彭沉彬 姜瑜 張志 畢強(qiáng) 張海偉

1.北京市首發(fā)高速公路建設(shè)管理有限責(zé)任公司 100071 2.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 100082 3.北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 100038

1 項(xiàng)目背景

北京市某環(huán)路改造工程，全長(zhǎng)約16.0km，其中隧道長(zhǎng)度約9.145km，地下道路采用明挖及盾構(gòu)法施工方案（明挖段落里程為K5 ＋180 ～K6 ＋135、K13 ＋919 ～K14 ＋325，盾構(gòu)區(qū)間為K6 ＋315 ～K13 ＋919）。全線共設(shè)置主線隧道2座（左右線），計(jì)入兩端U型槽后總長(zhǎng)9610m，隧道全線共設(shè)3 個(gè)盾構(gòu)工作井。

2 工程概況

2.1 中間盾構(gòu)工作井支護(hù)設(shè)計(jì)

考慮基坑挖深較深、施工場(chǎng)地狹窄及周邊環(huán)境保護(hù)要求較高等特點(diǎn)，總體采用逆作法施工工藝［1，2］。中間盾構(gòu)工作井基坑長(zhǎng)度25m，寬度58m，主體頂板覆土厚度約3.0m，底板埋深約43.2m，基坑開挖深度約為43.4m。中間盾構(gòu)工作井基坑具有超深、粉細(xì)砂地層滲透性強(qiáng)等特點(diǎn)。為保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻厚度1.5m，長(zhǎng)度69m，結(jié)合基坑穩(wěn)定性及抗?jié)B流止水需要嵌入坑底以下30m，采用水下C35 鋼筋混凝土（地表以下15m內(nèi)采用水下C40）。地下連續(xù)墻與結(jié)構(gòu)內(nèi)襯墻采用疊合構(gòu)造，逆作法施工?？觾?nèi)設(shè)大約4 口疏干降水井，坑外設(shè)監(jiān)測(cè)井兼應(yīng)急井。

工作井基坑根據(jù)開挖深度設(shè)置6 道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，基坑?xùn)|、西兩側(cè)設(shè)置鋼筋混凝士支撐，中部利用主體結(jié)構(gòu)層板設(shè)置鋼筋混凝土板撐?；炷林螄鷻_均與運(yùn)營(yíng)期框梁結(jié)合使用。地下連續(xù)墻頂部設(shè)一圈封閉的鋼筋混凝土圈梁，混凝土圈梁直接采用永久結(jié)構(gòu)頂板環(huán)框梁。支撐采用對(duì)撐＋角撐結(jié)合布置，對(duì)撐跨度超過(guò)20m，在支撐跨中設(shè)置格構(gòu)柱（格構(gòu)柱截面尺寸600mm ×600mm，角鋼采200 ×200 ×24）。格構(gòu)柱采用φ1100 鉆孔灌注樁作為基礎(chǔ)（格構(gòu)柱基礎(chǔ)鉆孔灌注樁按永久結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兼做盾構(gòu)工作井施工及運(yùn)營(yíng)期的抗拔樁）。

2.2 周邊環(huán)境及風(fēng)險(xiǎn)源

中間盾構(gòu)工作井現(xiàn)狀位置為綠地，東側(cè)為現(xiàn)狀環(huán)路（高架橋），基坑距環(huán)路邊線約25.2m。西側(cè)為環(huán)路西輔路，基坑距環(huán)路西輔路道路邊線約16m，周邊無(wú)其他建構(gòu)筑物。

現(xiàn)況環(huán)路西側(cè)路下分布市政管線，如電力、電信、雨水管等，其中臨近基坑的一根DN500次高壓燃?xì)夤苈裆罴s為2m，距離基坑邊最小距離約為16.03m。經(jīng)初步與相關(guān)產(chǎn)權(quán)單位溝通，采用微型鋼管樁隔離措施解決基坑開挖影響問(wèn)題。

2.3 地形地貌及地質(zhì)條件

工程整體地形較為平坦，局部有起伏。擬建場(chǎng)地現(xiàn)狀地面下91.0m深度內(nèi)的地層劃分為人工填土層、新近沉積地層及一般第四紀(jì)沖洪積層，按地層巖性及其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)一步劃分為9 個(gè)大層?，F(xiàn)狀地面標(biāo)高約為20.15m ～20.88m，開挖深度范圍內(nèi)地層基坑開挖土層主要為②層粉土、③細(xì)砂、④細(xì)砂、⑤層粉質(zhì)黏土層，坑底位于⑥2層可塑粉質(zhì)黏土層中，⑥2層以下為深厚⑦、⑧、⑨強(qiáng)透水飽和粉細(xì)砂層，基坑的涌水、涌砂風(fēng)險(xiǎn)較大。

地下水類型按賦存條件主要為基巖裂隙水和第四紀(jì)松散層孔隙水，第四紀(jì)松散層孔隙水又分為上層滯水、潛水或?qū)娱g潛水、承壓水；其中潛水（二）穩(wěn)定水位深度5.20m ～9.30m，穩(wěn)定水位標(biāo)高10.58m ～13.30m；層間潛水（三）穩(wěn)定水位深度16.60m ～19.40m，穩(wěn)定水位標(biāo)高1.50m ～3.28m；承壓水（四）穩(wěn)定水位（水頭）深度12.80m ～13.50m，穩(wěn)定水位標(biāo)高4.48m ～4.80m。

3 基坑監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

為確保在基坑開挖期間基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的安全，為建設(shè)單位對(duì)工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理提供支持，通過(guò)安全監(jiān)測(cè)、巡視工作，較全面地掌握工程的施工安全控制程度，對(duì)施工過(guò)程實(shí)施全面監(jiān)控和有效控制管理。在本工程施工期間，對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、周圍重要的地下管線、地面道路等實(shí)施變形監(jiān)測(cè)和巡視。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置本著“全面監(jiān)測(cè)，重點(diǎn)突出”的原則，優(yōu)先布置重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)部位、能夠全面反映工程安全狀態(tài)的重要部位和影響強(qiáng)烈的區(qū)域，并與工籌相結(jié)合：測(cè)點(diǎn)布置按照工籌的施工順序，與現(xiàn)場(chǎng)施工相結(jié)合進(jìn)行布置。監(jiān)測(cè)點(diǎn)特征點(diǎn)位圖及圍護(hù)結(jié)構(gòu)縱斷面圖見圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面位置圖及圍護(hù)結(jié)構(gòu)縱斷面圖（單位： m）Fig.1 Plan location of monitoring points and longitudinal section of enclosure structure（unit：m）

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 基坑施工工況

基坑于2020年10月開始開挖，分6 層開挖，采用抓斗吊進(jìn)行土方開挖，每層混凝土支撐及混凝土支撐圍檁施工完成后，對(duì)上部結(jié)構(gòu)側(cè)墻進(jìn)行施工。表1 為工程的施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

表1 施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)Tab.1 Construction time nodes

4.2 監(jiān)測(cè)成果分析

1.墻頂水平位移監(jiān)測(cè)

2021年3月7日，墻頂水平位移累計(jì)變形量最大監(jiān)測(cè)點(diǎn)為ZQS-08＃監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位于基坑西側(cè)中部，累計(jì)變形量10.95mm。變形曲線見圖2。

從圖2 可以看出，基坑開挖深度約19m，第三道混凝土撐施工完成，負(fù)二層側(cè)墻支模階段，墻頂水平位移變形較小，累計(jì)變形量在5mm內(nèi)。隨著基坑開挖深度的增加，第四層混凝土撐及負(fù)三層側(cè)墻施工完成后，地下連續(xù)墻受到的荷載逐步增加，墻頂水平位移增大，變形量速率較為穩(wěn)定，至第五層土方開挖完成時(shí)累計(jì)變形量達(dá)到約11mm。

圖2 墻頂ZQS-08 測(cè)點(diǎn)水平位移曲線Fig.2 Horizontal displacement curve of ZQS-08 measuring point on wall top

2.墻體水平位移監(jiān)測(cè)

2021年3月5日，墻體水平位移累計(jì)變形量最大為ZQT-08 監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位于基坑西側(cè)中部。該點(diǎn)累計(jì)變形量13.21mm，位于6m 深部位，與ZQS-08 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處于同一監(jiān)測(cè)斷面，變形曲線見圖3。

圖3 墻體ZQT-08 測(cè)點(diǎn)水平位移曲線Fig.3 Horizontal displacement curve of wall ZQT-08 measuring point

從圖3 可以看出，地下連續(xù)墻隨著基坑開挖深度增加，在坑外主動(dòng)土壓力的作用下［3］，使地下連續(xù)墻向基坑內(nèi)呈現(xiàn)不同程度的偏移。

在施工的第四階段，第二層支撐施工完成后，負(fù)一層側(cè)墻綁筋，基坑開挖至第三層支撐部位（深度約18m），墻體最大位移出現(xiàn)在開挖深度的一半部位，最大值為13.11mm，負(fù)一層側(cè)墻的澆筑完成后，該部位墻體水平位移未見明顯增加。通過(guò)與北側(cè)盾構(gòu)工作井（順作法施工）墻體位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（圖4）對(duì)比分析，逆作法施工墻體位移最大變形部位并非出現(xiàn)在開挖面部位。并且與順作法等其他施工方法相比，逆作法施工的基坑墻體位移要小得多，分析應(yīng)是逆作法施工基坑支護(hù)及時(shí)，每開挖一步土上一層結(jié)構(gòu)側(cè)墻立即進(jìn)行施工，結(jié)構(gòu)側(cè)墻永久結(jié)構(gòu)剛度比順作法臨時(shí)支撐剛度大的緣故［2，3］。

圖4 北側(cè)盾構(gòu)井墻體位移測(cè)點(diǎn)水平位移曲線Fig.4 Horizontal displacement curve of wall displacement measuring points of shield shaft in the north

3.支撐內(nèi)力監(jiān)測(cè)

2021年3月7日，西側(cè)北部靠近基坑內(nèi)側(cè)的角撐，第一道混凝土支撐軸力（ZL1-1）最大值978.7kN；第二道混凝土支撐軸力（ZL1-2）最大值1076.5kN，支撐軸力變化曲線見圖5。

圖5 支撐內(nèi)力變化曲線Fig.5 Variation curve of support internal force

從圖5 可以看出在開挖初期，開挖深度較淺，支撐內(nèi)力沒有較大的變形。當(dāng)?shù)诙乐问┕ね瓿?，?fù)一層側(cè)墻結(jié)構(gòu)綁筋施工，土方開挖至下部時(shí)，第一層支撐軸力呈現(xiàn)較大的增長(zhǎng)。負(fù)一層側(cè)墻施工完成，強(qiáng)度上來(lái)后，第一道支撐軸力變化趨于平緩，有小幅下降，最后基本趨于平穩(wěn)。

第二道支撐軸力變化情況與第一道基本相同，在支撐下部側(cè)墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度尚未達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，隨著基坑的開挖，支撐軸力變化較大，當(dāng)側(cè)墻結(jié)構(gòu)剛度上來(lái)后，側(cè)墻上部支撐軸力變化開始趨于平穩(wěn)，中間局部有反復(fù)情況。土方開挖順序、支撐及側(cè)墻結(jié)構(gòu)的澆筑順序?qū)χ屋S力有較大影響，不同時(shí)刻支撐軸力最大值的位置不同，而且隨著開挖的進(jìn)行軸力值會(huì)先增大后減小。

4.墻頂沉降監(jiān)測(cè)

2021年3月7日，墻頂沉降累計(jì)變形量最大監(jiān)測(cè)點(diǎn)為ZQC-08，位于基坑西側(cè)中部，變形量為－6.00mm，與ZQS-08 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置處于同一監(jiān)測(cè)斷面，變形曲線見圖6。

圖6 墻頂ZQC-08 測(cè)點(diǎn)沉降曲線Fig.6 Settlement curve of ZQC-08 measuring point on wall top

由圖7 可以看出，基坑開挖約18m，第三道混凝土撐施工完成，負(fù)二層側(cè)墻支模階段，墻頂沉降變形較小。隨著第四層混凝土撐及負(fù)三層側(cè)墻施工完成后，地下連續(xù)墻受到的荷載越來(lái)越大，墻頂沉降變形逐步增大。

圖7 燃?xì)夤芫€RQ-03 測(cè)點(diǎn)沉降曲線Fig.7 Settlement curve of RQ-03 measuring point of gas pipeline

與順作法等其他施工方法相比，逆作法墻頂沉降未產(chǎn)生明顯上浮現(xiàn)象。由于地下連續(xù)墻頂部設(shè)一圈封閉的鋼筋混凝土圈梁，混凝土圈梁直接采用永久結(jié)構(gòu)頂板環(huán)框梁，因此地下連續(xù)墻承受荷載隨結(jié)構(gòu)側(cè)墻及混凝土圈梁施工逐步增大。逆作法施工土方施工較慢，土體卸載對(duì)地下連續(xù)墻產(chǎn)生的回彈影響與地下連續(xù)墻承受荷載增加造成的下沉影響相互抵消，所以地下連續(xù)墻未產(chǎn)生上浮現(xiàn)象，并且隨著荷載增加逐步呈現(xiàn)下沉趨勢(shì)。

5.周邊燃?xì)夤芫€沉降監(jiān)測(cè)

燃?xì)夤芫€監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于基坑西側(cè)，采用微型鋼管樁隔離措施解決基坑開挖影響問(wèn)題。

2021年3月7日，周邊燃?xì)夤芫€沉降變形量最大監(jiān)測(cè)點(diǎn)為RQ-03＃監(jiān)測(cè)點(diǎn)，累計(jì)沉降變形量為－4.54mm，變形曲線見圖7。

通過(guò)參照基坑西側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，由圖7 可以看出：西側(cè)燃?xì)夤芫€監(jiān)測(cè)點(diǎn)受墻體變形導(dǎo)致的土體變形影響，整體呈現(xiàn)均勻沉降趨勢(shì)?；幽孀鞣ㄊ┕笸馏w總體下沉損失很小，且基坑與管線間采用微型鋼管樁隔離措施，進(jìn)一步減弱了基坑開挖對(duì)西側(cè)燃?xì)夤芫€的沉降影響，燃?xì)夤芫€沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)整體處于變形穩(wěn)定狀態(tài)。

5 基坑開挖數(shù)值模擬分析

由于基坑面積小，基坑?xùn)|西側(cè)采用角撐、中間部位采用板對(duì)撐形式，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算分為角撐單元、板對(duì)撐單元，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，西側(cè)角撐部位各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目累計(jì)變形較大，因此對(duì)角撐進(jìn)行計(jì)算分析。

按彈性抗力法中的m 法計(jì)算［7］各施工工況地下連續(xù)墻的土壓力、水平位移和各道支撐的支撐力，計(jì)算時(shí)考慮當(dāng)各工況墻體已經(jīng)發(fā)生的變形和已設(shè)支撐所受的支撐力。開挖階段針對(duì)不通過(guò)地質(zhì)條件采用水土合算或分算，并取靜止水土壓力，坑外附加荷載取30kPa，數(shù)值模擬計(jì)算中土層信息、支錨信息詳見表2、表3。

表2 土層信息Tab.2 Soil layer information

表3 支錨信息Tab.3 Anchor support information

根據(jù)施工順序，至2021年3月7日，各開挖階段分為以下計(jì)算工況，基坑西側(cè)中部計(jì)算點(diǎn)各工況計(jì)算結(jié)果詳見表4。

表4 基坑西側(cè)中部計(jì)算點(diǎn)各工況計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of various working conditions of calculation points in the West and middle of foundation pit

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、基坑開挖數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表5。

表5 西側(cè)地連墻墻體位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對(duì)比Tab.5 Comparison of displacement monitoring value and simulation value of West diaphragm wall

由表5 可以看出，本工程在基坑開挖至第四層支撐施工期間，墻體位移現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬發(fā)展趨勢(shì)及累計(jì)變形量接近。在第四層支撐澆筑完成后，未進(jìn)行下一步土方開挖，隨即對(duì)負(fù)三層側(cè)墻進(jìn)行澆筑，基坑內(nèi)部除底部外形成一個(gè)封閉結(jié)構(gòu)，停工期間對(duì)支撐及側(cè)墻進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，期間地下連續(xù)墻墻體位移未見明顯變形。復(fù)工對(duì)第四層支撐下部土方進(jìn)行開挖，地下連續(xù)墻墻體位移出現(xiàn)較小變形，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)累計(jì)變形量小于數(shù)值模擬。經(jīng)分析復(fù)工時(shí)地下連續(xù)墻墻體結(jié)構(gòu)剛度已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)值，進(jìn)而減小了地下連續(xù)墻的變形。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)北京某環(huán)路改造工程盾構(gòu)施工準(zhǔn)備標(biāo)中間盾構(gòu)工作井基坑開挖階段監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合逆作法、順作法中墻體水平位移監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)對(duì)比，并將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬進(jìn)行對(duì)比分析，得到如下結(jié)論：

1.逆作法施工墻體位移最大變形部位并非出現(xiàn)在開挖面部位；

2.與順作法等其他施工方法相比，逆作法施工的基坑墻體位移較小；

3.在支撐下部側(cè)墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度尚未達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)，隨著基坑的開挖，支撐軸力變化較大，當(dāng)側(cè)墻結(jié)構(gòu)剛度上來(lái)后，側(cè)墻上部支撐軸力變化開始趨于平穩(wěn)，中間局部有反復(fù)情況；

4.土方開挖順序、支撐及側(cè)墻結(jié)構(gòu)的澆筑順序?qū)χ蝺?nèi)力有較大影響，不同時(shí)刻支撐內(nèi)力最大值的位置不同，而且隨著開挖的進(jìn)行內(nèi)力值先增大后減?。?/p>

5.與順作法等其他施工方法相比，逆作法墻頂沉降未產(chǎn)生明顯上浮現(xiàn)象。

采用逆作法施工能夠加大支護(hù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，對(duì)地下連續(xù)墻墻體以及墻后土體水平位移起到了較大的限制作用。此外超深基坑在施工過(guò)程中，還應(yīng)密切關(guān)注支護(hù)的“時(shí)效性”，避免基坑開挖周期過(guò)長(zhǎng)，基坑支護(hù)不及時(shí)等情況發(fā)生，對(duì)保證基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及減少對(duì)周邊環(huán)境的影響極為有利。