軟土地區(qū)鄰地鐵深基坑土方開挖及監(jiān)測(cè)分析

孫仲謀，卜世龍，徐 航，常運(yùn)華，呂玉寶，胡偉明

（1 中建宏達(dá)建筑有限公司，北京 100043；2 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

0 引言

近些年，由于城市基礎(chǔ)設(shè)施的逐漸成熟，深基坑工程對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)要求越來越高，在鄰近地鐵等重要建筑物時(shí)的基坑開挖研究分析也逐漸得到學(xué)者和工程師的重視［1，2］。目前普遍采用的方法是分倉(cāng)法，即將鄰近地鐵的一部分基坑延后開挖，開挖時(shí)采用鋼管撐減少支撐形成時(shí)間，縮短地鐵側(cè)基坑的暴露時(shí)間以控制其變形，但應(yīng)用分倉(cāng)法施工，地庫(kù)甚至主體塔樓、裙房不能一次完成施工，對(duì)結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量以及施工進(jìn)度會(huì)造成一定影響。本文以蘇州市一未采用分倉(cāng)法的鄰地鐵深基坑項(xiàng)目為例，介紹了該工程的支護(hù)設(shè)計(jì)以及分層分塊、盆式開挖的土方開挖方案，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)開挖過程中基坑變形情況進(jìn)行了分析，得出了軟土地區(qū)深基坑變形的規(guī)律特征，并基于其規(guī)律特征提出了設(shè)計(jì)及施工建議。

1 工程概況與土方開挖

1.1 工程概況

案例項(xiàng)目位于江蘇省蘇州市（以下簡(jiǎn)稱“本工程”），包含 1 棟超高層建筑，內(nèi)含 53 層的酒店公寓和 35 層的自持辦公室，整體設(shè)有 4 層地下室。基坑面積約 6 900 m2，周長(zhǎng)約 330 m。基礎(chǔ)底板面標(biāo)高約為 -18.600，裙樓區(qū)域底板厚度為 800 mm，承臺(tái)厚 1 400 mm；塔樓區(qū)域底板厚度為 3 000 mm、3 200 mm，承臺(tái)厚 3 000 mm、3 600 mm，考慮墊層厚 200 mm，基坑挖深為 19.2～21.6 m。場(chǎng)地內(nèi)土層情況如表1 所示，圖1 為對(duì)應(yīng)的場(chǎng)內(nèi)典型地質(zhì)剖面圖。

圖1 典型地質(zhì)剖面圖

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

基坑南側(cè)鄰近地鐵車站，地鐵車站本體結(jié)構(gòu)與本工程地下室外墻的距離約 8.0 m，地鐵車站頂埋深約2.9 m，底埋深約 15.5 m，底板厚度 900 mm。地鐵車站為兩層三～四跨箱形結(jié)構(gòu)，基坑西南側(cè)鄰近地鐵 1 號(hào)線車站 3 號(hào)風(fēng)井，風(fēng)井結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)，風(fēng)井埋深約 8.95 m，距離本工程地下室外墻的最近距離為5.9 m。地鐵車站是本工程基坑開挖階段需重點(diǎn)保護(hù)的對(duì)象之一。

根據(jù)周邊環(huán)境、基坑挖深和地質(zhì)情況，本工程基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)地鐵側(cè)（西南側(cè)、南側(cè)）變形控制值為±35 mm，非地鐵測(cè)（西北側(cè)、北側(cè)、東側(cè)）變形控制值為±50 mm。設(shè)計(jì)采用地下連續(xù)墻與五道鋼筋混凝土內(nèi)支撐組合支護(hù)型式，地鐵側(cè)增設(shè)三軸攪拌樁進(jìn)行坑內(nèi)加固，車站周邊設(shè)置的地下連續(xù)墻厚 800 mm，墻底相對(duì)標(biāo)高為 -30.444，風(fēng)井結(jié)構(gòu)圍護(hù)采用 SMW 工法樁，SWM 工法樁采用φ850@600 三軸攪拌樁內(nèi)插型鋼。本工程基坑支護(hù)包括的主要施工為：隔離樁、地下連續(xù)墻、三軸水泥攪拌樁、灌注樁、高壓旋噴樁、RJP 超高壓噴射注漿、MJS 超高壓噴射注漿及鋼筋混凝土支撐。

1.2 土方開挖方案

由于本工程自身功能要求及現(xiàn)場(chǎng)基坑情況，不具備基坑分倉(cāng)施工條件，因此合適的土方開挖方案對(duì)控制基坑變形尤為重要。盆式開挖是常用的用來控制基坑變形的開挖方式，一般而言，預(yù)留土體坡肩寬度 10 m 以上將有效抑制基坑變形［3］。本工程采用分層分塊、盆式開挖，隨挖隨撐的土方開挖及支護(hù)施工方案，地鐵側(cè)地連墻暴露時(shí)間控制在 24 h 以內(nèi)，其余側(cè)地連墻暴露時(shí)間控制在 48 h 以內(nèi)，以最大限度地減小基坑變形。

本工程首層土方開挖深度較淺，對(duì)基坑變形影響小，采用盆式開挖、分塊開挖的方式，將基坑分為 5 個(gè)大區(qū)、9 個(gè)小區(qū)進(jìn)行開挖，分區(qū)如圖2 所示，開挖順序?yàn)棰佟凇邸堋荨?/p>

圖2 首層土方開挖順序

第 2～5 層土方開挖，為確保基坑邊界地連墻暴露時(shí)間滿足要求，盡快在開挖位置形成對(duì)撐，在盆式開挖、分塊開挖的基礎(chǔ)上結(jié)合支撐位置，細(xì)化開挖分塊為 10 個(gè)大區(qū)，17 個(gè)小區(qū)，且每個(gè)臨近基坑邊緣的區(qū)塊留置寬度控制在 10 m 以上，如圖3 所示，開挖順序?yàn)棰佟凇邸?④-1→④-2→⑤→⑥→⑦→⑧→⑨→⑩。

圖3 第 2～5 層土方開挖順序

首層土開挖及棧橋施工于 2020 年 12 月 15 日完成，棧橋養(yǎng)護(hù) 7 d 確保棧橋強(qiáng)度達(dá)到要求后進(jìn)行第 2 層作業(yè)，支護(hù)采用隨挖隨支的施工方式，最后一段支撐采用高兩個(gè)標(biāo)號(hào)的早強(qiáng)混凝土以縮短整體的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。本工程土方開挖及對(duì)應(yīng)基坑支護(hù)進(jìn)度如表2 所示。

表2 土方開挖及支護(hù)施工進(jìn)度

2 基坑變形實(shí)測(cè)分析

2.1 特征點(diǎn)位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

基坑變形監(jiān)測(cè)是確保基坑安全的重要手段，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可用于分析基坑側(cè)壁穩(wěn)定情況，其中變形速率及變形位移量是安全控制的重要指標(biāo)。圖4、圖5 為本工程南北兩側(cè)位于中心的監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)的各工況下南北兩基坑側(cè)壁南北向變形最大值實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表3 所示。

圖4 基坑北側(cè)中心實(shí)測(cè)位移量

圖5 基坑南側(cè)中心實(shí)測(cè)位移量

表3 各工況下基坑側(cè)壁南北向位移最大值實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

2.2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

對(duì)比南北兩側(cè)變形最大值及變形最大值位置可以看出，隨著基坑開挖，最大水平位移出現(xiàn)位置逐漸下降，最終穩(wěn)定在 15 m 左右（見圖6），占當(dāng)前開挖深度的 76.53 %，這項(xiàng)數(shù)據(jù)在華東地區(qū)深基坑中普遍為59%～112 %［4］，76.53 % 在合理范圍內(nèi)，但相較平均值89 % 有所偏小，這主要是因?yàn)楸净?15 m 以下土層以黏土及粉質(zhì)黏土為主，土質(zhì)較好，土體本身黏聚力較大，為該位置地連墻相對(duì)穩(wěn)定提供了條件。而北側(cè)變形值較南側(cè)變形值大，這一方面是由于南側(cè)地鐵結(jié)構(gòu)外圍自身的圍護(hù)結(jié)構(gòu)相較于自然土體更加穩(wěn)定，另一方面是因?yàn)橹ёo(hù)設(shè)計(jì)方案更偏向于地鐵側(cè)保護(hù)，在基坑南側(cè)增加了三軸攪拌樁，增強(qiáng)了土體穩(wěn)定性。由此可以看出對(duì)土體本身進(jìn)行加固，尤其是對(duì)土質(zhì)較差的土層進(jìn)行加固，對(duì)基坑變形控制有著重要意義。

圖6 南北監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大水平位移出現(xiàn)位置

當(dāng)完成第 5 層土方開挖后，從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均可以看出基坑變形已接近警戒值，考慮到后續(xù)筏板施工、地下室施工階段基坑側(cè)壁仍會(huì)持續(xù)產(chǎn)生位移變形，本工程基坑側(cè)壁變形突破設(shè)計(jì)要求的可能性極大。最終的實(shí)測(cè)結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn)，南側(cè)地連墻水平位移最終達(dá)到55.49 mm，北側(cè)地連墻水平位移最終達(dá)到 64.66 mm，南北兩測(cè)基坑開挖階段產(chǎn)生的變形量分別占其總變形量的 61.25 % 和 66.08 %。

基坑南北兩側(cè)地連墻最終側(cè)向變形量分別為開挖深度的 0.26 % 及 0.30 %。這項(xiàng)數(shù)據(jù)在華東地區(qū)深基坑中普遍在 0.1 %～1 %，平均數(shù)據(jù)值為 0.42 %［5］。這說明本基坑地連墻變形值雖然突破了設(shè)計(jì)設(shè)置的警戒值，但在華東地區(qū)深基坑中仍處在一個(gè)較低的區(qū)間，這說明本工程支護(hù)設(shè)計(jì)是偏向謹(jǐn)慎的，分層分塊、盆式開挖的土方開挖方案能夠較好地控制基坑側(cè)壁變形。結(jié)合基坑變形速率較為穩(wěn)定這一情況以及周邊環(huán)境的監(jiān)測(cè)結(jié)果，可以判定基坑整體仍然處在一個(gè)比較安全的狀態(tài)，但須增加監(jiān)測(cè)頻率，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況實(shí)時(shí)判斷基坑情況，并盡快完成地下室施工。

3 結(jié)論

1）隨著基坑開挖，基坑最大水平位移出現(xiàn)位置逐漸下降，最終穩(wěn)定在 15 m 左右，占開挖深度的76.53 %。最大水平位移出現(xiàn)位置受開挖深度及土層土質(zhì)影響，一般會(huì)出現(xiàn)在與開挖深度鄰近的較差土層。因此對(duì)土體本身進(jìn)行加固，尤其是對(duì)土質(zhì)較差的土層進(jìn)行加固，對(duì)基坑變形控制進(jìn)而對(duì)確保基坑安全穩(wěn)定有著重要意義。

2）本工程南北兩側(cè)基坑開挖階段產(chǎn)生的變形量分別占其總變形量的 61.25 % 和 66.08 %。采取合理的土方開挖及支護(hù)施工方案對(duì)基坑變形控制是十分重要的。

3）在未采用分倉(cāng)法控制基坑變形的情況下，本工程采用的分層分塊、盆式開挖的土方開挖方案能夠較好地控制基坑側(cè)壁變形。

4）基坑變形的連續(xù)監(jiān)測(cè)是對(duì)基坑安全判斷的重要依據(jù)。本工程地連墻側(cè)向變形突破警戒值后，通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況可以判斷基坑仍處于較為安全的狀態(tài)，但須增加監(jiān)測(cè)頻率，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況實(shí)時(shí)判斷基坑情況，并盡快完成地下室施工。Q