復雜環境下深基坑的變形控制

周艷

(1上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092)

復雜環境下深基坑的變形控制

周艷

(1上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092)

復雜環境下的基坑以控制基坑變形為設計和施工的關鍵。以杭州市彩虹大道市心路地道基坑工程為例，緊臨已建地鐵和高層住宅，而且有相鄰基坑的土釘侵入其基坑范圍內形成地下障礙物，建設環境較為復雜。針對土釘障礙物，先通過槽壁加固將土釘有效地固定住，成槽施工時利用抓斗的抓力直接切斷土釘。實踐表明上述清障方案效果很好。為控制基坑變形、減小基坑開挖對地鐵和高層住宅的影響，采用了劃分小基坑、坑內土體加固、對稱開挖、設置隔離樁、設置應急降水井等多項保護措施。數值模擬分析與施工監測均表明，上述措施有效地控制了基坑變形，保護了周邊環境的安全。其經驗總結對類似深基坑工程具有參考價值。

深基坑；變形控制；清障；槽壁加固；基坑監測；數值模擬

0　引言

隨著城市對于地下空間利用的快速發展，高樓林立的市區里深基坑工程越來越多，這些基坑經常面臨建筑物、地鐵、市政管線、地下障礙物等復雜的環境。在杭州等地下水位較高的軟土地區，由于深基坑工程開挖易造成土體變形，如果處理不當會引起建筑物、地鐵、市政管線的破壞[1]。地下障礙物對地下工程施工同樣關系重大，輕則影響工程樁及圍護樁的施工進度與質量，重則造成重大事故。因此地下障礙物的清理是圍護結構施工順利與否的前提保障[2]。

楊石飛[3]等介紹了目前常用的清障技術和典型案例,對深部清障技術的發展趨勢作了簡單概括。周建昆[4]等采用有限元分析方法對隧道在基坑施工過程中所產生的變形影響進行了分析。張治國等[5]研究了基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法，指出了計算基坑開挖所引起的隧道位置處的土體附加應力。

本文以杭州市彩虹大道市心路地道基坑工程為例，探討了復雜環境下的基坑支護型式，以及環境保護措施，數值模擬分析與監測結果均表明達到了保護環境的預期目標。其經驗總結對類似復雜環境下的深基坑工程具有一定參考價值。

1　工程概況

彩虹大道位于杭州市，呈東西走向，是杭州市“三縱五橫”快速路系統的組成之一。彩虹大道采用地道形式相繼下穿高層住宅小區旺角城和市心路。地道暗埋段采用鋼筋混凝土箱形結構，單箱雙室，結構總寬為29.7 m。

2　周邊環境概況

彩虹大道市心路地道處在高層住宅旺角城一期與旺角城二期之間，旺角城二期地下室圍護樁外邊線與地道圍護邊線最近距離為1.29 m；旺角城一期地下室外墻與地道圍護邊線最小距離4.80 m。兩者平面關系見圖1所示。

圖1　彩虹大道市心路地道與旺角城關系圖

彩虹大道在市心路路口與杭州市地鐵二號線相交，地鐵二號線杭發廠站在其地下一層內預留空間，彩虹大道從預留空間內穿過。兩者平面關系見圖2所示。基坑一側緊鄰地鐵2號線人民路站～杭發廠站區間。35#暗埋段地下連續墻距離地鐵隧道左線管片最近距離約2.15 m，37#暗埋段鉆孔樁距離地鐵隧道右線管片最近距離約1.43 m。

圖2　彩虹大道市心路地道與地鐵關系圖

3　工程地質與地下水

擬建場地地貌類型為沖海積平原，場地地勢較平坦。潛水賦存于淺部土層中，其補給來源主要為大氣降水與地表逕流和河流補給。勘察期間測得地下水靜止水位埋深在0.5～1.60 m之間。

該基坑土層從上到下依次為：淺部為灰色、灰黃色黏質粉土、淤泥質粉質黏土夾粉土、砂質粉土；中部為淺海相灰、深灰色淤泥質粉質黏土；向下逐漸過度為中部為灰色、下部巖性為淺灰、灰色、灰黃色粉砂、圓礫，分選性較好。土層設計參數如表1所列。

表1　土層分布及設計參數表

4　工程重點難點

（1）該工程緊臨已建的地鐵二號線，基坑開挖期間可能引起區間隧道側向變形，影響軌道交通運營。

（2）該工程緊臨高層住宅旺角城一期與二期。北側旺角城二期地下室圍護樁外邊線與地道圍護邊線最近距離為1.29 m；南側旺角城一期地下室外墻與地道圍護邊線最小距離為4.80 m。

（3）擬建場地內存在地下障礙物。緊臨的旺角城一期原圍護結構為土釘墻，土釘墻長度為9 m～15 m，多數土釘已侵入到彩虹大道基坑范圍內，成為圍護樁施工時的地下障礙物。圍護樁選型需考慮清障及圍護成樁的實施可行性。

5　清障方案的比選

由于土釘等地下障礙物的存在，地下連續墻、鉆孔灌注樁等圍護型式無法直接施工，必須清理地下障礙物。考察類似工程實踐經驗，清障有以下三種方案可以選擇：

（1）采用硬切割咬合樁作為圍護結構。清障原理如下：咬合樁成孔套管采用高強合金齒的鋼管，用大扭矩鉆管機（CD機）帶鋼管鉆入地下，可直接切斷障礙物，以旋挖機械將管中障礙物和土石等取出。

（2）采用帶槽壁加固的地下連續墻作為圍護結構。清障原理如下：先進行槽壁加固，槽壁加固一方面將土釘有效地固定住以確保抓斗能切斷土釘，另一方面可防止帶出土釘時引起槽壁坍塌。成槽施工時利用抓斗的抓力可直接切斷土釘，且斷掉的土釘將隨土一道被取出。這種清障法主要適用于土釘的清障。

（3）先采用三軸攪拌樁清除土釘障礙物后再進行圍護結構施工：先采用三軸攪拌樁進行土釘清除；再利用三軸攪拌樁轉軸的轉動將土釘纏繞并帶出；然后再進行圍護結構施工。

為選擇切實有效的清障方案，施工前在現場進行了清障試驗。試驗結果表明地下連續墻清障效果好，而且施工經驗成熟。綜合考慮清障及圍護成樁的實施可行性，該基坑圍護結構采用帶槽壁加固的地下連續墻。

6　基坑圍護設計方案

基坑圍護方案的選定不僅要滿足地道結構土建施工的要求，而且要確保周圍環境安全可靠，盡量達到既經濟合理又方便施工的標準。圖3為基坑圍護剖面圖。

圖3　基坑圍護剖面圖

6.1圍護結構選型

綜合考慮清障及圍護成樁的實施可行性，該基坑圍護結構采用地下連續墻。地下連續墻墻厚800 mm，插入比約1:1.6，墻深約31 m。

地下連續墻槽壁加固常用的方法有高壓旋噴樁，雙軸水泥土攪拌樁和三軸水泥土攪拌樁三種形式。其中，高壓旋噴樁施工時對土體擾動較大，雙軸水泥土攪拌樁的止水效果可靠性不高，因此該工程采用土體擾動較小、止水效果更好的三軸水泥土攪拌樁作為槽壁加固體。

6.2支撐系統選型

基坑常用的支撐有鋼筋混凝土支撐和鋼支撐兩種形式。一般來說，鋼筋混凝土支撐穩定性可靠性較好；鋼支撐施工速度較快，利用時空效應原理減少基坑變形。

根據杭州地區基坑經驗，如果全部采用鋼支撐可能發生失穩，因此，該工程采用鋼筋混凝土支撐與鋼支撐結合的方式。首道支撐采用穩定性較好的鋼筋混凝土支撐，二、三道支撐采用鋼支撐系統。

靠近地鐵的基坑采用自動軸力補償鋼支撐系統。鋼支撐預應力伺服系統采用局部獨立式鋼支撐軸力補償液壓系統，即每3～4根需軸力補償的鋼支撐配置一套相對的小泵站液壓系統，能大大提高軸力補償所需要的系統響應精度，保證施工質量。盡可能降低對地鐵的影響。

6.3坑內土體加固

為控制基坑的位移，有效地保護地鐵區間隧道，對坑底土體進行抽條加固處理。土體加固常用的有高壓旋噴樁，雙軸水泥土攪拌樁和三軸水泥土攪拌樁三種形式。其中，高壓旋噴樁施工時對土體擾動較大，雙軸水泥土攪拌樁的止水效果可靠性不高。因此該工程采用土體擾動較小、止水效果更好的三軸水泥土攪拌樁作為坑內加固體。

6.4分區分塊開挖，及時支撐

為控制基坑的位移，將臨近建筑物、地鐵的基坑劃分成較小基坑。土方開挖分層分段分塊進行，并及時支撐。同時，對地鐵東西兩側基坑采取同步、對稱開挖施工方式，以避免兩側土壓力差過大。

6.5設置隔離樁

為減小基坑開挖對地鐵的影響，在地鐵車站雙側均設置一段隔離樁。由于地道與車站接口位置極易開裂而漏水，在接頭東西兩側均設置一段隔離樁，靠近隧道側延伸9 m。

6.6設置應急降水井

于臨近地鐵基坑外設置備用應急降水井，用以檢驗止水帷幕的止水效果，在確保止水帷幕達到預期效果后，方可進行土體開挖。

7　基坑開挖對旺角城一期影響的數值分析

7.1PLAXIS數值分析模型

該項目采用有限元程序PLAXIS就基坑開挖對南側旺角城一期建筑物的影響進行了數值分析。

PLAXIS建模簡述如下：土體采用Mohr-Coulomb模型。土體參數根據巖土勘察報告提供。圍護結構采用Plate單元模擬，支撐系統采用Anchor單元模擬。該項模擬的計算范圍深度為45 m，水平向60 m。同時對模型邊界左右兩側進行X向（水平向）約束，下側進行Y向（豎直向）約束。采用15節點三角形單元進行模擬土體。模擬嚴格按照實際施工步驟分步進行。

7.2PLAXIS數值分析結果

根據PLAXIS模擬分析結果，基坑施工期間相鄰建筑物的位移，如圖4、圖5所示。PLAXIS計算結果匯總于表3。

圖4　相鄰建筑物土體水平位移云圖（單位：mm）

圖5　相鄰建筑物土體豎向位移云圖（單位：mm）

表3　PLAXIS計算結果匯總表　mm

根據相關規范和工程經驗，表3理論計算結果能滿足對建筑物的保護要求。

8　基坑開挖對地道影響的數值分析

8.1PLAXIS數值分析模型

該項目采用有限元程序PLAXIS就基坑開挖對地鐵二號線區間隧道的影響進行了數值分析。PLAXIS建模如7.1節所述。

8.2PLAXIS數值數值分析結果

根據PLAXIS模擬分析結果，基坑施工期間區間隧道的土體位移，如圖6、圖7所示。PLAXIS計算結果匯總于表4。

圖6　區間隧道土體水平位移云圖（單位：mm）

圖7　區間隧道土體豎向位移云圖（單位：mm）

表4　PLAXIS計算結果匯總表mm

根據相關規范和工程經驗，表4理論計算結果能滿足對區間隧道和地鐵車站的保護要求。

9　施工監測

在該工程基坑施工的全過程中，對基坑圍護、周邊土體、周邊建筑物、區間隧道和地鐵車站都進行了同步監測。

9.1基坑圍護監測結果

該工程基坑施工期間，土體累計最大深層水平位移為如圖8所示，基坑圍護墻頂累計沉降量如圖9所示。

圖8　深層土體水平位移曲線圖（單位：mm）

圖9　基坑圍護墻頂沉降曲線圖

土體累計最大深層水平位移與支護結構墻體累計最大深層水平位移，均未超出設計報警值?；又黧w圍護及周邊建筑物沉降數據顯示基坑在開挖施工期間沉降均勻，基坑地下水位保持相對穩定，支撐軸力變化正常。從監測結果及現場的實際情況看，數據整體較穩定，施工期間基坑安全。

9.2建筑物監測結果

基坑周邊的臨近建筑主要是兩棟旺角城居民樓，距離該工程基坑最近距離約4.8 m，基坑施工期間，對其進行了同步監測。設置如下監測內容：建筑物人工沉降監測；建筑物人工傾斜監測；建筑物自動沉降監測；建筑物自動傾斜監測。自動沉降監測采用靜力水準全自動監測方法，自動傾斜監測采用自動傾斜儀全天侯自動監測房屋傾斜的方法，并采用DAMS-4型智能分布式數據自動采集系統進行數據采集。監測結果如圖10所示和表5所列，均未超出報警值，在安全可控范圍內。

圖10　旺角城居民樓沉降曲線圖（單位：mm）

表5　旺角城居民樓傾斜數據統計表

9.3地鐵監測結果

基坑施工期間，對地鐵區間隧道進行了同步監測，監測方法與建筑物類似，監測結果如圖11所示。隧道內部沉降未超出報警值，在安全可控范圍內。

圖11　區間隧道沉降曲線圖（單位：mm）

10　結　語

本文以杭州市彩虹大道市心路地道基坑工程為例，由于原相鄰建筑物基坑的土釘侵入該基坑范圍內形成地下障礙物，綜合考慮清障及圍護成樁的實施可行性，采用帶槽壁加固的地下連續墻作為圍護結構，并輔以劃分小基坑、坑內土體加固、對稱開挖、設置隔離樁和備用應急降水井等各項保護措施，結合數值模擬與各類監測數據分析可知，上述措施對于控制基坑變形，保護基坑、地鐵及周邊的房屋安全是切實有效的。該工程的經驗可以為類似的基坑工程提供參考和指導。

[1]劉建航，侯學淵，等．基坑工程手冊[M]．北京:中國建筑工業出版社，1997：35-36.

[2]王良崗，王良飛，地下清障施工技術[J]．浙江建筑，2002,（3）：32-33.

[3]楊石飛，顧國榮，王福林.深層清障技術縱論[J]．地下空間與工程學報，2008,4(2)：387-400.

[4]周建昆，李志宏．鄰近地鐵隧道基坑工程對隧道變形影響的數值分析[J]．地下空間與工程學報，2010,6（增1）：1398-403.

[5]張治國，張孟喜，王衛東． 基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法[J]．巖土力學，2011,32(7):2085-2092.

TU46+3

B

1009-7716（2016）04-0098-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.031

2016-01-07

周艷（1970-）,女，上海人，碩士，工程師，一級注冊結構工程師，從事結構工程設計和研究工作。