基于時空效應(yīng)的某深基坑施工技術(shù)及變形特性研究

吳堅敏,吳泓怡

(廣元市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局質(zhì)安站，四川廣元 628017)

近二十年來，城市建設(shè)進入了快速發(fā)展階段，高層、超高層建筑快速增加，基坑平面尺寸和豎向深度隨之增大，因此，對基坑支護設(shè)計和施工技術(shù)控制要求逐漸增高。目前，飽和軟黏土地區(qū)基坑事故時有發(fā)生，如何控制該土層特性下深基坑變形，已成為巖土工程領(lǐng)域亟待解決的課題。著名學(xué)者劉建航院士等在總結(jié)長三角地區(qū)飽和軟黏土流變特性基礎(chǔ)上,提出考慮“時空效應(yīng)”的基坑動態(tài)設(shè)計[1-2],在軟土地區(qū)深基坑工程中獲得良好效果。然而,由于巖土工程實踐性較強,對現(xiàn)場施工技術(shù)的研究更具現(xiàn)實性。因此,研究如何運用合理的基坑施工技術(shù),降低基坑開挖對周邊環(huán)境影響已成為巖土工程領(lǐng)域的重要課題之一。本文基于“時空效應(yīng)”原理,結(jié)合具體工程實踐,采用合理的施工技術(shù)，有效控制飽和軟黏土地區(qū)深大基坑變形，保護周邊環(huán)境。

1 概述

1.1 工程概況

蘇州融創(chuàng)金融城項目，位于蘇州市高新區(qū)，西側(cè)緊鄰濱河路(地鐵三號線)、南側(cè)為竹園路(地鐵五號線)、東側(cè)為運河路?；有螤畈灰?guī)則，面積約34 000 m2，基坑深度為10.5 m，為減小飽和軟黏土地區(qū)基坑土體在卸荷過程所產(chǎn)生的“時空效應(yīng)”[3-6]，將本基坑分為臨軌側(cè)與非臨軌側(cè)兩大區(qū)域，而臨軌側(cè)分為A1基坑、A2基坑、B基坑及C2基坑，非臨軌側(cè)為C1基坑。各基坑施工順序為：A1基坑(A2基坑)→B基坑→C1基坑→C2基坑。臨軌側(cè)豎向圍護(西側(cè)與南側(cè))采用地下連續(xù)墻圍護型式，非臨軌側(cè)豎向圍護(北側(cè)與東側(cè))采用鉆孔灌注樁圍護型式，臨軌側(cè)與非臨軌側(cè)之間的隔離樁采用鉆孔灌注樁圍護型式，待圍護樁功能使用完畢后對其進行靜力清除。水平支護采用兩道混凝土支撐，五大基坑支撐體系均為獨立體系，基坑分區(qū)圖如圖1所示。

圖1 臨軌側(cè)與非臨軌側(cè)分區(qū)示意

1.2 地質(zhì)水文概況

1.2.1 地質(zhì)概況

本基坑挖深影響范圍內(nèi)土層特性自上而下分別為：①素填土：松軟，以黏性土為主要成分；②層黏土：可塑狀態(tài)，壓縮性中等；③層粉質(zhì)黏土：可塑狀態(tài)，壓縮性中等；④-1層粉土：飽和，稍-中密，壓縮性中等；④-2層粉砂：飽和，稍-中密，壓縮性中低，工程特性較好；⑤-1層粉質(zhì)黏土：流塑-軟塑，壓縮性、工程特性中等；⑤-2層粉質(zhì)黏土夾粉砂：流塑-軟塑，壓縮性、工程特性中等；⑥-1層黏土：可塑～硬塑。

1.2.2 水文概況

本工程場地內(nèi)地下水自上而下為孔隙潛水、承壓水(微)及承壓水，承壓水層埋深較深，對本基坑無影響，對本基坑存在影響的為孔隙潛水與微承壓水。

孔隙潛水主要位于①層素填土中。承壓水(微)主要位于④-1層粉土與第④-2層粉砂中。

1.3 周邊環(huán)境概況

1.3.1 周邊道路

基坑南側(cè)濱河路與西側(cè)竹園路均為已通行市政道路；基坑?xùn)|側(cè)和北側(cè)分別為與三期、一期交接地塊，為素混凝土硬化的臨時施工道路。

1.3.2 周邊地鐵結(jié)構(gòu)分布

本項目西側(cè)緊鄰正施工中的地鐵三號線，南側(cè)緊鄰地鐵五號線。

基坑西側(cè)距地鐵距離:西側(cè)距地鐵3號線附屬結(jié)構(gòu)約6.0 m，距盾構(gòu)隧道約18.0 m，距索山橋西車站約23.0 m。

基坑南側(cè)距地鐵距離：50 m。

1.3.3 周邊管線分布

基坑?xùn)|側(cè)與北側(cè)位于場地內(nèi)南側(cè)距地鐵5號線附屬結(jié)構(gòu)約16.0 m，距盾構(gòu)隧道約14.0 m，距索山橋西車站約35.0 m，無管線分布；南側(cè)濱河路與西側(cè)竹園路下管線錯綜復(fù)雜，主要管線信息分類與埋深信息如表1所示。

表1 管線距離與埋深信息

2 施工重難點分析

2.1 周邊環(huán)境復(fù)雜，變形控制要求高

本基坑西側(cè)距地鐵3號線最近處僅6.0 m，南側(cè)距地鐵5號線最近處僅14.0 m，在軌道公司所規(guī)定的對地鐵保護50 m控制線范圍內(nèi)，依據(jù)蘇州市地鐵保護要求，基坑開挖導(dǎo)致的地鐵結(jié)構(gòu)變形不超過10 mm。故本基坑施工過程中對周邊環(huán)境變形控制是本項目的重難點。

2.2 土層物理力學(xué)性質(zhì)差，開挖要求高

本基坑深度影響范圍內(nèi)土層存在⑤-1層粉質(zhì)黏土、⑤-2層粉質(zhì)黏土夾粉砂等飽和軟弱土層，土層物理力學(xué)性質(zhì)較差，又因為本基坑開挖深度較深為10.5 m，基坑尺寸較大，故土方開挖過程中應(yīng)考慮“時空效應(yīng)”對本基坑變形的影響。

2.3 地下水豐富，止水要求較高

對本基坑存在影響的主要為孔隙潛水(①層雜填土中)與微承壓水(④-1層粉土、④-2層粉砂)，其中微承壓水層相對較厚，透水性好?；拥字饕挥冖?1粉土層中，動水作用下可能產(chǎn)生管涌、流砂等不利狀況，故本基坑對豎向圍護樁外側(cè)止水要求較高。

3 基坑施工技術(shù)

3.1 水平向分區(qū)開挖

“時空效應(yīng)”原理由劉建航院士等專家提出，將施工技術(shù)并入基坑支護設(shè)計范疇，以設(shè)計來指導(dǎo)施工，用施工來反饋設(shè)計，動態(tài)調(diào)整基坑設(shè)計與施工技術(shù)因素[7]。本基坑在設(shè)計時，將一個大基坑分為5個獨立小基坑，即臨軌側(cè)的A1基坑、A2基坑、B基坑及C2基坑和非臨軌側(cè)的C1基坑。因A1與A2基坑為主樓所在區(qū)域，結(jié)合工期要求，將先行施工。各基坑施工順序為：A1基坑(A2基坑)→B基坑→C1基坑→C2基坑。每一個獨立基坑在土方開挖時，應(yīng)進行分塊施工，如圖3.1所示，A1基坑與A2基坑的①區(qū)、②區(qū)及③區(qū)按順序依次施工至坑底。B區(qū)先施工④區(qū)后施工⑤區(qū)；C1區(qū)與C2區(qū)依次施工⑥區(qū)和⑦區(qū)。合理的分坑施工，可最大限度減少因“時間效應(yīng)”與“空間效應(yīng)”引起的周邊環(huán)境變形(圖2)。

圖2 基坑開挖分區(qū)

3.2 豎向分層開挖

工況一:主要進行首層土方的開挖，①區(qū)、②區(qū)及③區(qū)同時開挖至第一道支撐梁底500 mm位置處，施工第一道支撐梁與壓頂梁，施工完畢后進行養(yǎng)護，如圖3所示。

圖3 基坑開挖工況一

工況二：第一道支撐與壓頂梁強度達設(shè)計強度75 %后，方可進行第二層土方的開挖。①區(qū)、②區(qū)及③區(qū)同時開挖至第二道支撐梁底500 mm位置處，即標(biāo)高-3.400 m，施工第二道支撐梁及圍檁并進行養(yǎng)護，如圖4所示。

圖4 基坑開挖工況二

工況三：第二道支撐與圍檁強度達設(shè)計強度75 %后，先進行①區(qū)域土方開挖，開挖至坑底后，對①區(qū)底板進行澆筑。土體應(yīng)分層、分段進行開挖，每層厚度不大于2.5 m，每段長度不大于20 m，坡比應(yīng)大于1∶1.5，如圖5所示。

圖5 基坑開挖工況三

工況四：①區(qū)底板澆筑完成后，將②區(qū)土方開挖至坑底，對②區(qū)底板進行澆筑。土體應(yīng)分層、分段進行開挖，每層厚度不大于2.5 m，每段長度不大于20 m，坡比應(yīng)大于1∶1.5，如圖6所示。

圖6 基坑開挖工況四

工況五：待①區(qū)、②區(qū)底板澆筑完成后，對中間留土③區(qū)進行開挖，開挖至坑底后澆筑底板。③區(qū)底板澆筑完成后，即A1區(qū)完成底板澆筑，便可進行主樓的施工，如圖7所示。

圖7 基坑開挖工況五

B區(qū)、C1區(qū)及C2區(qū)土方開挖參照圖2—基坑開挖分區(qū)圖，結(jié)合A區(qū)施工技術(shù)進行施工，確?；娱_挖過程中周邊地鐵與市政管線等周邊環(huán)境的安全。

4 變形特性分析

4.1 圍護樁深層水平位移

圖8為A1基坑③區(qū)域南側(cè)圍護樁深層位移監(jiān)測點CX2在不同施工工況下，豎向圍護樁深層位移變化曲線圖。由深層位移變化曲線圖可知，第一層土方開挖工況下，豎向圍護樁處于懸臂結(jié)構(gòu)，最大位移位于樁頂位置，為1.0 mm；隨著基坑土體繼續(xù)開挖，深層位移變化曲線為“拋物線”型且最大值逐漸下移，當(dāng)土方開挖至第二道支撐底時，最大深層位移位于坑底以下(標(biāo)高-3.700 m)，為4.6 mm；當(dāng)基坑開挖至基底位置時，最大深層位移位于坑底以上(標(biāo)高-7.500 m)，為8.2 mm，小于地鐵保護變形容許值10.0 mm，滿足要求。

圖8 CX2監(jiān)測點深層位移變化曲線

4.2 地鐵上部地表沉降分析

圖9為B基坑南側(cè)四個不同沉降監(jiān)測點(D1～D4)在不同施工工況下地鐵上部地表沉降變化曲線圖。

圖9 周邊地表豎向位移變化曲線

由圖9變化曲線圖總體趨勢可知，隨著基坑被動區(qū)不斷卸荷，豎向圍護樁深層位移不斷增加，導(dǎo)致圍護樁外側(cè)即地鐵上部地表豎向位移不斷增大。第一層土方開挖，因開挖深度較淺，對周邊土體沉降影響較小，隨著基坑開挖越來越深，沉降速率逐漸增大，當(dāng)開挖至坑底施工底板后，地鐵上部地表豎向位移不再增加，趨于平緩。從數(shù)據(jù)分析可知，D-1～ D-4沉降監(jiān)測點豎向位移為5.3～6.3 mm，D-1點沉降值最大，但僅為6.3 mm，小于地鐵保護變形容許值10.0 mm。由上述分析可知，飽和軟黏土地區(qū)基坑采用合理的分坑施工技術(shù)可減小“時空效應(yīng)”所致的周邊環(huán)境變形的影響。

5 結(jié)束語

軟黏土地區(qū)的臨軌基坑，對地鐵的保護為重中之重?；?于“時空效應(yīng)”原理,采用 “分區(qū)、留土、對稱”等合理的施工技術(shù)，能有效控制飽和軟黏土地區(qū)深大基坑變形，以達到保護周邊環(huán)境的目的，取得了一定的經(jīng)濟效應(yīng)和良好社會影響，為今后軟黏土地區(qū)的類似臨軌基坑提供良好的借鑒。