代仲海, 趙俊偉

(1.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所， 陜西 西安 710048；2.內(nèi)蒙古呼倫貝爾市公路質(zhì)量監(jiān)督站, 內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008)

1 研究背景

隨著各地航空樞紐的建設(shè)，機(jī)場(chǎng)的航空業(yè)務(wù)量持續(xù)增長(zhǎng)，航空公司機(jī)隊(duì)規(guī)模也不斷增加，這無(wú)疑增加了機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行壓力，從而促使機(jī)場(chǎng)對(duì)其硬件設(shè)施進(jìn)行改造升級(jí)。對(duì)機(jī)場(chǎng)進(jìn)行擴(kuò)建成為解決運(yùn)行壓力的首要辦法。沿海某國(guó)際機(jī)場(chǎng)地下運(yùn)輸通道建設(shè)及機(jī)坪擴(kuò)建項(xiàng)目即是出于緩解日益增加的運(yùn)營(yíng)壓力而進(jìn)行的擴(kuò)建工程，其中飛行區(qū)下穿通道工程涉及基坑開(kāi)挖施工?；娱_(kāi)挖是一項(xiàng)相對(duì)復(fù)雜的工程，一方面要關(guān)注基坑的穩(wěn)定性，即在基坑設(shè)計(jì)時(shí)要滿(mǎn)足強(qiáng)度要求；另一方面，由于基坑開(kāi)挖導(dǎo)致的土體卸荷會(huì)引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)自身變形及周?chē)馏w的變形，進(jìn)而會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境造成影響。開(kāi)挖對(duì)周邊建(構(gòu))筑物影響大的基坑工程，基坑設(shè)計(jì)將從滿(mǎn)足穩(wěn)定性條件向滿(mǎn)足變形條件轉(zhuǎn)變，這也意味著基坑工程的安全性轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃慰刂芠1-2]。

本文涉及的機(jī)場(chǎng)飛行區(qū)下穿通道工程橫穿T3(運(yùn)營(yíng))、T4(運(yùn)營(yíng))及T0(新建)飛機(jī)滑行跑道。根據(jù)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行要求，在基坑施工過(guò)程中，3條滑行跑道中的兩條必須正常使用。且部分區(qū)域需要在夜間停航期間施工(工人及機(jī)器進(jìn)場(chǎng)至撤場(chǎng)時(shí)間僅為6.5 h)，施工效率低。這將使開(kāi)挖面長(zhǎng)時(shí)間暴露，圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移及周邊地表沉降有較長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展，影響基坑安全及滑行道的正常運(yùn)營(yíng)。另外基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)涉及數(shù)條管線(xiàn)，探查資料表明，主要包括機(jī)場(chǎng)正常運(yùn)營(yíng)必須的輸油和輸電管線(xiàn)以及市政管線(xiàn)等，這些管線(xiàn)對(duì)周?chē)貙拥淖冃畏浅Ｃ舾校P(guān)系到機(jī)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的安全。因此基坑工程施工(包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)、地層開(kāi)挖等)時(shí)，嚴(yán)格控制對(duì)周邊地層的變形的影響，并采取相關(guān)措施進(jìn)行有效保護(hù)，是關(guān)系工程成敗的關(guān)鍵一環(huán)。

工程人員和學(xué)者對(duì)基坑開(kāi)挖的時(shí)間效應(yīng)[3-5]、施工引起的土體位移[6-8]、管線(xiàn)變形[9-11]開(kāi)展了大量的實(shí)測(cè)和試驗(yàn)研究。在時(shí)間效應(yīng)方面，王國(guó)粹等[12]考慮軟土的流變效應(yīng)，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)上海某基坑工程逆作法施工進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，加快土體開(kāi)挖速度能有效減小圍護(hù)樁變形。王志鵬等[13]基于流固耦合的基本控制方程，編制了相應(yīng)的可以考慮時(shí)間效應(yīng)的程序，分析了開(kāi)挖速率對(duì)軟黏土深基坑時(shí)間效應(yīng)的影響。林志斌等[14]采用有限差分軟件分析了由于基坑開(kāi)挖導(dǎo)致的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周?chē)貙拥淖冃我?guī)律，在模型中考慮了土體的流變特性和支撐結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。在對(duì)周邊管線(xiàn)影響方面，謝雄耀等[15]運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和有限元模擬的方法對(duì)基坑開(kāi)挖引起下臥層既有電力隧道變形的控制技術(shù)進(jìn)行了研究。李鏡培等[16]通過(guò)對(duì)基坑項(xiàng)目實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的整理，分析了上海地區(qū)基坑的空間效應(yīng)和深度效應(yīng)，主要討論了擋墻側(cè)移、支撐軸力、立柱隆沉等隨土體開(kāi)挖卸荷的變化規(guī)律。姜崢[17]以彈性地基梁理論為基礎(chǔ)，得到了管線(xiàn)變形和內(nèi)力的理論解答，同時(shí)為簡(jiǎn)化理論解答計(jì)算，進(jìn)一步給出了加權(quán)殘值解。

本文在總結(jié)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周?chē)貙幼冃我?guī)律研究成果的基礎(chǔ)上，基于機(jī)場(chǎng)地下運(yùn)輸通道及機(jī)坪改造工程實(shí)測(cè)結(jié)果，總結(jié)了受開(kāi)挖時(shí)間和周邊復(fù)雜環(huán)境影響的基坑開(kāi)挖時(shí)圍護(hù)墻體變形及基坑周?chē)貙幼冃蔚囊?guī)律。針對(duì)施工時(shí)間限制和管線(xiàn)變形控制要求，對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化，可以為開(kāi)挖時(shí)間受限的基坑工程施工積累經(jīng)驗(yàn)。

2 工程概況及地質(zhì)條件

2.1 工程概況和周邊環(huán)境

本工程包括T1航站樓-S1衛(wèi)星廳和T2航站樓-S2衛(wèi)星廳兩個(gè)下穿通道，使用功能為連接航站樓和衛(wèi)星廳的機(jī)場(chǎng)服務(wù)車(chē)地道、旅客捷運(yùn)通道和行李車(chē)地道。T1-S1 下穿通道為新建地道，包括行李車(chē)地道和東、西服務(wù)車(chē)地道；T2-S2下穿通道北接已建地道，南端預(yù)留接口與規(guī)劃的捷運(yùn)區(qū)間連接，包括行李車(chē)地道、捷運(yùn)地道和東、西服務(wù)車(chē)地道。

本工程中T1-S1 下穿通道基坑除東服務(wù)車(chē)地道北匝道外，其余部分基坑并坑實(shí)施?；娱_(kāi)挖深度最大為10.6 m，寬度為10～36 m，局部泵房處基坑開(kāi)挖深度為11.8～13.6 m。T2-S2 下穿通道基坑除東、西服務(wù)車(chē)地道北匝道以及東服務(wù)車(chē)地道南匝道外，其余部分基坑并坑實(shí)施?；娱_(kāi)挖深度最大約為10.5 m，寬度為10～52 m，局部泵房處基坑開(kāi)挖深度為11.5～12.8 m。基坑平面布置如圖1所示。

工程建設(shè)場(chǎng)地范圍內(nèi)有航油、上水、污水、電力、信號(hào)等管線(xiàn)，根據(jù)管線(xiàn)改遷計(jì)劃，受基坑開(kāi)挖影響的管線(xiàn)有：T1-S1下穿通道FK0+875～FK0+950段基坑西側(cè)有信號(hào)、電力、上水、雨水和污水管線(xiàn)。T2-S2 下穿通道BK0+525～BK0+625段基坑兩側(cè)有信息、電力等管線(xiàn)。T2-S2下穿通道BK0+750～BK0+875段基坑兩側(cè)有電力和上水等管線(xiàn)。

2.2 水文地質(zhì)概況

根據(jù)勘察資料，擬建場(chǎng)地自地表以下43.3 m 深度范圍內(nèi)可劃分為5個(gè)土層。土層分布及土層性質(zhì)如表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

圖1 基坑平面圖及測(cè)點(diǎn)布置

擬建場(chǎng)地潛水年平均水位埋深為0.50～0.70 m，低水位埋深為1.50 m。擬建場(chǎng)地內(nèi)承壓水分布于第⑦層。承壓水水位均低于潛水位。

3 支護(hù)方案和基礎(chǔ)加固措施

3.1 支護(hù)方案

本工程處于機(jī)場(chǎng)范圍內(nèi)，受周邊環(huán)境條件限制較多，根據(jù)機(jī)場(chǎng)運(yùn)行要求，施工期間T3、T4 以及新建T0滑行道中應(yīng)保證兩個(gè)能夠正常使用。因此將整個(gè)下穿通道工程沿縱向分段施工，主要分以下3個(gè)階段：(1)實(shí)施新建T0滑行道范圍內(nèi)的地道結(jié)構(gòu)及滑行道。T3、T4滑行道正常運(yùn)營(yíng)；(2)開(kāi)通新建T0滑行道，T4滑行道正常運(yùn)營(yíng)，停用中間T3滑行道，實(shí)施中間滑行道范圍內(nèi)的地道結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)實(shí)施完畢后恢復(fù)T3滑行道；(3)新建T0滑行道及T3滑行道正常運(yùn)營(yíng)，停用T4滑行道，實(shí)施剩余范圍內(nèi)的地道結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)實(shí)施完畢后恢復(fù)T4滑行道。

對(duì)于禁飛區(qū)內(nèi)需要夜間施工的部分，采用鉆孔灌注樁作為維護(hù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)開(kāi)挖深度和環(huán)境保護(hù)等級(jí)不同，采用Φ700@850、Φ800@950和Φ900@1050等不同尺寸，鉆孔灌注樁外側(cè)采用雙排止水帷幕，插入比約1∶1.2，在深度方向設(shè)置兩道支撐，分別為1道混凝土支撐和1道鋼支撐，坑底設(shè)高壓旋噴樁裙邊固，典型基坑剖面圖如圖2(a)所示。

對(duì)于非禁飛區(qū)內(nèi)的基坑，采用Φ850SMW 工法樁圍護(hù)，型鋼插二跳一，型鋼插入比約1∶1.2，在深度方向設(shè)置兩道支撐，分別為1道混凝土支撐和1道鋼支撐(局部換撐)，坑底進(jìn)行三軸攪拌樁加固，典型基坑剖面圖如圖2(b)所示。

3.2 地基加固

為提高坑底地基土的力學(xué)性能，減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移及基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響，根據(jù)前述圍護(hù)體系設(shè)計(jì)條件以及上海地區(qū)的基坑工程經(jīng)驗(yàn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用支護(hù)樁+內(nèi)支撐時(shí)，坑底采用3～4 m的高壓旋噴樁或三軸攪拌樁裙邊加固。為減小使用階段結(jié)構(gòu)變形縫兩側(cè)的不均勻沉降，在結(jié)構(gòu)變形縫兩側(cè)各設(shè)置2 m寬的坑底加固。

3.3 地下水位控制

對(duì)于本基坑潛水控制，為保證基坑在開(kāi)挖過(guò)程中的安全，需要降低坑內(nèi)水位至開(kāi)挖面以下1～2 m?；臃秶鷥?nèi)需要疏干土體的層位包括②～⑤層。采用井點(diǎn)降水的形式?？油馑晃挥诘乇硪韵?.5～0.7 m位置，受到降水等補(bǔ)給的影響，在±100 cm 范圍內(nèi)變化。對(duì)于承壓水，抗承壓水穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求?？紤]到承壓水的水頭隨季節(jié)有所變化，且區(qū)域內(nèi)地質(zhì)變化較大，因此施工時(shí)應(yīng)監(jiān)測(cè)⑦層承壓水水頭，并驗(yàn)算基坑的穩(wěn)定性，以決定是否需進(jìn)行降水，井點(diǎn)降水方案和止水帷幕如圖3所示。

嚴(yán)控禁區(qū)內(nèi)止水帷幕、工法樁和坑內(nèi)加固的施工質(zhì)量，確保隔斷基坑內(nèi)外地下水，同時(shí)嚴(yán)格控制降水速度，以滿(mǎn)足下一層土方施工為標(biāo)準(zhǔn)。加強(qiáng)禁區(qū)周邊滑行道面的變形監(jiān)測(cè)，并在混凝土灌注樁北側(cè)設(shè)置注漿孔。在開(kāi)始降水后一旦出現(xiàn)異常沉降時(shí)，立即停止降水，采用回灌技術(shù)或壓密注漿方式迅速控制沉降和變形。

4 監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括對(duì)周?chē)ㄖ锕芫€(xiàn)變形監(jiān)測(cè)和對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力的監(jiān)測(cè)，通過(guò)信息反饋法指導(dǎo)施工。本文主要分析第二階段施工過(guò)程中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，因此僅敘述第二階段的監(jiān)測(cè)方案。第二階段監(jiān)測(cè)方案和測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

本工程第二階段監(jiān)測(cè)內(nèi)容為：

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜：在第二階段基坑周?chē)贾?個(gè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)基坑維護(hù)墻體的水平位移，測(cè)點(diǎn)編號(hào)MP1～MP8，如圖1所示。

(2)墻后地表沉降監(jiān)測(cè)：在第二階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)后布置6組墻后地表沉降測(cè)點(diǎn)，每組4個(gè)，編號(hào)為MBi-1～MBi-6，如圖1所示。

(3)支撐軸力：在兩道支撐上各布置5處軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為MZi-1～MZi-5。

5 監(jiān)測(cè)規(guī)律總結(jié)

5.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜

圖4和5分別為MP1和MP5測(cè)點(diǎn)不同施工階段墻體測(cè)斜的變化規(guī)律，其位移報(bào)警值為40 mm。

圖4和5表明，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜在整個(gè)基坑工程施工過(guò)程中的變化形態(tài)一致。首先，圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜隨深度先增大后減小，整體呈現(xiàn)“大肚狀”。這與文獻(xiàn)報(bào)道的有支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形特點(diǎn)相一致。其次，由于土體的不斷開(kāi)挖，整個(gè)深度范圍內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜隨基坑開(kāi)挖不斷增加，且其最大值也不斷增加。分析圖4中開(kāi)挖深度為6 m和開(kāi)挖深度為8 m兩條曲線(xiàn)以及圖5中開(kāi)挖深度為7 m和開(kāi)挖深度為8m兩條曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，開(kāi)挖深層土體引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形要大于開(kāi)挖淺層土體所引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形。同時(shí)，圖4和5均表明隨著基坑的開(kāi)挖，測(cè)斜最大值位置也在不斷下移，并處于開(kāi)挖面附近。最后，從圖4和5中看出，在基坑開(kāi)挖完成以后底板澆筑前，測(cè)斜均有較大發(fā)展，這表明了基坑變形的時(shí)間效應(yīng)，另外還可以看出底板澆筑有效地抑制了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

圖2 基坑剖面圖(單位：m)

對(duì)比圖4和5還可以看出，MP5點(diǎn)測(cè)斜最大值小于MP1點(diǎn)測(cè)斜最大值，從圖1中兩測(cè)點(diǎn)位置可以看出，MP1點(diǎn)位于長(zhǎng)邊靠近中點(diǎn)的位置，而MP5點(diǎn)則處于基坑拐角處附近，這表明基坑開(kāi)挖導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形具有空間效應(yīng)。

圖6所示為基坑圍護(hù)樁各測(cè)點(diǎn)側(cè)向位移最大值的空間分布。由圖6可以看出，測(cè)點(diǎn)MP3和測(cè)點(diǎn)MP5的側(cè)移最大值明顯小于其他測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)MP4側(cè)移最大值較大。從圖1中的測(cè)點(diǎn)布置可以看出，測(cè)點(diǎn)MP3和測(cè)點(diǎn)MP5位于基坑角點(diǎn)處，測(cè)點(diǎn)MP4位于基坑邊中點(diǎn)處，這反映出了基坑開(kāi)挖的空間效應(yīng)，即基坑變形受到基坑大小和形狀的影響。

圖3 圍護(hù)及加固平面圖

5.2 實(shí)測(cè)墻后地表沉降

圖7所示為MB4觀測(cè)點(diǎn)墻后地表沉降變化規(guī)律。從圖7可以看出，不同的施工階段，坑后地表沉降變化規(guī)律具有一致性。在緊鄰圍護(hù)結(jié)構(gòu)處，墻后土體受到圍護(hù)結(jié)構(gòu)摩擦的影響，其沉降反而小于距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)一定距離處的地表沉降。對(duì)于距離基坑較遠(yuǎn)處的地表沉降，由于受到開(kāi)挖的影響較小，其值也隨距離的增加而減小。同時(shí)，對(duì)比不同施工階段沉降曲線(xiàn)的變化可以發(fā)現(xiàn)，與圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形規(guī)律相似，開(kāi)挖深層土體對(duì)墻后地表沉降影響較大，在開(kāi)挖4～9 m至底板澆筑前的過(guò)程中，地表沉降最大值從6.15 mm增加到51.44 mm，增長(zhǎng)了45.29 mm，占地表沉降最大值的77.56%，由此可見(jiàn)開(kāi)挖深層土體對(duì)墻后地表沉降影響較大。

圖4 MP1測(cè)點(diǎn)測(cè)斜曲線(xiàn)

圖5 MP5測(cè)點(diǎn)測(cè)斜曲線(xiàn)

由圖7還可以看出，隨著基坑底板的澆筑完成，墻后土體的沉降基本維持不變，這主要是由于底板的澆筑控制了坑內(nèi)土體的隆起，進(jìn)而阻止了坑外土體向坑內(nèi)變形。

圖6 基坑圍護(hù)樁各測(cè)點(diǎn)最大側(cè)向位移

圖7 MB4測(cè)點(diǎn)地表沉降曲線(xiàn)

5.3 支撐軸力

圖8所示為基坑軸力變化曲線(xiàn)，其中MZL1-i和MZL2-i分別指第1道支撐和第2道支撐軸力。其中MZL1-i缺少第5天監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖8 支撐軸力變化曲線(xiàn)

從圖8中可以看出第一道支撐軸力有相同的變化趨勢(shì)。隨著土體開(kāi)挖深度的不斷增加，軸力逐漸增大，這主要是由于基坑內(nèi)部卸荷，坑外土體主動(dòng)土壓力使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)向內(nèi)移動(dòng)導(dǎo)致的。從圖8中還可以看出在安裝第2道支撐后，3個(gè)測(cè)點(diǎn)的支撐軸力均有所回落，至開(kāi)挖完成后達(dá)到穩(wěn)定。在第2道支撐安裝之后，其軸力也隨開(kāi)挖的加深而增加，最后在基坑開(kāi)挖完成后達(dá)到穩(wěn)定值。

5.4 立柱樁豎向位移

隨著基坑的開(kāi)挖，立柱樁將會(huì)由于豎向荷載以及坑底土體回彈的雙重作用下發(fā)生豎向位移，且當(dāng)不同立柱樁存在差異位移時(shí)將會(huì)在水平支撐中造成次生內(nèi)力，因此對(duì)于立柱樁位移的監(jiān)測(cè)也是基坑監(jiān)測(cè)的重要部分。圖9所示為立柱樁在基坑施工過(guò)程中的豎向位移曲線(xiàn)。

由圖9可以看出，立柱樁豎向位移主要表現(xiàn)為上浮，即立柱樁產(chǎn)生向上的位移。隨著土體的開(kāi)挖卸荷，立柱樁豎向位移也逐漸增大，當(dāng)基坑開(kāi)挖完成后立柱樁位移基本穩(wěn)定，略有下降，各立柱樁豎向位移最大值小于35 mm。對(duì)比不同位置的立柱樁的豎向位移可以看出，各立柱樁位移變化規(guī)律基本一致，且各立柱樁在不同施工階段位移差值均較小，最大差值為4.81 mm，說(shuō)明本工程的開(kāi)挖方法和支護(hù)設(shè)計(jì)有效地控制了立柱樁的差異上浮，避免了由于立柱樁的差異位移引起的支撐次生內(nèi)力。

圖9 立柱樁豎向位移曲線(xiàn)

6 結(jié) 論

本文基于某機(jī)場(chǎng)改建基坑工程實(shí)測(cè)結(jié)果，結(jié)合上海軟土基坑的變化規(guī)律，對(duì)復(fù)雜施工環(huán)境和施工時(shí)間限制下的基坑工程施工引起的本身和周?chē)貙拥淖冃我?guī)律進(jìn)行探討，總結(jié)了以下規(guī)律：

(1)圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜在深度方向上先變大后變小，最大值出現(xiàn)在開(kāi)挖面附近，且隨著開(kāi)挖的加深而增加。圍護(hù)結(jié)構(gòu)測(cè)斜具有明顯的時(shí)空效應(yīng)，通過(guò)合理的施工組織，可有效控制夜間施工區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移。

(2)地表沉降出現(xiàn)了明顯的沉降槽，地表沉降主要由于深層土體卸荷所引起，底板澆筑對(duì)于控制坑外土體變形具有顯著的作用。

(3)支撐軸力隨施工進(jìn)行而增加，且在施工完成后保持穩(wěn)定。第1道支撐軸力在第2道支撐安裝后有所回落。立柱樁位移表現(xiàn)為上浮，其豎向位移隨著基坑開(kāi)挖而增大，基坑開(kāi)挖完成后基本穩(wěn)定。