長江漫灘區逆作法施工超深基坑支護結構變形受力分析*

李 丹，武文清，楊 濤，童立元

(1.南京市公共工程建設中心，江蘇 南京 210019； 2.中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250000；3.東南大學交通學院，江蘇 南京 210000)

0 引言

長江漫灘區地質條件復雜，這對該區域超深基坑工程的設計和施工帶來了挑戰[1-2]。同時，超深基坑開挖支護變形受力規律已經成為目前研究的熱點問題之一[3-9]。

目前關于長江漫灘地區超深基坑支護結構變形受力特性研究開展尚少。本文以長江五橋江南工作井超深基坑為依托，結合現場監測數據，著重分析了漫灘區域逆作法施工超深基坑的圍護墻深層水平位移、地表沉降、支撐軸力及立柱樁沉降等支護結構監測數據隨基坑開挖進程的變化規律。

1 工程概況

本工程位于南京長江五橋項目南端，為盾構接收井，東側與已建成通車的青奧軸線地下工程連接，西側距離夾江約150m，周邊環境復雜。該工程采用明挖逆作法施工，地下連續墻與主體結構內襯墻形成疊合墻結構，共同受力。基坑開挖深度為38.9m，開挖最大寬度為50.3m。圍護結構為1 200mm厚地下連續墻，墻深59.9m，進入中風化砂質泥巖。地下連續墻外側2.5m處為800mm厚塑性止水墻，與地下連續墻同深。基坑西側為端頭加固區(20m旋噴加固+3m冷凍加固)。基坑支護體系為4道板撐+4道鋼筋混凝土支撐+2道鋼支撐。支撐分別為第1道采用鋼筋混凝土支撐，第2,3道采用鋼支撐(實際施工方案調整后取消)，第4～6道采用鋼筋混凝土支撐。板撐分別為1 500mm厚頂板、800mm厚地下1層板、800mm厚地下2層板及1 800mm厚底板(見圖1)。按照規范劃分要求，本工程自身風險等級為一級(開挖深度>20m)，周邊環境風險等級為一級(主要影響區內存在已建成通車的青奧軸線地下工程隧道及夾江)。

圖1 基坑剖面

2 工程地質與水文地質條件

2.1 工程地質條件

根據工程地質勘察報告，本工程所穿越的地層復雜多變，具有多種地質形態，且分布不均(見圖1)。基坑所在場地主要土層物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數

2.2 水文地質條件

場地所在區域氣候濕潤，雨量充沛，降水時間長，長江等地表水體與地下水的水力聯系較好，在豐水期對地下水有補給作用。根據含水層的巖性、埋藏條件和地下水賦存條件、水力特征，可分為松散巖類孔隙潛水、松散巖類孔隙承壓水和碎屑巖類孔隙-裂隙水。潛水主要分布于③4粉質黏土層中，靜止水位標高4.840～5.120m；松散巖類孔隙承壓水主要分布于③1層、③2層、③3層粉細砂及④層礫砂、含礫中細砂(局部粉細砂)，該范圍直接與江水相通厚度 40～60m，水位標高5.010～5.670m。

3 現場監測方案

依托項目屬于開挖深度近40m的超深基坑，監測等級為一級，根據現場實際情況，開挖深度3倍范圍內的地下管線、建(構)筑物及本工程圍護、支護結構作為監測保護對象。本文重點分析的監測數據為地下連續墻深層水平側移(測點編號JS-CX5)、地表沉降(測點編號JS-DB)、支撐軸力(測點編號JS-ZL)及立柱樁沉降(JS-LZ)。

對應監測數據與基坑開挖、支撐設置、結構側墻及底板澆筑等關鍵工序如表2所示。

表2 基坑施工工序

4 監測結果分析

4.1 地下連續墻深層水平位移規律分析

選取南側地下連續墻深層水平位移進行分析，如圖2所示。由圖2可以看出：隨著基坑開挖深度的增加，墻體的側向位移逐步增大，最大側移的位置開始下移，且位移最大值基本發生在開挖面以上2～6m的位置，即地下連續墻變形逐漸變為通常的“脹肚形”。此外，在逆作法施工過程中主體結構內襯墻與地下連續墻共同受力變形，地下連續墻水平位移隨著開挖深度的增長呈現階梯形增加。基坑開挖完成后，地下連續墻最大水平位移為36.8mm，為開挖深度的0.095%，低于南京地區基坑開挖深層水平位移與開挖深度比值的平均值0.24%[8]。

圖2 地下連續墻深層水平位移與深度關系曲線

4.2 地表沉降規律分析

基坑南側地表受施工擾動相對較小，并且監測數據較為完整，可以更加準確體現出基坑開挖導致的地表沉降，故本文選取了南側跨中位置處的地表沉降進行分析。地表監測點與基坑的距離分別為2，6，14，22m及30m，地表沉降統計如圖3所示, 圖中正值表示上升(隆起)，負值表示沉降。由圖3可以看出：基坑開挖初期，基坑附近地表呈現先小幅隆起然后下沉的變化趨勢。分析認為開挖初期地下連續墻發生向基坑內側水平位移及變形時，會帶動并影響墻后一定范圍地表土體，發生輕微的隆起現象。此外，距離基坑14m左右的位置，地表沉降基本達到最大值30.9mm，出現在基坑開挖完成后。同時，可以看到基坑第5層開挖過程中，地表沉降值變化最大，這也與上述地下連續墻深層水平位移規律相似。經分析，由于在第5層開挖時，第4層結構側墻未全部施工完成，因此導致第5層開挖引起的圍護結構水平位移及地表沉降相對較大。

圖3 地表沉降與基坑距離關系曲線

4.3 支撐軸力分析

根據監測數據的完整程度，選取了4道混凝土支撐相同位置處的2個測點，共7個測點(由于第3道混凝土支撐無角撐，故該道支撐只選取了1個測點)進行分析。支撐軸力與基坑開挖階段關系曲線如圖4所示，由圖4可以看出：隨著開挖深度的增加，深度大的支撐受壓較大，最大值為10 651.3kN，出現在最后一道混凝土支撐角撐處。同時可以看到，由于在開挖過程中多道支撐的施作，下部支撐分擔了上部支撐部分軸力，軸力進行了重分配，故每道支撐的軸力是動態變化的，例如第1道支撐受力為先增加后減小。

圖4 支撐軸力與基坑開挖階段關系曲線

4.4 立柱樁沉降分析

本文選取了6個立柱樁測點進行分析，立柱樁隆起與基坑開挖階段關系曲線如圖5所示。由圖5可以看出，由于基坑開挖卸荷引起坑底隆起，立柱樁在開挖進程中呈現隆起的狀態。針對本工程，基坑在第5層開挖完成后，立柱樁隆起值呈現穩定趨勢，最大值為18.5mm。

圖5 立柱樁隆起與基坑開挖階段關系曲線

5 結語

1)在整個基坑開挖過程中，由于逆作法施工中主體結構內襯墻與地下連續墻共同受力變形，地下連續墻深層水平位移變形呈現階梯形增加，并且最大水平位移與開挖深度比值低于南京地區平均值。最大側移位置隨著開挖進程下移，且位移最大值基本發生在開挖面以上2～6m的位置。

2)基坑附近地表呈現先小幅隆起然后下沉的變化趨勢；距離基坑14m左右的位置，地表沉降基本達到最大值。

3)隨著開挖深度的增加，深度大的支撐受壓較大；多道支撐體系下，不同深度的支撐軸力隨著開挖進程進行重分配，每道支撐的軸力呈現先增加后減小的狀態。

4)第5層開挖完成后，立柱樁隆起值呈現穩定趨勢，最大值為18.5mm，未超過監測報警值。

綜上所述，本工程實例在控制超深基坑結構變形方面具有一定的代表性，對長江漫灘地區的深大基坑設計、施工和預測具有較大的參考價值。