樁開挖前最大水平位移為3.3 mm,開挖結束為1.5 mm,此變形量滿足《建筑基坑支護技術規程》要求,規范中要求變形量不宜超過10 cm,因此不需要對其進行控制。格柵地連墻在開挖2～3層土體之間位移變化量較大,之后開挖L匝道對Y隧道基坑影響不大;第一次開挖完成后,地下連續墻水平位移變化了6.5 mm,6.5 mm/H=0.81‰,此變形量遠小于《建筑基坑工程監測技術規范》中位移控制要求的容許值范圍,因此不需要對其進行控制。

4 不同開挖時序下基坑變形性狀分析

三種開挖方式下格柵地連墻和主隧道另一側地連墻的水平位移見圖9,匝道基坑支護結構水平位移見圖10,雙排樁水平位移見圖11。

從圖9可以看出,由于格柵地連墻的剛度大,抗側向變形能力強,因此,三種開挖方式下格柵地連墻的水平位移比較接近,最大值為匝道先開挖,達到8.2 mm,最小值為同時開挖,為7.2 mm;主隧道基坑另一側支護結構水平位移也呈現同樣的變化特點,最大值為匝道先開挖,達到5.7 mm,最小值為主隧道先開挖,基坑開挖引起的主隧道水平位移值小于6 mm。這些水平位移滿足《基坑施工技術規范》的要求,測得的水平位移值小于30 mm,因此較安全。因此,考慮到主隧道地連墻的水平位移值大小,在開挖地連墻時,應采取主隧道先開挖的方式。如果基坑中有一個基坑的支護剛度相對另一個大的多,應先開挖支護剛度較大的一側,再開挖支護剛度較小的一側,這樣有利于控制變形。

圖6 基坑水平位移

圖7 主隧道圍護結構水平位移

從圖10可以看出,匝道基坑左側支護結構朝主隧道基坑一側變形,最大值產生于匝道基坑先開挖時,為5.9 mm,最小值是主隧道基坑先開挖時的變形,為4.0 mm;這些水平位移合乎《基坑施工技術規范》的要求,測得的位移值小于30 mm,滿足規范要求。匝道基坑右側支護結構在開挖后會向坑內作整體水平移動,且會發生輕微的踢腳現象。因此,在圍護結構的薄弱環節,要做好加固處理,防止由于后續基坑的開挖對已修建的結構產生較大影響。

圖8 匝道圍護結構水平位移

圖9 主隧道地連墻的水平位移

圖10 匝道基坑圍護結構水平位移

圖11 不同開挖時序下雙排樁水平位移

從圖11可以看出,雙排樁支護的水平位移,匝道和主隧道同時開挖與匝道先開挖基本相同,前后兩排樁均約為12.6 mm;變形最小值是先開挖主隧道再開挖匝道發生的變形,前后兩排樁均約為5.1 mm。不同的開挖方式導致的雙排樁水平位移值可相差1倍以上。減少基坑開挖深度,才能有效的控制基坑變形,因此,綜上所述,應先開挖主隧道再開挖匝道,這樣有利于對基坑變形進行控制。

5 結論

以南京青奧軸線地下工程B2-J1區基坑為例,利用數值分析軟件modflow進行了基坑降水對周邊環境影響分析,分析了基坑降水水位控制技術,水位控制的核心是坑內水位控制,可通過設備調配、預估降深等來實現。基坑主線隧道及J、L、M匝道開挖按照先開挖主隧道后開挖匝道的時序,匝道從與主線隧道接頭處向各自方向進行施工。該基坑土方總量28.36萬m3,開挖及內支撐體系完成用時91 d。基坑開挖期間監測數據反饋,基本與模擬工況分析相吻合。

通過對多梯度基坑降水和不同開挖時序相互影響進行模擬分析,結合工程實例,得出以下結論:

(1)通過計算分析,給出在先施工的Ⅰ期布置降水井76口(含20%備用兼觀測井),可將該區水位控制安全水位下,Ⅰ期施工時,執行“按需降水”,基坑降水井運行后預測基坑水位降深和減壓降水引起的基坑外最大沉降值滿足施工控制要求。

(2)由于多梯度坑群中單體基坑形式多樣,剛度、規格均有一定的區別,因此不同類型的圍護結構交接面往往是圍護結構的薄弱環節,在此部位必須根據工藝作業條件進行TRD或MJS加固處理,防止后續基坑的開挖對已建支護結構的影響。

(3)多梯度基坑開挖時序,如果相鄰基坑的支護結構剛度相同,應先開挖淺基坑,再開挖深基坑;如果相鄰基坑中有一個基坑的支護剛度相對于另一個大的多,應先開挖支護剛度較大的一側,再開挖支護剛度較小的一側,比較有利于變形控制。