复杂环境下深基坑设计与变形监测分析

2022-05-08张玉山王建筱李光诚3

现代矿业 2022年4期

张玉山王建筱李光诚3

（1.湖北省城市地质工程院;2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室）

随着城市的快速发展，复杂深基坑工程已成为城市基建发展的必然产物［1］。深基坑在开挖过程中，对其邻近建（构）筑物的安全影响评估尤为重要。近些年来，学者对复杂环境下深基坑的设计与开挖变形已开展了相关研究工作。初振环等［2］针对紧邻地铁超深基坑采用“地下连续墙+内支撑”的支护方案，并结合有限元数值计算进行了方案优选，将计算结果与监测数据进行了对比；章红兵等［3］采用数值模拟和现场检测的手段，研究了群桩施工对邻近地铁隧道的作用机制；殷一弘［4］在深厚软土地层的地质环境下，采用“分区顺作”+“板式支护”+“多道支撑”方案对紧邻地铁深大基坑进行支护设计，监测数据表明，该支护方案取得了良好的支护效果；徐中华［5］、丁智等［6］结合施工现场实时监测数据，研究了基坑开挖全过程周边沉降及地铁结构变形特性。

综上，学者对邻近地铁深基坑设计针对不同的地质环境、不同的基坑尺寸等条件采用了不同的支护方案。本研究针对武汉地区地质条件，选取邻近地铁复杂环境下典型深基坑设计案例，分析工程施工难点，进行邻近地铁深基坑设计，探讨基坑施工过程控制措施；并分析深基坑在开挖过程中的监测数据，得出本设计方案的可行性，为武汉地区类似邻近地铁深基坑案例的设计与施工提供借鉴。

1 工程概况

1.1 基坑概况

基坑工程位于武汉市硚口区，北侧邻近轨道交通1号线（轻轨）正常运营区间；基坑开挖范围呈不规则的多边形，开挖深度为9.48～11.18 m；基坑面积约为9 728.4 m2，总支护周长约为401 m。基坑北侧靠近轨道交通1 号线（图1），其边长为约为116 m，基坑与轨道交通1 号线之间的距离为32～38 m；东侧和西侧分别为规划道路，南侧为8层以下的砼构（建）筑物。

1.2 工程地质条件

基坑场地地貌单元属汉江一级阶地，根据场地勘探结果，结合基坑开挖深度，基坑开挖影响范围内揭露的地层主要有①1杂填土、①2素填土、①3淤泥、②1黏土、③粉质黏土夹粉土、④1粉砂、④2粉砂、④3粉细砂、④a粉质黏土夹粉土，其物理及力学参数见表1。

勘察区地表水不发育，在勘察深度范围内，场地地下水的类型主要为上层滞水、孔隙承压水及基岩裂隙水。

2 基坑支护设计方案

2.1 工程难点

通过对本工程场地地层及周边环境的分析，本工程案例在涉及施工方面主要存在3个难点：

（1）基坑工程场地周边环境复杂，基坑开挖过程中致使周边地层产生变形，进而导致轨道交通1号线结构的变形。

（2）基坑工程土方开挖及支护结构施工与邻近地铁的结构之间相互影响，进而影响轨道交通1号线结构的变形。

（3）基坑工程降水引起周边构（建）筑物的沉降、变形亦是本工程的难点。

2.2 基坑支护方案

2.2.1 支护方案

依据国家和地方规程［7-8］，并结合地层分布、水文地质条件、周边环境以及挖深等条件，确定基坑的安全重要性等级为一级。结合挖深、地层分布及工程难点，选定基坑支护方案：钻孔灌注桩+内支撑，局部支护段采用双排桩支护；上层滞水控制措施为明沟截、排水结合喷射混凝土止水。针对支护方案的选取原则及经济性分析详见下述。

桩顶放坡+钻孔灌注桩+内支撑主要布置在基坑北侧、邻近地铁一侧及东南角位置，其典型支护剖面见图2；桩顶放坡+钻孔灌注桩+内支撑支护方案在严格控制变形和沉降方面应用较为广泛，且较为成熟。这是由于基坑开挖过程中要严格控制沉降，并且保证轨道交通1 号线的沉降值不超过2 mm，确保地铁隧道的安全运营，因此采用此支护方式较为合理。支撑竖向选在支护桩冠梁位置处，进一步发挥冠梁的作用，避免在冠梁以下位置布设腰梁，减少工程造价。双排灌注桩布置在基坑南侧与内支撑中间位置，其典型支护剖面见图3。因此基坑工程的支护方案为桩顶放坡+钻孔灌注桩+内支撑+局部双排桩。

2.2.2 基坑降水

本基坑上层滞水控制措施为明沟截、排水结合喷射混凝土止水。本基坑承压地下水控制措施为中深井减压降水。本基坑布置降水井井数16 口，设计深度为32 m，顶标高为24.50 m，滤管长度为19 m，沉淀管长度为1.5 m；成井直径为600 mm，管径为300 mm。

2.2.3 止水帷幕

基坑工程采用2排ϕ500 mm 单轴搅拌桩作为止水帷幕，双排桩桩间采用5排ϕ500 mm 单轴搅拌桩止水。

3 基坑开挖施工及监测

3.1 基坑开挖施工工况

基坑工程开挖采用分块分层开挖，可以减小对轨道交通1号线的侧旁的卸荷量，可进一步控制轨道交通1 号线结构的变形与沉降。基坑工程于2019 年3 月5 日开挖，截至2020 年5 月6 日，基坑工程多处底板浇筑完成，部分基坑已经回填。

3.2 监测变形数据分析

为了使得监测数据能为基坑施工提供提前预测，以确保基坑工程的安全施工，因此变形累计值接近或者达到预警值（表2）时，应及时采用加固措施。

3.2.1 基坑外边坡变形监测

为了研究基坑外边坡沉降位移与水平位移，分别选取KJ01、KJ03、KJ06、KJ08 号监测点的监测数据进行分析。图4为基坑外边坡沉降值—时间关系图，图5 为基坑外边坡水平位移-时间关系图。监测点KJ01、KJ03 与监测点KJ06、KJ08 具有不同的监测起始时间，这是由于监测点开始监测是随着基坑工程分块开挖顺序的变化而变化。由图4、图5可得，随着基坑的开挖，基坑外边坡沉降值与水平位移都表现出明显的2 个阶段特征；出现2 个阶段的分界点是基坑局部位置开挖到基坑底部，致使基坑外边坡东侧出现裂缝，这是基坑前期开挖卸压，致使基坑外出现裂缝。随着底板的浇筑和地下室结构的施工，基坑外边坡沉降值及水平增加速率平缓；截至2020 年5月6 日，基坑工程多处底板浇筑完成，部分基坑已经回填，监测值都没有超过变形累计预警值。

3.2.2 轨道交通1号线沉降监测

文中选取监测点CJ01、CJ03、CJ05、CJ07 的监测数据，分析基坑工程在开挖过程中轨道交通1号线沉降值随着时间的变化规律（图6）。由图6 可得，基坑开挖初期，轨道交通1 号线沉降值逐渐增大；随着底板的浇筑和地下室结构的施工，支护体系与底板共同承受作用在支护结构上的土压力；轨道交通1号线沉降值趋于稳定，累计沉降值在2 mm以内，远小于累计沉降预警值（5 mm），这表明基坑工程开挖没有影响轨道交通1号线的正常运营，其支护体系对轨道交通1号线起到了很好的保护效果。