謝 俊

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 湖北武漢 430063；2.水下隧道技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心 湖北武漢 430063）

1 引言

盾構(gòu)法自問世以來，特別是隨著現(xiàn)代盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，因其掘進(jìn)速度快、施工高效安全、對(duì)周圍環(huán)境影響小等特點(diǎn)在地下工程的開發(fā)中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用[1-3]。傳統(tǒng)盾構(gòu)法隧道中，兩端需構(gòu)筑始發(fā)及接收井以滿足設(shè)備的始發(fā)及接收需要，始發(fā)及接收井通常采用明挖法施工，采用順作或逆作的方式開挖。對(duì)環(huán)境控制嚴(yán)格的區(qū)域而言，逆作法具有變形小、環(huán)保效果好、適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地被采用，并在全國(guó)得到了推廣[4-8]，也隨之被越來越多的工程技術(shù)人員關(guān)注，被學(xué)者們研究。

傅立新等[9]依托汕頭海灣隧道工程，對(duì)始發(fā)井逆作及盾構(gòu)始發(fā)兩種工況進(jìn)行有限元模擬分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，對(duì)基坑土體變形和支護(hù)內(nèi)力進(jìn)行了研究。彭斌等[10]依托南京2號(hào)線蘇盧站基坑，對(duì)圓礫層深基坑開挖過程采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)開展研究，對(duì)盾構(gòu)始發(fā)井段及標(biāo)準(zhǔn)段的地連墻變形進(jìn)行了分析。李克先等[11]對(duì)某公路隧道盾構(gòu)始發(fā)段深基坑圍護(hù)墻(樁）的位移、內(nèi)力、混凝土支撐軸力、地表沉降、水位等監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析研究。

本文依托某濱江軟土隧道基坑工程，通過有限差分軟件對(duì)逆作接收井基坑施工全過程進(jìn)行了模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)基坑變形規(guī)律及變形控制進(jìn)行了分析。

2 工程概況

2.1 基坑概況

某過江通道工程接收井位于蘇通大橋西側(cè)。場(chǎng)區(qū)地勢(shì)平坦，場(chǎng)平標(biāo)高3.5 m。接收井平面外包尺寸為25.9 m ×32.4 m，工作井底標(biāo)高-25.75 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，墻深48.0 m、厚1.2 m，為永久結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 基坑現(xiàn)場(chǎng)施工

2.2 工程及水文地質(zhì)

接收井場(chǎng)址位于長(zhǎng)

江三角洲近前緣地帶，具河口段沉積物特點(diǎn)，地層從上到下依次為粉細(xì)砂、粉砂夾粉土、粉砂、粉質(zhì)黏土混粉土、粉細(xì)砂等。本工程擬建站址區(qū)氣候溫暖濕潤(rùn)，降雨量充沛、地勢(shì)平坦，有利于大氣降水的入滲補(bǔ)給，且站址區(qū)瀕臨長(zhǎng)江，地表水資源豐富。地下水水位主要受大氣降水和地表水體的影響，并與長(zhǎng)江水形成密切補(bǔ)給關(guān)系，呈季節(jié)性變化，地下水主要為潛水和承壓水。

2.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

接收井圍護(hù)采用1.2 m厚C35地下連續(xù)墻，每幅連續(xù)墻內(nèi)設(shè)兩根直徑50 mm，壁厚3 mm的注漿管，注漿管伸入連續(xù)墻墻底，混凝土澆筑4～6 d后壓注水泥漿(水泥采用P.O42.5，漿液水灰比0.5～0.6，注漿壓力 2 ～4 MPa），單管注漿2.5 m3，抗?jié)B等級(jí)P12，連續(xù)墻與主體結(jié)構(gòu)的側(cè)墻采用共同受力的疊合墻形式，端頭加固范圍外包0.8 m厚C15素墻。接收井地連墻接縫采用φ800@500 mm三管旋噴樁止水，旋噴樁與地連墻咬合300 mm，深度比地連墻淺2 m?；悠矫婵v向上設(shè)置兩道對(duì)撐，同時(shí)各角部設(shè)置角撐，對(duì)撐結(jié)構(gòu)下方設(shè)置豎向支承，采用4L180×16型鋼格構(gòu)柱。支撐采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，豎向共設(shè)五道，各道支撐均采用C40補(bǔ)償收縮混凝土，與支撐相接的各道圍檁(含冠梁）采用C40補(bǔ)償收縮防水混凝土，第一～三道圍檁抗?jié)B等級(jí)P8，第四～五道圍檁抗?jié)B等級(jí)P10。

3 逆作法施工數(shù)值仿真

3.1 有限元模型及計(jì)算工況

采用有限差分軟件模擬分析了某濱江軟土地區(qū)深基坑逆作法開挖的全過程，研究了其變形規(guī)律及控制措施。根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)深基坑工程的研究，基坑開挖引起的地表沉降范圍一般不超過5倍基坑開挖深度，故數(shù)值仿真中構(gòu)筑的三維模型尺寸為150 m×150 m ×60 m，具體如圖2所示。因基坑開挖前已進(jìn)行采取井點(diǎn)降水措施，故在模擬中未考慮地下水的影響。計(jì)算模型邊界約束如下:地表自由，縱橫向及底面均施加法向位移約束。地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

圖2 整體計(jì)算模型側(cè)視圖

表1 地層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

3.2 施工步驟

工況一:冠梁澆筑-負(fù)一層開挖-二道撐澆筑-側(cè)墻澆筑；工況二:負(fù)二層開挖-三道撐澆筑-側(cè)墻澆筑；工況三:負(fù)三層開挖-四道撐澆筑-側(cè)墻澆筑；工況四:負(fù)四層開挖-五道撐澆筑-側(cè)墻澆筑；工況五:負(fù)五層開挖-負(fù)五層底層澆筑-側(cè)墻澆筑。

4 逆作法施工監(jiān)測(cè)方案

4.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

根據(jù)相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求，本工程監(jiān)測(cè)內(nèi)容分別為:地表沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻頂沉降、立柱豎向位移、圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、砼支撐軸力、圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移。監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖3所示。

圖3 基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置示意

4.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值

監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值如表2所示，正負(fù)值規(guī)定如下:圍護(hù)墻頂沉降、立柱豎向位移、地下水位“-”為下降、“+”為上升；地表沉降“-”為上升、“+”為下降、圍護(hù)墻體水平位移“-”為向基坑外、“+”為向基坑內(nèi)；砼支撐軸力本次頻率大于初始頻率，鋼筋計(jì)標(biāo)定系數(shù)K值取“+”代表砼支撐受拉，K值取“-”，代表砼支撐受壓。

表2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的控制值

5 數(shù)值及實(shí)測(cè)分析對(duì)比

5.1 地連墻變形對(duì)比

5.1.1 地連墻水平變形規(guī)律

選取地連墻兩處典型位置測(cè)點(diǎn)處的水平位移曲線進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)的測(cè)斜曲線如圖4所示，各工況具體對(duì)應(yīng)的施工操作詳見3.2節(jié)所述。

由圖4可以看出，對(duì)本工程而言基坑圍護(hù)墻體最大水平位移出現(xiàn)在基坑底部，且表現(xiàn)為向坑內(nèi)位移；隨開挖深度的增加，離基坑頂部0～20 m的墻體水平位移逐漸由坑內(nèi)發(fā)展到坑外，墻體水平位移最大值出現(xiàn)的位置逐漸上移，證明隨著基坑開挖，圍護(hù)墻及內(nèi)部砼支撐結(jié)構(gòu)體系在內(nèi)部開挖卸載及外側(cè)地層壓力作用下產(chǎn)生了較為顯著的變形。

墻體水平位移最大值δmax隨開挖深度H的增加而增大，開挖至基底28.95 m時(shí)，水平位移最大值δmax為90.5 mm，超過設(shè)計(jì)控制值，但小于《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50497-2009）中相對(duì)基坑深度控制值，對(duì)比文獻(xiàn)[12]僅小于上海國(guó)際旅游度假區(qū)核心區(qū)管理中心工程(17.5 m深）的159.8 mm。

5.1.2 數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)地連墻水平變形對(duì)比

由圖5可知，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果水平位移數(shù)值相差不大，但整體規(guī)律有一定差異。

圖5 地連墻（ZQT01）水平變形曲線（計(jì)算值）

數(shù)值計(jì)算中圍護(hù)墻整體向基坑內(nèi)側(cè)位移，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，伴隨基坑開挖深度的增加，開挖面位置墻體向基坑內(nèi)側(cè)位移，但開挖面以上圍護(hù)墻向基坑外側(cè)位移，與數(shù)值計(jì)算結(jié)果有顯著差異，具體原因在后續(xù)研究中需進(jìn)一步開展分析。

5.2 基坑外地表沉降變形對(duì)比

由基坑圍護(hù)邊由近及遠(yuǎn)(距基坑距離為3、8、18、38、73 m，測(cè)點(diǎn)編號(hào) DB1-1 ～DB1-5）選取5 個(gè)地表沉降測(cè)點(diǎn)，對(duì)應(yīng)各工況各測(cè)點(diǎn)的時(shí)程曲線及沉降曲線如圖6、圖7所示。

圖6 基坑周圍地表沉降時(shí)程曲線（實(shí)測(cè)值）

圖7 基坑周圍地表沉降曲線（實(shí)測(cè)值）

由圖6得，初始地表最大沉降發(fā)生距離基坑邊3 m的DB1-1測(cè)點(diǎn)，隨著基坑持續(xù)開挖，最大沉降點(diǎn)向遠(yuǎn)離基坑側(cè)發(fā)展，為距基坑邊8 m的DB1-2測(cè)點(diǎn)，沉降值為69.8 mm?；娱_挖的影響范圍較大，距基坑邊38 m的DB1-4測(cè)點(diǎn)沉降值伴隨基坑的開挖，沉降值顯著增大；距坑邊73 m(約2.5倍基坑開挖深度）的DB1-5測(cè)點(diǎn)受到開挖的影響較小。DB1～DB4監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)及最終沉降曲線形態(tài)類似，都是隨開挖深度加深而逐步增大，在工況四結(jié)束后趨于穩(wěn)定。

在數(shù)值模擬中，提取出五個(gè)工況下基坑周邊的地表沉降位移，具體如圖8所示。從圖可以看出，除了臨近基坑3 m的DB1-1測(cè)點(diǎn)外，測(cè)點(diǎn)離基坑越近，測(cè)點(diǎn)沉降值越大，離基坑距離越遠(yuǎn)，沉降影響程度越小。每一工況下，地表沉降變化曲線、變化趨勢(shì)均相似，整體變化趨勢(shì)類似于小的勺形。

圖8 基坑周圍地表沉降曲線時(shí)程圖（計(jì)算值）

對(duì)DB1-1測(cè)點(diǎn)而言，距離圍護(hù)墻3 m，一定程度上受到地連墻與土體的摩阻力影響，地表沉降受到一定約束，限制了沉降位移的發(fā)展，無(wú)論是數(shù)值計(jì)算還是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均顯著反映了這種趨勢(shì)。

5.3 砼支撐受力的計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

選取基坑第一道支撐Z1-1(6 m斜撐），Z1-3(20 m直撐）的實(shí)測(cè)與計(jì)算軸力進(jìn)行對(duì)比。實(shí)測(cè)與計(jì)算軸力值分別見圖9、圖10。

圖9 第一層砼支撐軸力時(shí)程曲線（實(shí)測(cè)值）

圖10 第一層砼支撐軸力時(shí)程曲線（計(jì)算值）

由圖9可知，第一道斜撐與第一道直撐的軸力變化趨勢(shì)基本一致，斜撐所受到的軸力是直撐的約1.5倍。在工況二架設(shè)第二層支撐后，第一層砼支撐軸力基本穩(wěn)定，變化不大。對(duì)比圖9及圖10可得，數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)的軸力變化規(guī)律上基本一致。

6 結(jié)論

本文以某濱江軟土地區(qū)深基坑工程為背景，采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合的方法研究了逆作法基坑的變形規(guī)律及變形控制，主要結(jié)論如下:

(1）逆作法基坑開挖過程中，地連墻最大水平位移、周圍地表沉降、砼支撐軸力等的計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)一致，但又有所差異。

(2）基坑周邊地表沉降，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移等數(shù)據(jù)均伴隨基坑的開挖深度的增大而增大，同時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形逐步下移，2.5倍基坑深度以外的范圍受基坑開挖的影響不大。

(3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與施工開挖的深度緊密關(guān)聯(lián)，基坑開挖至某一深度時(shí)，圍護(hù)墻已開挖面附近為界限，上、下部位移發(fā)展趨勢(shì)不同，上部向基坑外側(cè)，下部向基坑內(nèi)側(cè)；整體基坑向內(nèi)位移最大值達(dá)90.5 mm，超過設(shè)計(jì)控制值，但小于《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB 50497-2009）中的控制值，在位移值超限后應(yīng)采取加大監(jiān)測(cè)頻率，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡視等措施加強(qiáng)實(shí)時(shí)反饋，以策安全。

(4）實(shí)際工程中土體力學(xué)特性的復(fù)雜、施工質(zhì)量及時(shí)空效應(yīng)等多種因素在數(shù)值模擬中無(wú)法完全予以考慮，使得計(jì)算及監(jiān)測(cè)結(jié)果存在一定差異，如何使得計(jì)算結(jié)果更貼近于實(shí)際工程，以便更精確開展施工預(yù)測(cè)，是今后需進(jìn)一步深入研究的問題。