长江漫滩区逆作法施工超深基坑支护结构变形受力分析*

李 丹，武文清，杨 涛，童立元

(1.南京市公共工程建设中心，江苏 南京 210019； 2.中铁十四局集团有限公司，山东 济南 250000；3.东南大学交通学院，江苏 南京 210000)

0 引言

长江漫滩区地质条件复杂，这对该区域超深基坑工程的设计和施工带来了挑战[1-2]。同时，超深基坑开挖支护变形受力规律已经成为目前研究的热点问题之一[3-9]。

目前关于长江漫滩地区超深基坑支护结构变形受力特性研究开展尚少。本文以长江五桥江南工作井超深基坑为依托，结合现场监测数据，着重分析了漫滩区域逆作法施工超深基坑的围护墙深层水平位移、地表沉降、支撑轴力及立柱桩沉降等支护结构监测数据随基坑开挖进程的变化规律。

1 工程概况

本工程位于南京长江五桥项目南端，为盾构接收井，东侧与已建成通车的青奥轴线地下工程连接，西侧距离夹江约150m，周边环境复杂。该工程采用明挖逆作法施工，地下连续墙与主体结构内衬墙形成叠合墙结构，共同受力。基坑开挖深度为38.9m，开挖最大宽度为50.3m。围护结构为1 200mm厚地下连续墙，墙深59.9m，进入中风化砂质泥岩。地下连续墙外侧2.5m处为800mm厚塑性止水墙，与地下连续墙同深。基坑西侧为端头加固区(20m旋喷加固+3m冷冻加固)。基坑支护体系为4道板撑+4道钢筋混凝土支撑+2道钢支撑。支撑分别为第1道采用钢筋混凝土支撑，第2,3道采用钢支撑(实际施工方案调整后取消)，第4～6道采用钢筋混凝土支撑。板撑分别为1 500mm厚顶板、800mm厚地下1层板、800mm厚地下2层板及1 800mm厚底板(见图1)。按照规范划分要求，本工程自身风险等级为一级(开挖深度>20m)，周边环境风险等级为一级(主要影响区内存在已建成通车的青奥轴线地下工程隧道及夹江)。

图1 基坑剖面

2 工程地质与水文地质条件

2.1 工程地质条件

根据工程地质勘察报告，本工程所穿越的地层复杂多变，具有多种地质形态，且分布不均(见图1)。基坑所在场地主要土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

2.2 水文地质条件

场地所在区域气候湿润，雨量充沛，降水时间长，长江等地表水体与地下水的水力联系较好，在丰水期对地下水有补给作用。根据含水层的岩性、埋藏条件和地下水赋存条件、水力特征，可分为松散岩类孔隙潜水、松散岩类孔隙承压水和碎屑岩类孔隙-裂隙水。潜水主要分布于③4粉质黏土层中，静止水位标高4.840～5.120m；松散岩类孔隙承压水主要分布于③1层、③2层、③3层粉细砂及④层砾砂、含砾中细砂(局部粉细砂)，该范围直接与江水相通厚度 40～60m，水位标高5.010～5.670m。

3 现场监测方案

依托项目属于开挖深度近40m的超深基坑，监测等级为一级，根据现场实际情况，开挖深度3倍范围内的地下管线、建(构)筑物及本工程围护、支护结构作为监测保护对象。本文重点分析的监测数据为地下连续墙深层水平侧移(测点编号JS-CX5)、地表沉降(测点编号JS-DB)、支撑轴力(测点编号JS-ZL)及立柱桩沉降(JS-LZ)。

对应监测数据与基坑开挖、支撑设置、结构侧墙及底板浇筑等关键工序如表2所示。

表2 基坑施工工序

4 监测结果分析

4.1 地下连续墙深层水平位移规律分析

选取南侧地下连续墙深层水平位移进行分析，如图2所示。由图2可以看出：随着基坑开挖深度的增加，墙体的侧向位移逐步增大，最大侧移的位置开始下移，且位移最大值基本发生在开挖面以上2～6m的位置，即地下连续墙变形逐渐变为通常的“胀肚形”。此外，在逆作法施工过程中主体结构内衬墙与地下连续墙共同受力变形，地下连续墙水平位移随着开挖深度的增长呈现阶梯形增加。基坑开挖完成后，地下连续墙最大水平位移为36.8mm，为开挖深度的0.095%，低于南京地区基坑开挖深层水平位移与开挖深度比值的平均值0.24%[8]。

图2 地下连续墙深层水平位移与深度关系曲线

4.2 地表沉降规律分析

基坑南侧地表受施工扰动相对较小，并且监测数据较为完整，可以更加准确体现出基坑开挖导致的地表沉降，故本文选取了南侧跨中位置处的地表沉降进行分析。地表监测点与基坑的距离分别为2，6，14，22m及30m，地表沉降统计如图3所示, 图中正值表示上升(隆起)，负值表示沉降。由图3可以看出：基坑开挖初期，基坑附近地表呈现先小幅隆起然后下沉的变化趋势。分析认为开挖初期地下连续墙发生向基坑内侧水平位移及变形时，会带动并影响墙后一定范围地表土体，发生轻微的隆起现象。此外，距离基坑14m左右的位置，地表沉降基本达到最大值30.9mm，出现在基坑开挖完成后。同时，可以看到基坑第5层开挖过程中，地表沉降值变化最大，这也与上述地下连续墙深层水平位移规律相似。经分析，由于在第5层开挖时，第4层结构侧墙未全部施工完成，因此导致第5层开挖引起的围护结构水平位移及地表沉降相对较大。

图3 地表沉降与基坑距离关系曲线

4.3 支撑轴力分析

根据监测数据的完整程度，选取了4道混凝土支撑相同位置处的2个测点，共7个测点(由于第3道混凝土支撑无角撑，故该道支撑只选取了1个测点)进行分析。支撑轴力与基坑开挖阶段关系曲线如图4所示，由图4可以看出：随着开挖深度的增加，深度大的支撑受压较大，最大值为10 651.3kN，出现在最后一道混凝土支撑角撑处。同时可以看到，由于在开挖过程中多道支撑的施作，下部支撑分担了上部支撑部分轴力，轴力进行了重分配，故每道支撑的轴力是动态变化的，例如第1道支撑受力为先增加后减小。

图4 支撑轴力与基坑开挖阶段关系曲线

4.4 立柱桩沉降分析

本文选取了6个立柱桩测点进行分析，立柱桩隆起与基坑开挖阶段关系曲线如图5所示。由图5可以看出，由于基坑开挖卸荷引起坑底隆起，立柱桩在开挖进程中呈现隆起的状态。针对本工程，基坑在第5层开挖完成后，立柱桩隆起值呈现稳定趋势，最大值为18.5mm。

图5 立柱桩隆起与基坑开挖阶段关系曲线

5 结语

1)在整个基坑开挖过程中，由于逆作法施工中主体结构内衬墙与地下连续墙共同受力变形，地下连续墙深层水平位移变形呈现阶梯形增加，并且最大水平位移与开挖深度比值低于南京地区平均值。最大侧移位置随着开挖进程下移，且位移最大值基本发生在开挖面以上2～6m的位置。

2)基坑附近地表呈现先小幅隆起然后下沉的变化趋势；距离基坑14m左右的位置，地表沉降基本达到最大值。

3)随着开挖深度的增加，深度大的支撑受压较大；多道支撑体系下，不同深度的支撑轴力随着开挖进程进行重分配，每道支撑的轴力呈现先增加后减小的状态。

4)第5层开挖完成后，立柱桩隆起值呈现稳定趋势，最大值为18.5mm，未超过监测报警值。

综上所述，本工程实例在控制超深基坑结构变形方面具有一定的代表性，对长江漫滩地区的深大基坑设计、施工和预测具有较大的参考价值。