超深TRD工法下基坑逆作法施工對周邊環境影響分析

秦志龍

(上海建工二建集團有限公司，上海 200080)

0 引言

上海地區屬于濱海平原地貌，分布著大量淤泥、淤泥質黏土和淤泥質粉質黏土，局部場地存在承壓水穩定性問題，這對基坑工程中止水帷幕的止水效果提出了較高要求，以減少基坑開挖對周邊環境的擾動影響。

隨著基坑工程往深大方向發展，國內外學者對超深TRD工法在基坑工程中的應用進行了比較深入的研究。王衛東等[1]根據3個深大基坑工程實例側向位移的監測結果，分析了超深TRD水泥土攪拌墻施工對周邊環境的影響，并從施工角度提出了敏感環境下控制攪拌成墻微變形影響的技術措施。謝兆良等[2]通過現場原位試成墻試驗確定施工參數，采用TRD工法隔斷承壓含水層，最終控制坑外土體分層沉降量在5mm以內。王衛東等[3]通過對上海國際金融中心項目56m深TRD工法試成墻試驗研究，對TRD工法的特點進行了分析。譚軻等[4]以上海典型軟土地層為背景，采用三維“m”法對型鋼和水泥土的相互作用和承載變形性狀進行了理論分析，主要通過對其變形、彎矩分擔和局部抗剪的規律研究，對工程設計中的相關問題予以明確，并結合實測工程墻體變形進行了對比。魏祥等[5]通過武漢長江航運中心大廈深基坑工程設計實例，初步研究了TRD 水泥土攪拌墻作為落底式止水帷幕在武漢地區一級階地土層中的施工可行性、成墻質量及滲透性情況。王剛等[6]通過對南昌綠地中央廣場某深基坑工程的監測，分析了基坑工程開挖過程中周邊道路沉降、TRD圍護墻頂水平和垂直位移、TRD圍護墻體水平位移、坑外地下水位變化以及鋼筋混凝土支撐軸力變化。

本文基于上海某超深TRD工法下基坑逆作法施工，介紹了工程的周邊環境及地質特點、工程監測點布置、監測預警值確定，通過有限元及現場監測分析基坑開挖對超深TRD圍護結構及周邊環境與圍護設計方案的影響，為類似工程提供參考。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

擬建工程位于上海市楊浦區，南側和西側為道路，北側為現有建筑，東側為坡地公園。擬建建筑為C樓(12～17層)、D樓(2～3層)兩棟辦公樓及附屬設施，整體設2層地下車庫。項目建設用地面積20 624m2，總建筑面積約61 868 m2，其中地上建筑面積約42 160 m2，地下建筑面積約19 708 m2。

基坑南側和西側道路地下埋有多條市政管線，據本工程的距離如表1和表2所示。

表1 南側道路地下管線信息

表2 西側道路地下管線信息

1.2 材料本構關系

土體本構模型采用HS模型，圍護樁及周邊構筑物采用梁單元，支撐采用彈簧單元模擬，結構與土體的相互作用采用接觸面模擬。按對稱模型建立，模型尺寸為85m×40m，計算模型的上邊界為自由邊界，左右兩側邊界約束水平位移，底邊界約束水平和豎向位移。土體參數根據巖土工程勘察資料取值(見表3)。基坑開挖影響范圍內土層性質如下：①填土 雜色；②黏土 可～軟塑，高等壓縮性；③淤泥質粉質黏土夾黏質粉土 流塑，高等壓縮性；③夾黏質粉土 松散～稍密狀，中等壓縮性；④灰色淤泥質黏土 流塑，高等壓縮性；⑤1灰色黏土 軟塑，高等壓縮性；⑤2-1層灰色砂質粉土 中密，中等壓縮性；⑤2-2灰色黏質粉土夾粉質黏土 中密，中等壓縮性；⑤3-1層灰色粉質黏土 稍密～中密，中等壓縮性。其中⑤2層為微承壓水含水層，最淺埋深為18.65m，不滿足基坑抗突涌穩定性要求。

1.3 基坑圍護設計方案

擬建工程基坑面積約1萬m2，周邊延長米約490m，挖深約9.75～10.25m，四周環境以道路、地下管線和保留建筑為主，場地施工空間有限。同時土層中分布有微承壓水，基坑抗突涌穩定性不滿足要求，止水結構施工深度需達40m以上，且土層中含有粉性土、砂性土，對止水效果要求較高。綜合比較，圍護設計方案選用鉆孔灌注樁+TRD止水的圍護形式，基坑工程剖面如圖1和圖2所示。

圖1 南側基坑支護剖面

表3 土層物理力學指標

圖2 西路側基坑支護剖面

2 有限元分析結果

2.1 計算荷載步的選用

擬建基坑為逆作法施工，根據實際工況，數值模擬分析分為以下計算荷載步：①形成初始應力場；②施工圍護樁、施加地面超載；③降水至基底以下0.5m；④開挖第1層土至第1層樓板底面；⑤施工第1層樓板，后開挖土層至地下1層樓板底面；⑥施工地下1層樓板，后開挖土層至坑底；⑦施工底板。

2.2 圍護結構變形

根據基坑南側和西側水平變形云圖，可見圍護結構最大水平位移均發生在坑底附近，約地面下12.3m左右，其中南側最大值約26.8mm；西側最大值約22.65mm。這與現場監測典型孔P09的最大變形約26.4mm，位于地面下12.5m的結果較為接近，也證實了有限元結果的合理性。

2.3 周邊管線變形

對上述有限元模型中道路管線的變形進行分析，南側道路地下管線變形隨著與基坑距離的增大，管線變形最大值分別為17.84，16.87，18.40，18.00，17.92，16.24，11.94mm，均小于變形報警值20mm。西側道路地下管線變形隨著與基坑距離的增大，管線變形最大值分別為13.50，13.47，11.32，9.04，8.50mm，均小于變形報警值20mm。

3 監測結果分析

3.1 監測方案

根據基坑設計單位的要求及相關規范，在3倍基坑開挖深度影響范圍內布點，本工程的監測內容主要包括周邊環境和圍護體系監測，本文僅對部分監測內容進行分析。其中周邊環境監測內容包括：①地下綜合管線豎向、水平位移監測；②坑外地表豎向位移剖面監測；③坑外潛水水位觀測。圍護體系監測內容包括:①圍護頂部豎向位移、水平位移監測；②圍護結構側向位移監測。上述監測內容的報警值如表4所示。

表4 監測預警值

3.2 圍護結構變形

對基坑開挖期間圍護結構的側向位移進行監測，選取典型孔號P09進行分析。不同施工階段圍護樁的側向變形隨深度的變化曲線如圖3所示，隨著開挖的進行，最大變形逐漸下移，最終穩定在坑底附近。其中B0板澆筑養護工況變形較小；B1板澆筑養護工況變形最大值約11.4mm，位于地面下9m附近；底板澆筑養護工況變形最大值約26.4mm，位于地面下12.5m附近；均小于報警值30mm。

圖3 墻體側向變形-深度曲線

圍護墻墻頂垂直位移隨時間的變化曲線如圖4所示，分別選取南側和西側圍護邊典型監測點進行分析，可見圍護墻頂垂直位移最大值約2.80～5.50mm；隨著開挖的進行，圍護墻頂垂直位移呈增大趨勢，但均小于報警值30mm，且相差較大。

圖4 圍護墻頂垂直位移-時間曲線

3.3 地表沉降變形

為監測基坑開挖施工對周邊土體的擾動范圍，在南側和西側道路坑外地表布置測點，每組沉降剖面從基坑圍護外側2m算起，按5m的間距分別設置5個豎向位移監測點，共計20個地表沉降測點。選取南側道路B3測點(道路中點處)分析不同位置地表沉降變形隨時間的變化規律及沉降隨距基坑邊距離增大的變化規律，如圖5,6所示。

圖5 南側道路沉降-時間曲線

圖6 南側道路沉降曲線

如圖5所示，不同位置處地表沉降大致相同，工程樁及圍護樁期間沉降變化幅度較大，隨著開挖的進行地表沉降呈現緩慢增加趨勢，地表沉降最大值約22.6mm，小于報警值25mm。

圖6顯示道路沉降隨距基坑距離的增大呈現凹槽形，最大變形發生在距離基坑邊12m處，最大值約22.6mm。相關文獻表明，地表沉降發生在距基坑邊一定距離處，距離基坑邊0～12m變形較小，這主要由于圍護樁與土體的摩擦作用對土體沉降有一定的限制作用。

3.4 地下水位及孔隙水壓力

場地土層中⑤2層為微承壓水含水層，基坑抗突涌穩定性不滿足要求，本工程采用TRD工法對其進行隔斷處理。

為驗證TRD工法的封閉性及止水效果，在基坑周邊布置10個地下水位觀測點，選取基坑南側WS7，WS8和WS9共3個測點分析坑外水位隨基坑開挖施工的變化規律，如圖7所示。可見，不同測點位置，坑外水位變化規律大致相同且變化整體較穩定，大致穩定在地表下600mm處，遠小于水位報警值1 000mm，這體現了TRD工法良好的封閉性和止水性，對周邊環境擾動小。

圖7 坑外地下水位-時間曲線

3.5 周邊管線變形

選取道路南側和西側道路管線進行分析(見表1,2)。基坑南側和西側管線在不同施工時間的沉降變形如圖8，9所示，不同管線變形規律大致相同。

圖8 南側地下管線變形

圖9 西側地下管線變形

如圖8所示，工程樁及圍護樁施工期間(0～125d)，管線略有隆起，隆起值最大約6mm；隨著基坑開挖及樓板的施工，管線呈現沉降趨勢且越來越大；直至底板澆筑完成，隨著距離基坑的距離增大，變形最大值分別為7.08，10.27，18.85，18.99，17.89，15.92，11.88mm，均小于變形報警值20mm。

圖8中，豎向位移數據為“+”表示測點向上位移，數據為“-”表示測點向下位移。

如圖9所示，隨著基坑開挖及樓板的施工，管線呈現沉降趨勢且越來越大；直至底板澆筑完成，隨著距離基坑的距離增大，變形最大值分別為19.03，16.35，9.86，10.24，6.04mm，均小于變形報警值20mm；由于本工程基坑為逆作法，底板施工完成后無拆撐工況，后續工況對周邊管線的影響較小。

有限元模擬結果揭示，底板澆筑工況南側和西側管線最終變形最大值與現場監測結果較為接近，也證實了有限元模型的合理性。

4 結語

1)通過有限元及監測結果分析，鉆孔灌注樁+TRD止水“逆作”的圍護形式下圍護體系的變形及對周邊環境的影響均在規范允許范圍內。

2)有限元結果表明，基坑南側和西側最大水平變形分別為26.8mm和22.65mm，大致位于地面下12.3m附近，這與監測結果較為吻合；周邊管線變形最大值的有限元結果也與現場監測數據相近；有限元模擬較為合理，可評估基坑施工對周邊環境的影響。

3)監測數據表明，基坑水平位移最大值為26.4mm，位于坑底附近，圍護墻頂位移控制較好，僅為3.28～4.10mm，均小于監測報警值30mm。

4)基坑開挖施工對周邊環境的影響較小，其中周邊土體沉降最大值約為22.6mm，小于監測報警值25mm；南側管線沉降最大值約7.08～18.99mm，西側管線沉降最大值約6.04～19.03mm，均小于監測報警值20mm。

5)TRD工法的施工深度可達20～60m；本工程中施工深度為41m，監測數據表明，坑外水位變化較穩定且較小，最大變化值為地表下600mm，小于監測報警值1 000mm。

6)TRD工法的連續性、封閉性、隔水性及穩定性較好且施工深度遠大于常規雙軸及三軸攪拌樁止水帷幕，在承壓水處理領域具有較高的推廣應用價值，本工程可為類似超深隔水帷幕的設計與施工提供參考。