復雜環境下深基坑開挖對周邊環境的影響研究

李瑜玉，姚廣迎，李因旭，朱傳英，韓 宇

(華通建設發展集團有限公司,山東 泰安 271000)

0 引言

城市化進程不斷加快的同時,各大城市都在正向發展建設,濟南作為新舊動能轉換發展的先行區,也在加緊發展城市經濟、推進城市建設,而黃河成為阻礙濟南南北同發展的攔路虎,建設穿黃隧道工程,打通黃河南北兩岸的發展通道,實現共同發展成為其重要戰略布局。但是該隧道建設要經過人員居住密集區,周邊環境復雜多變,制定合理的施工方案、有針對性的保護措施,減少隧道建設對周邊環境的影響顯得尤為重要。

近些年,不少學者對相關課題進行了深入研究。張婉吟、孫昌利、張挺[1]運用模擬軟件分析了工程采用地連墻與環形內支撐相結合方案對周邊環境的影響程度;黃磊[2]基于桐廬車站項目,使用FLAC3D探究了該工程開挖對周邊建筑、管線、市政道路的影響規律;李敏[3]依托珠江某超深基坑對施工前后的基坑周邊環境開展了監測研究,得出了其變形規律,同時分析了地層突發沉降的原因;翟永勇、王嘉浩、鄔建華[4]分析了某超大基坑的影響因素,研究了整個開挖過程對周圍環境的影響;聶子云[5]基于某換乘車站對多重基坑施工影響周圍環境的狀況展開了研究;于唯、陳歡歡、洪艷[6]以某電纜盾構隧道為對象,研究了盾構施工引起的周邊土體和建筑物變形規律;張俊[7]依托上海某項目,整理歸納了基坑位移和沉降的代表性數據成果,研究了周圍環境受各類因素的影響程度,同時制定了相應策略;孔令華、胡軍然、牛文宣等[8]研究了狹長基坑不同內撐施工階段對周邊老舊建筑的影響,并與模擬開挖數據進行對比分析;劉俊城、譚勇、宋享樺等[9]利用流固耦合模型研究了富水砂土條件下基坑出現滲水情況后,支護側墻與周邊環境的變形情況;魏云霞[10]建立了Plaxis 3D深基坑模型,依據此模型通過方案對比分析方式,對深基坑降水施工情形下的周邊環境影響程度開展了研究分析;穆道貴、郭薇、徐世光等[11]通過對比實測與模擬數據,分析了采用樁錨支護方式下的基坑周邊環境變形特征,同時驗證所建模型的準確性。

本文結合濟南黃河濟洛路隧道項目,通過對現場工程進行監測,以實際工程變形數據為依據對超深基坑開挖對周邊環境影響進行探討。

1 工程概況

1.1 工程位置

濟南市濟洛路穿黃隧道項目南起濟洛路與濼口南路交匯處往南400 m處,北至鵲山水庫與G309相接,中間下穿濟廣高速高架、黃河,隧道全長4 700余米,其中明挖基坑段長度為910 m,盾構開挖段長度為3 850 m。本工程黃河以北部分主要以盾構開挖為主,而黃河以南部分則是以明挖基坑為主,從北向南依次是盾構接收井、軌道交通與市政道路合建段以及汽修廠站段三大部分,而且南岸部分基本位于城區中,周邊建筑物、市政管線等錯綜復雜(見圖1)。

1.2 設計概況

南岸大盾構接收井(如圖2所示)與黃河大堤的距離僅有300多米,其北側是二環北路以及濟廣高速高架,該接收井主要是用于吊運出盾構機,基坑采用明挖法施工,支護形式采用地連墻結構,地連墻最大深度將近60 m,墻幅厚度為1.2 m,共設置八道支撐體系,一、四、七、八層為鋼筋混凝土支撐,二、三、五、六層為鋼支撐,工程場地位于濟濼路北段二環北路南側,距離黃河南岸大堤約340 m,此基坑工程呈矩形,東西長49.4 m,南北長30.2 m,最大開挖深度為35.2 m。

1.3 水文地質條件

南岸大盾構接收井基坑場地為黃河一級階地,開挖土層共為15層,主要包括雜填土、沖填土、素填土、粉質黏土、砂質粉土、粉砂、細砂、鈣質結核、輝長巖等,不良地質則以雜填土、膨脹土、殘積土和風化巖石為主;工程區補水來源主要依靠黃河水、小清河水以及降雨,地下水在-1.60 m～-1.02 m范圍內,徑流、蒸發和人類開采是其主要排泄方式。

2 現場監測方案

2.1 現場周邊環境

在基坑主要影響范圍區內,東側為2棟2層磚混結構商鋪,以及多棟民房建筑,而距離基坑最近處僅有7.02 m;西側為1棟3層磚混結構飯店和1棟2層幕墻結構辦公樓,以及多棟2層民房建筑,最近處距離基坑11.1 m。同時在基坑主要影響區內還有2條污水管、2條給水管和1條燃氣管。其中距離基坑最近的一條給水管線間距僅有1.6 m。為確保基坑施工過程周邊環境安全,根據監測方案要求對基坑周邊環境布設監測點,建筑物共計布設64個監測點、管線共計布設30個監測點、地表沉降點共計布設48個監測點,具體監測點布設位置及影響區域劃分圖如圖3所示。

2.2 周邊建筑物沉降點布置與埋設

1)建筑物沉降監測點布設:a.為了確保監測數據的準確性、真實性,建筑物沉降觀測點的布設工作應當在基坑進行開挖工作之前進行埋設,同時在開挖前采集建筑物沉降初始值。b.依據接收井監測方案要求,在建筑物可能發生較大沉降的四角處、層高變化處等布設監測點,使用沖擊鉆在墻體上打孔,并將孔內浮塵清理干凈,然后灌入環氧樹脂膠,最后插入L型沉降標(見圖4)。

2)地表沉降監測點布設:a.使用鉆機在預定位置鉆出φ150 mm、深度1 m的孔,并對孔底進行夯實;b.在孔內放入不小于φ20、長度1 m的鋼筋,孔底部灌入強度不小于C20、高度20 cm左右的混凝土;c.在混凝土初凝后,將準備好的砂子填入孔內,頂部確保鋼筋頂高于砂面;d.為防止監測點破壞,在監測孔上端安裝了φ140 mm的保護蓋。地表沉降監測點布設模擬圖及現場布設圖見圖5。

3)管線沉降點布設。

2.3 監測方法

沉降量按以下公式進行計算:

ΔH=Hn-H0。

其中,ΔH為監測點沉降量,mm;H0為監測點初始高程,mm;Hn為實測高程,mm。

根據監測點的各期高程值,獲取了各期階段沉降總量、過程變形率、累積變形量等信息。

3 監測頻率

依據濟南市濟洛路穿黃隧道施工盾構接收井的設計圖紙和盾構接收井監測方案,所制定的基坑實施階段的監測頻率及要求見表1。

表1 監測頻率一覽表

4 數據分析

4.1 建筑沉降數據分析

為研究基坑施工開挖過程對周邊建筑物所產生的影響程度,本次選取距離基坑最近的兩棟建筑進行研究。分為基坑東側2層磚混結構的商鋪,以及基坑西側1棟3層磚混結構的鄉里鄉親飯店。由于整個基坑施工監測周期太長,選取部分代表性開挖節點數據開展分析,此次研究共選取10處監測點,2層商鋪監測點共計布設4處監測點,其監測點編號為JGC20-JGC23,鄉里鄉親飯店監測點共計布設6處監測點,其監測點編號為JGC01,JGC02,JGC05,JGC06,JGC07,JGC08,圖6,圖7分別為兩棟建筑在基坑不同開挖節點的數據分析情況。

通過對監測數據的整理分析,本工程地質條件下周邊建筑物會隨著深基坑的開挖工作進展發生沉降,建筑物的沉降量總體趨勢是跟隨開挖深度的加深而逐漸的加大,基坑開挖前期沉降變化速率較快,這主要是由于原始土體狀態受到擾動,原始土體平衡狀態被打破;隨著基坑深度的加深,沉降量基本處于增加狀態,速率會逐漸變緩,基坑開挖工作完成后,沉降量基本趨于穩定狀態。同時通過研究還發現,建筑物遠離基坑一側的沉降量明顯要低于距離基坑較近一側的沉降量;另外,建筑物邊角處的沉降變化量也比其他部位的變化量要高。

4.2 地表沉降數據分析

由于基坑周邊所布設沉降觀測點過多,數據分析量過大,本次分析選取西側一個斷面和北側一個斷面作為研究對象,其編號分別為DBC06和DBC08,監測點DBC06的布設間距從靠近基坑側起分別為2 m,3 m,5 m,8 m,8 m,10 m,監測點DBC08由于受到場地條件限制,其布設間距從靠近基坑側起分別為2 m,3 m,3 m,4 m,兩處監測點的沉降變化規律如圖8,圖9所示。

對以上兩組數據分析,可以最為直觀的看出,地表沉降隨著開挖進程的開展其變化曲線呈現為“湯匙”形和下凹形。同時還可以發現,隨著基坑深度的增加,地表的沉降量也在漸漸增加,DBC06在距離基坑5 m位置處發生沉降量最大,同樣DBC08在距離基坑5 m位置處的沉降量最大,距離基坑位置越遠,其沉降變化量越小。當基坑底板澆筑工作結束后,其地表沉降量值增長速度放緩、趨于平穩。

4.3 管線沉降數據分析

由于工程位置位于居民區主要道路,周邊布設有較多管線,為防止基坑施工對周邊管線引起過大位移,從而造成管線發生損壞,對此次基坑開挖施工對周邊管線產生的影響開展分析,選取主要影響區內5條主要市政管線的部分代表性監測點進行分析研究,選取的監測點編號分別為WSC4,WSC9,GSC4,GSC9,RQC2,RQC4六個監測點,詳細的數據分析情況如圖10所示。

從圖10可以清晰、直觀地看出,隨著基坑開挖施工工作的不斷進行,周邊管線會出現不同程度的豎向沉降情況,總體上的變形走勢表現為沉降值跟隨開挖深度不斷增大,開挖前期變化速率較大,后期變化趨勢逐漸趨于平穩狀態。這主要是由于開挖工作開展以后,致使原有土層的平衡狀態被打破,土體發生了擾動現象,而后期因為支撐的架設、底板及側墻的施工,對基坑起到了很好地支撐保護作用,同時穩定了周邊土體狀態,使得其處于新的平衡狀態。

5 結論

依托于濟南穿黃濟洛路隧道項目,對超深基坑開挖對基坑周邊環境的影響展開了探究,具體得出了以下研究成果:

1)基坑開挖施工會對周邊建筑物產生不同程度的沉降影響,總體上呈正比狀態,即建筑物沉降量會隨基坑深度的增加而變大,同時距離較遠一側沉降值要比較近一側的變形小。

2)基坑周邊土體穩定性會受到基坑開挖的影響,距離基坑5 m處位置的沉降變化值最大,地表沉降與監測點布設間距的關系曲線呈“湯匙”形和下凹形。

3)當基坑進入底板澆筑階段后,其對周邊建筑物的影響會變小,對周邊土體的擾動減弱,周邊環境總體上趨于穩定。

4)基坑周邊管線由于受到基坑開挖施工的影響,其沉降值伴隨著開挖深度的加深而處于不斷增加狀態。