三面临水深基坑围护方案设计及施工控制措施

张鹏飞,高伟奇,田 刚

(中冀建勘集团有限公司,河北 石家庄 050000)

0 引言

深基坑施工具有风险性大、区域性强、时间效应强、系统性强等特点,而且受到环境条件影响比较大,处于复杂环境地区的深基坑工程必须要采取合理有效的围护措施[1]。在临水环境条件下,基坑工程设计不仅需要考虑变形控制问题,而且还需考虑地下水和地表水的渗透问题。因为在水源补给条件下,受水压作用深基坑工程很容易发生渗透变形和渗透破坏,引发基坑工程突涌和周边地层的坍塌,给深基坑工程的建设带来威胁[2]。目前,关于临河临湖等深基工程的研究较多,且取得了较多的研究成果,但这些研究多集中在一侧临水,对于三面临水且周边开发程度高条件下的基坑开挖研究较少[3-5]。本文尝试以杭州市河汇项目深基坑工程为研究对象,基坑三面临河、周边环境复杂,采用数值模拟手段分析深基坑的变形控制问题,并对止水帷幕施工控制措施展开研究,研究成果可为复杂地表水体及临近周边建(构)筑物条件下的深基坑开挖提供借鉴。

1 工程概况及场区工程地质条件

1.1 工程概况

河汇项目位于杭州市上城区钱江新城核心地段,本项目为杭州重点工程建设标准高,未来杭州市新地标项目,总建筑面积约137 474.5 m2。项目基坑三面临水,北临新塘河,西靠三新路,东依京杭运河,南至运河之江隧道及钱塘江,西南角为在建钱塘江博物馆,如图1所示。基坑周边场地整平后绝对标高为7.00～10.00 m,(其中新塘河驳坎侧场地绝对标高为7.00～10.00 m,东北角、新塘河泵站排水箱涵侧场地绝对标高为10.00 m),根据地势起伏(西低东高)。江河汇项目基坑大致呈矩形,面积约为32 850 m2,周长约为770 m,长约260 m,宽约135 m,下表为基坑工程开挖深度表。

表1 基坑工程开挖深度

现状场地较为起伏,整体呈西地东高,地下三层底板厚取800 mm。综合考虑基底土质条件、坑边承台分布和垫层厚度,设计坑底标高为-8.20 m(局部为-9.20 m)。北侧为已建新塘河驳坎及新塘河排涝泵站,东侧为已建新塘河排水箱涵。基坑内边线与北侧新塘河驳坎水平间距约13.2 m,与东北角新塘河排涝泵站水平间距约9.2 m,与东侧新塘河泵站排水箱涵水平间距约7.7 m。

1.2 场区工程地质条件

根据现场地质调查,本场区地势平坦,受后期人类活动影响,地势稍有起伏,场地内填土厚度普遍较大,一般为3.0～8.0 m左右,回填土多含碎石、建筑垃圾及生活垃圾等,尤其是①1层杂填土,局部粗骨粒含量高达30%～60%,粒径一般2～8 cm,最大粒径大于20 cm。在勘探深度范围内可分为12个工程地质层,其物理力学特征如下表所示。

表2 深基坑工程土层物理力学参数指标

2 深基坑围护设计方案

2.1 深基坑周边环境分析及围护设计要求

深基坑三面临水,周边环境复杂、开发程度高、周边建筑物保护要求高。经分析,基坑南侧为已建运河之江隧道,基坑内边线与北线的水平间距约9.5 m,南线隧道的水平间距约32.5 m,与河西工作井的水平间距约68.4 m;东侧为已建新塘河泵站排水箱涵、三堡排洪箱涵和京杭大运河,该侧基护内边线距离用地红线约3.1 m,距待建新塘河泵站排水箱涵(D5000,混凝土结构,埋深约2.0 m)最近处7.7 m,距三堡排洪箱涵约38.7 m,距京杭运河堤坝约47.2 m;西侧为市政道路三新路,至道路边的最近距离为9.8 m;北侧为新塘河驳坎,该侧基护内边线至用地红线的最近距离为2.8 m,距离新塘河河道边线约13.2 m;东北角为新塘河排涝泵站,西南角为在建钱塘江博物馆,同时西侧及西北角周边市政管线较多,基坑对变形均较为敏感,特别是东侧已建排水涵管、北侧新塘河驳坎以及东北角新塘河排涝泵站,位移控制要求高,需特别加强保护;开挖范围内为粉砂土,且紧邻钱塘江、京杭运河及新塘河,水源补给充沛,需做好降排水措施,避免基坑渗漏;同时淤泥质粘土位于坑底以下,且土层较薄,桩底容易进入土质较好的粘土层。基坑平面面积大,开挖深度深,空间效应较差;距离用地红线近,约3～4 m,场地条件紧张;场地标高起伏大,西低东高,基坑受不均衡周边荷载作用,需合理考虑。根据以上周边环境及基坑三面临水特点,基坑围护设计需重点考虑基坑的自身安全性、防止基坑透水和渗透破坏、防止基坑开挖对周边敏感建筑物及管网的扰动。

2.2 深基坑围护方案设计

本着“确保安全、加快进度、节省造价、方便施工”的原则,经多方案分析比较,针对本工程实际情况、周边环境和邻近建构筑物的保护要求,最终确定采用如下方案:地下连续墙/钻孔灌注桩结合2～3道内支撑支护,其中新塘河排涝泵站、驳坎及排水箱涵侧采用φ1200@1 400 mm钻孔灌注桩结合3道水平支撑支护,深基坑围护结构平面布置如图2所示。

图2 深基坑围护结构平面布置图

如图2所示,南侧紧邻运河之江隧道侧为1 000 mm厚地下连续墙,槽壁加固为850 mm直径三轴水泥搅拌桩;东侧近运河侧(地势较高)为直径1 200 mm@1 400 mm钻孔灌注桩结合700 mm厚TRD止水帷幕;其余范围1 100 mm@1 300 mm直径钻孔灌注桩结合700 mm厚TRD止水帷幕。

(1)支撑体系:整体设置二道钢筋混凝土水平内支撑,南侧及东北角设置三道钢筋混凝土水平内支撑,东侧中部设置一道钢筋混凝土斜撑+二道钢筋混凝土水平内支撑,斜撑位置第二道支撑增设混凝土板带。各道支撑标高分别为9.00 m、3.75 m及-3.400 m。

(2)止水措施:如图2所示,在南侧采用1 000 mm厚地下连续墙+700 mmTRD止水帷幕进行地下水和钱塘江水的入渗;在基坑西侧和北侧采用700 mmTRD止水帷幕防止地下水和新塘河水的入渗;在基坑东侧采用700 mmTRD止水帷幕防止地下水和京杭大运河河水的入渗。TRD穿透淤泥质粉质黏土夹粉土层。

(3)降排水措施:TRD/三轴水泥搅拌桩均穿透粉砂土层进入下部不透水层,基坑外为控制性降水至地表下5 m;运河之江隧道侧坑外为应急井,正常情况下不得开启,仅作为在发生渗漏险情的情况下方可开启使用(启用时降深应控制在5 m以内),使用前应征得设计单位同意。根据相关设计规范,对承压水突涌复核计算,如公式(1)所示。

(1)

式中:γm表示透水层以上土的饱和重度;t+△t表示透水层顶面距基坑底面的深度;Pw表示含水层水压力[3]。经验算,土方开挖至基坑底标高时,抗突涌稳定性系数为1.22～1.45,大于规范要求的1.1,因此承压水对基坑开挖影响不大,无需采取专项处理措施。但仍应注意以下方面:确保所有地质勘察钻孔施工结束后均进行有效封孔;钻孔灌注桩施工时应控制泥浆的重度、黏度等指标,孔壁泥皮不宜过厚[4]。避免沿勘察钻孔或桩基侧壁形成承压水通道,影响基坑安全施工。坑中坑采用高压旋喷桩重力式挡墙结合坑内满堂加固,大门设置于西侧,土方车辆经栈桥至三新路出土,待施工单位确定后另行深化。

2.3 深基坑围护设计方案论证分析

结合基坑围护设计方案具体的施工工况要求,对深基坑围护设计方案进行论证分析,论证该设计方案的可行性。如图3所示,利用Plaxis软件对新塘河排水箱涵复杂环境下深基坑围护设计方案进行二维有限元分析,依据分析类型的不同,选取A-A、B-B、C-C三个断面作为分析对象,分析土方开挖至第三道支撑底、土方开挖至坑底标高、拆除第一道支撑并完成换撑三个工况,基坑主体结构与排水箱涵位移情况,二维有限元计算结果汇总如表3所示。

图3 Plaxis软件深基坑有限元分析

通过二维有限元分析得出以下主要结论:随着旁侧基坑开挖,结构变形主要表现为水平方向开挖侧变形,竖直方向沉降,A-A断面当土方开挖至坑底标高时,围护结构的最大水平变形42.80 mm,排水箱涵的最大水平变形25.51 mm,最大沉降-21.68 mm。B-B断面当土方开挖至坑底标高时,围护结构的最大水平变形42.52 mm,驳坎的最大水平变形17.43 mm,最大沉降-19.39 mm。C-C断面当土方开挖至坑底标高时,围护结构的最大水平变形44.06 mm,排涝泵站的最大水平变形8.066 mm,最大沉降-7.074 mm。

二维有限元计算只能考虑平面应变问题,因此无法完全反映基坑与隧道的真实关系。实际施工时沿隧道一侧基坑应采取分区、分块、分层开挖措施。为反映开挖实际情况,应进一步采用三维有限元分析软件,以进一步精确分析基坑开挖对隧道的影响。三维模型增加了新塘河排涝泵站、驳坎、排水箱涵在基坑围护结构延伸方向的维度。按照力学分析结果,模型横向边界到结构的边界的距离应大于3～5倍的结构尺寸,模型下边界到圆砾层,上部边界为地表。同时考虑到本模型主要考虑邻近基坑开挖对新塘河排涝泵站、驳坎、排水箱涵的影响,因此模型边界到基坑边的距离要大于1.5～2倍的基坑开挖深度。因此,模型的尺寸为420 m×400 m×60 m,三维有限元计算结果如表4所示。

表4 三维有限元计算结果

3 三面临水深基坑止水帷幕施工控制措施

3.1 TRD渠式水泥切割连续墙

TRD渠式水泥切割连续墙成墙深度为24.15～28.65 m,墙体标高范围为+7 m/+10 m～-17.15 m/-18.65 m,墙厚700 mm。根据TRD渠式水泥切割连续墙的设计墙深进行切割箱数量的准备,为满足24.15～28.65 m设计深度要求,切割箱3.65 m一节,共需要选配9节切割箱。

为保证TRD渠式水泥切割连续墙的防水效果和强度,施工设备的选型应保证先进合理,施工工程中采用钠基膨润土进行土体混合拌制,拌制后墙体水泥掺和量应大于20%,膨润土掺量为入950 kg/m3,待墙体施工完成后再水中养护28 d,并按照每台班组抽查2组试块的方法对TRD渠式水泥切割连续墙强度进行监测,取样的深度应在有效墙顶以下1 000 mm,取样钻头为11 cm,取样试块为直径10 cm,高度为28 cm,在室内试验中进行无侧限抗压强度试验,其标准值应不小于0.8 MPa[6-7]。如果TRD渠式水泥切割连续墙28 d无侧限抗压强度不合格,则应连续取样至墙体底部进行复测。

TRD渠式水泥切割连续墙的几何尺寸控制包括垂直度、水平偏差、墙体深度和墙体厚度,垂直度应控制在1/250以内,水平偏差应控制在50 mm以内,墙体施工深度误差不能超过50 mm以保证防水效果,同时墙体厚度误差应在±20 mm以内以保证墙体刚度。

3.2 地下连续墙

地下连续墙的垂直度和水平度是最为重要的两个控制指标,前者主要采用经纬仪和成槽机的显示仪进行控制,后者则采用水平仪进行空盒子。在施工前应对成槽机导板的垂直度进行控制,使其不超过0.3%,以控制成槽机抓斗的垂直贯入。

地下连续墙混凝土浇筑过程中,混凝土的施工质量控制是保证地下连续墙封闭的前提条件。因此,在浇筑时应保证导管在混凝土内有一定的埋置深度,一般为2～4 m,最大不能超过6 m,以免混凝土对导管的卡埋,同时导管埋置过深使得拔管对混凝土产生扰动,对于具有2个导管同时施工的墙体,相邻两导管内混凝土高差不超过0.5 m[10]。

为了保证地下连续墙墙幅之间的止水封闭性,在接头处采用工字钢接头连接,在先行幅混凝土浇灌过程中工字钢的外侧采取回填碎石的措施,用来阻挡混凝土浇灌时产生的侧向压力,避免钢筋笼的侧向移动,但在混凝土浇灌过程中水泥浆液会充填到回填碎石的空隙内,同时在成槽过程中砂颗粒的沉淀也会在接头工字钢的槽口内沉积很多顽固的淤泥,较难清除,因此在完成嵌幅成槽后,必须采取有效措施铲除接头内沉积的淤泥和碎石,确保接头防渗质量。

4 结语

深基坑围护设计是深基坑施工方案设计中重点部分,设计一套科学合理的深基坑围护方案,对确保深基坑施工安全和质量具有重要作用,尤其是在复杂施工环境下,深基坑围护设计更是重中之重。此次针对三面临水复杂环境下深基坑变形问题,提出了一个围护设计方案,并论证了该方案的可行性,为临河区域复杂环境下深基坑围护施工提供了可靠的参考依据,为新塘河的发展提供了理论依据。