多梯度深基坑降水与开挖效应研究

蒋 肼

(中国铁建投资集团有限公司,北京 100855)

随着城市地铁、大型交通枢纽工程的建设以及地下空间的开发利用,复杂环境条件下大型多梯度深基坑不断出现,基坑的降水施工、大体量土方开挖,导致土体内的应力及外部约束条件产生变化,使得原本平衡的地层出现明显的位移,从而引起土体变形,并在动态中寻求新的平衡。

深基坑工程是受承压水危害最直接、最广泛的工程类型[1-2]。上海、杭州、扬州等沿海城市也发生过多次因降水引起的周边环境安全事故[3-4],应建立“以水位控制为前提、以沉降控制为核心”的承压水综合治理体系。由于局部基坑的开挖,基坑周边土的受力变形特性发生变化,基坑开挖导致的地层移动会使得周边土体发生附加变形,基坑不同开挖时序会产生相互影响的耦合效应[5]。目前,考虑不同梯度和规模基坑开挖时序问题的研究不多[6],实际施工中往往容易被忽视,经常出现开挖方式不当而导致整个基坑失稳严重事故。

1 工程概况

南京青奥轴线地下工程B2-J1区基坑平面形状复杂、“坑中坑”设计为本工程基坑主要特点。基坑南侧距青奥村、国际风情街基坑仅10 m,J匝道“坑中坑”外侧采用格栅地下连续墙围护结构,内侧采用地下连续墙围护结构;基坑西侧距长江大堤99 m,采用放坡开挖、挂网锚喷混凝土支护;主线隧道采用地下连续墙围护结构;l、M匝道均采用围护桩结构;基坑北侧临近青奥中心采用双排桩围护结构。基坑形式见图1。B2-J1区基坑开挖采用大放坡加悬臂开挖下的地下空间基坑内套直立开挖的隧道基坑形式。

图1 基坑形式

2 地下水降水方案和沉降预测

2.1 降水方案

B2-J1基坑Ⅰ期工程主要内容:盆式基坑开挖,滨江大道、主线隧道及J、L、M匝道基坑开挖与主体结构施作。虽然基坑外围已采用三轴搅拌桩作为止水帷幕,对潜水已有一定的隔水效果,但考虑Ⅰ期施工时基坑整体面积较大,浅层土体含水量不容忽视。Ⅰ期工程施工时,基坑降水采用混合井井结构、整体降水的方式。整体降水即Ⅰ期工程基坑内全部的降水井都将共同参与运行,直到Ⅰ期工程完成。经过模型计算:在先施工的Ⅰ期布置降水井76口(含20%备用兼观测井),基坑降水井布置见图2,可将该区水位控制安全水位下。Ⅰ期施工时,执行“分层降水、按需降水、动态调整”的原则,地下水位控制在开挖面以下0.5～1.0 m。降水运行时,随开挖深度加深逐步降低承压水头,尽量减少减压降水引起相邻地面的沉降,基坑降水井运行后预测基坑水位降深等值线见图3,满足后续施工要求。

图2 基坑降水井布置 图3 降水井运行后预测基坑水位降深等值线(单位:m)

2.2 沉降预测

预估Ⅰ期开挖降水120 d后,基坑大面积放坡开挖至标高约-0.5 m,此时需要对③1粉砂层承压含水层进行降水,减压降水引起的周边沉降变形等值线预测见图4。

图4 基坑工程减压降水引起的地面沉降预测(单位:mm)

由图4可知,减压降水引起的B2-J1基坑外最大沉降值约16～20 mm,满足沉降控制要求。

3 多梯度深基坑开挖相互作用模拟分析

3.1 计算模型及参数

主隧道基坑混凝土内支撑1 m×1 m,匝道基坑混凝土内支撑1 m×1 m,钢支撑直径609 mm,格栅连续墙厚度1.0 m、深度17.5 m,匝道基坑支护深23.5 m,双排桩的前排桩直径1.2 m、深23.5 m,后排直径1.0 m、深15.5 m。利用数值分析软件modfiow建立的整体计算模型见图5。计算参数见表1。

图5 整体计算模型

主隧道基坑开挖深度27.052 m,J匝道开挖深度17.599 m,L匝道开挖深度20.891 m,M匝道开挖深度17.264 m,滨江大道开挖深度8.581 m。

3.2 模拟结果分析

表1 地层物理力学特性指标

鉴于本工程工期异常紧张,基于主体结构底板及基坑必须于3月长江汛期前封底决定了必须首先完成基坑最深处土方开挖并进行结构施作。本次模拟选取三种开挖时序,工况1:先开挖主隧道后开挖匝道;工况2:先开挖匝道后开挖主隧道;工况3:匝道和主隧道同时开挖。以“工况1:先开挖主隧道后开挖匝道”时序为例进行多梯度深基坑开挖相互作用详细分析。

不同开挖阶段基坑水平位移见图6,基坑不同开挖阶段主隧道和匝道围护结构的水平位移分别见图7和图8。

从图6～图8可知,当开挖完成上部第一层土体后,格栅地连墙的最大水平位移为5.3 mm,满足规范要求。双排桩的前桩最大水平位移为3.4 mm,开挖结束为2.2 mm;双排桩后桩开挖前最大水平位移为3.3 mm,开挖结束为1.5 mm,此变形量满足《建筑基坑支护技术规程》要求,规范中要求变形量不宜超过10 cm,因此不需要对其进行控制。格栅地连墙在开挖2～3层土体之间位移变化量较大,之后开挖L匝道对Y隧道基坑影响不大;第一次开挖完成后,地下连续墙水平位移变化了6.5 mm,6.5 mm/H=0.81‰,此变形量远小于《建筑基坑工程监测技术规范》中位移控制要求的容许值范围,因此不需要对其进行控制。

4 不同开挖时序下基坑变形性状分析

三种开挖方式下格栅地连墙和主隧道另一侧地连墙的水平位移见图9,匝道基坑支护结构水平位移见图10,双排桩水平位移见图11。

从图9可以看出,由于格栅地连墙的刚度大,抗侧向变形能力强,因此,三种开挖方式下格栅地连墙的水平位移比较接近,最大值为匝道先开挖,达到8.2 mm,最小值为同时开挖,为7.2 mm;主隧道基坑另一侧支护结构水平位移也呈现同样的变化特点,最大值为匝道先开挖,达到5.7 mm,最小值为主隧道先开挖,基坑开挖引起的主隧道水平位移值小于6 mm。这些水平位移满足《基坑施工技术规范》的要求,测得的水平位移值小于30 mm,因此较安全。因此,考虑到主隧道地连墙的水平位移值大小,在开挖地连墙时,应采取主隧道先开挖的方式。如果基坑中有一个基坑的支护刚度相对另一个大的多,应先开挖支护刚度较大的一侧,再开挖支护刚度较小的一侧,这样有利于控制变形。

图6 基坑水平位移

图7 主隧道围护结构水平位移

从图10可以看出,匝道基坑左侧支护结构朝主隧道基坑一侧变形,最大值产生于匝道基坑先开挖时,为5.9 mm,最小值是主隧道基坑先开挖时的变形,为4.0 mm;这些水平位移合乎《基坑施工技术规范》的要求,测得的位移值小于30 mm,满足规范要求。匝道基坑右侧支护结构在开挖后会向坑内作整体水平移动,且会发生轻微的踢脚现象。因此,在围护结构的薄弱环节,要做好加固处理,防止由于后续基坑的开挖对已修建的结构产生较大影响。

图8 匝道围护结构水平位移

图9 主隧道地连墙的水平位移

图10 匝道基坑围护结构水平位移

图11 不同开挖时序下双排桩水平位移

从图11可以看出,双排桩支护的水平位移,匝道和主隧道同时开挖与匝道先开挖基本相同,前后两排桩均约为12.6 mm;变形最小值是先开挖主隧道再开挖匝道发生的变形,前后两排桩均约为5.1 mm。不同的开挖方式导致的双排桩水平位移值可相差1倍以上。减少基坑开挖深度,才能有效的控制基坑变形,因此,综上所述,应先开挖主隧道再开挖匝道,这样有利于对基坑变形进行控制。

5 结论

以南京青奥轴线地下工程B2-J1区基坑为例,利用数值分析软件modflow进行了基坑降水对周边环境影响分析,分析了基坑降水水位控制技术,水位控制的核心是坑内水位控制,可通过设备调配、预估降深等来实现。基坑主线隧道及J、L、M匝道开挖按照先开挖主隧道后开挖匝道的时序,匝道从与主线隧道接头处向各自方向进行施工。该基坑土方总量28.36万m3,开挖及内支撑体系完成用时91 d。基坑开挖期间监测数据反馈,基本与模拟工况分析相吻合。

通过对多梯度基坑降水和不同开挖时序相互影响进行模拟分析,结合工程实例,得出以下结论:

(1)通过计算分析,给出在先施工的Ⅰ期布置降水井76口(含20%备用兼观测井),可将该区水位控制安全水位下,Ⅰ期施工时,执行“按需降水”,基坑降水井运行后预测基坑水位降深和减压降水引起的基坑外最大沉降值满足施工控制要求。

(2)由于多梯度坑群中单体基坑形式多样,刚度、规格均有一定的区别,因此不同类型的围护结构交接面往往是围护结构的薄弱环节,在此部位必须根据工艺作业条件进行TRD或MJS加固处理,防止后续基坑的开挖对已建支护结构的影响。

(3)多梯度基坑开挖时序,如果相邻基坑的支护结构刚度相同,应先开挖浅基坑,再开挖深基坑;如果相邻基坑中有一个基坑的支护刚度相对于另一个大的多,应先开挖支护刚度较大的一侧,再开挖支护刚度较小的一侧,比较有利于变形控制。