彭沉彬 姜瑜 張志 畢強 張海偉

1.北京市首發(fā)高速公路建設管理有限責任公司 100071 2.北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082 3.北京市勘察設計研究院有限公司 100038

1 項目背景

北京市某環(huán)路改造工程，全長約16.0km，其中隧道長度約9.145km，地下道路采用明挖及盾構法施工方案（明挖段落里程為K5 ＋180 ～K6 ＋135、K13 ＋919 ～K14 ＋325，盾構區(qū)間為K6 ＋315 ～K13 ＋919）。全線共設置主線隧道2座（左右線），計入兩端U型槽后總長9610m，隧道全線共設3 個盾構工作井。

2 工程概況

2.1 中間盾構工作井支護設計

考慮基坑挖深較深、施工場地狹窄及周邊環(huán)境保護要求較高等特點，總體采用逆作法施工工藝［1，2］。中間盾構工作井基坑長度25m，寬度58m，主體頂板覆土厚度約3.0m，底板埋深約43.2m，基坑開挖深度約為43.4m。中間盾構工作井基坑具有超深、粉細砂地層滲透性強等特點。為保證基坑圍護結構安全，圍護結構采用地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻厚度1.5m，長度69m，結合基坑穩(wěn)定性及抗?jié)B流止水需要嵌入坑底以下30m，采用水下C35 鋼筋混凝土（地表以下15m內采用水下C40）。地下連續(xù)墻與結構內襯墻采用疊合構造，逆作法施工?？觾仍O大約4 口疏干降水井，坑外設監(jiān)測井兼應急井。

工作井基坑根據(jù)開挖深度設置6 道鋼筋混凝土內支撐，基坑東、西兩側設置鋼筋混凝士支撐，中部利用主體結構層板設置鋼筋混凝土板撐?；炷林螄鷻_均與運營期框梁結合使用。地下連續(xù)墻頂部設一圈封閉的鋼筋混凝土圈梁，混凝土圈梁直接采用永久結構頂板環(huán)框梁。支撐采用對撐＋角撐結合布置，對撐跨度超過20m，在支撐跨中設置格構柱（格構柱截面尺寸600mm ×600mm，角鋼采200 ×200 ×24）。格構柱采用φ1100 鉆孔灌注樁作為基礎（格構柱基礎鉆孔灌注樁按永久結構設計，兼做盾構工作井施工及運營期的抗拔樁）。

2.2 周邊環(huán)境及風險源

中間盾構工作井現(xiàn)狀位置為綠地，東側為現(xiàn)狀環(huán)路（高架橋），基坑距環(huán)路邊線約25.2m。西側為環(huán)路西輔路，基坑距環(huán)路西輔路道路邊線約16m，周邊無其他建構筑物。

現(xiàn)況環(huán)路西側路下分布市政管線，如電力、電信、雨水管等，其中臨近基坑的一根DN500次高壓燃氣管埋深約為2m，距離基坑邊最小距離約為16.03m。經(jīng)初步與相關產(chǎn)權單位溝通，采用微型鋼管樁隔離措施解決基坑開挖影響問題。

2.3 地形地貌及地質條件

工程整體地形較為平坦，局部有起伏。擬建場地現(xiàn)狀地面下91.0m深度內的地層劃分為人工填土層、新近沉積地層及一般第四紀沖洪積層，按地層巖性及其物理力學性質指標進一步劃分為9 個大層?，F(xiàn)狀地面標高約為20.15m ～20.88m，開挖深度范圍內地層基坑開挖土層主要為②層粉土、③細砂、④細砂、⑤層粉質黏土層，坑底位于⑥2層可塑粉質黏土層中，⑥2層以下為深厚⑦、⑧、⑨強透水飽和粉細砂層，基坑的涌水、涌砂風險較大。

地下水類型按賦存條件主要為基巖裂隙水和第四紀松散層孔隙水，第四紀松散層孔隙水又分為上層滯水、潛水或層間潛水、承壓水；其中潛水（二）穩(wěn)定水位深度5.20m ～9.30m，穩(wěn)定水位標高10.58m ～13.30m；層間潛水（三）穩(wěn)定水位深度16.60m ～19.40m，穩(wěn)定水位標高1.50m ～3.28m；承壓水（四）穩(wěn)定水位（水頭）深度12.80m ～13.50m，穩(wěn)定水位標高4.48m ～4.80m。

3 基坑監(jiān)測設計

為確保在基坑開挖期間基坑支護結構及周邊環(huán)境的安全，為建設單位對工程建設風險管理提供支持，通過安全監(jiān)測、巡視工作，較全面地掌握工程的施工安全控制程度，對施工過程實施全面監(jiān)控和有效控制管理。在本工程施工期間，對基坑支護結構、周圍重要的地下管線、地面道路等實施變形監(jiān)測和巡視。

監(jiān)測點的布置本著“全面監(jiān)測，重點突出”的原則，優(yōu)先布置重點風險部位、能夠全面反映工程安全狀態(tài)的重要部位和影響強烈的區(qū)域，并與工籌相結合：測點布置按照工籌的施工順序，與現(xiàn)場施工相結合進行布置。監(jiān)測點特征點位圖及圍護結構縱斷面圖見圖1。

圖1 監(jiān)測點平面位置圖及圍護結構縱斷面圖（單位： m）Fig.1 Plan location of monitoring points and longitudinal section of enclosure structure（unit：m）

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 基坑施工工況

基坑于2020年10月開始開挖，分6 層開挖，采用抓斗吊進行土方開挖，每層混凝土支撐及混凝土支撐圍檁施工完成后，對上部結構側墻進行施工。表1 為工程的施工時間節(jié)點。

表1 施工時間節(jié)點Tab.1 Construction time nodes

4.2 監(jiān)測成果分析

1.墻頂水平位移監(jiān)測

2021年3月7日，墻頂水平位移累計變形量最大監(jiān)測點為ZQS-08＃監(jiān)測點，位于基坑西側中部，累計變形量10.95mm。變形曲線見圖2。

從圖2 可以看出，基坑開挖深度約19m，第三道混凝土撐施工完成，負二層側墻支模階段，墻頂水平位移變形較小，累計變形量在5mm內。隨著基坑開挖深度的增加，第四層混凝土撐及負三層側墻施工完成后，地下連續(xù)墻受到的荷載逐步增加，墻頂水平位移增大，變形量速率較為穩(wěn)定，至第五層土方開挖完成時累計變形量達到約11mm。

圖2 墻頂ZQS-08 測點水平位移曲線Fig.2 Horizontal displacement curve of ZQS-08 measuring point on wall top

2.墻體水平位移監(jiān)測

2021年3月5日，墻體水平位移累計變形量最大為ZQT-08 監(jiān)測點，位于基坑西側中部。該點累計變形量13.21mm，位于6m 深部位，與ZQS-08 監(jiān)測點位置處于同一監(jiān)測斷面，變形曲線見圖3。

圖3 墻體ZQT-08 測點水平位移曲線Fig.3 Horizontal displacement curve of wall ZQT-08 measuring point

從圖3 可以看出，地下連續(xù)墻隨著基坑開挖深度增加，在坑外主動土壓力的作用下［3］，使地下連續(xù)墻向基坑內呈現(xiàn)不同程度的偏移。

在施工的第四階段，第二層支撐施工完成后，負一層側墻綁筋，基坑開挖至第三層支撐部位（深度約18m），墻體最大位移出現(xiàn)在開挖深度的一半部位，最大值為13.11mm，負一層側墻的澆筑完成后，該部位墻體水平位移未見明顯增加。通過與北側盾構工作井（順作法施工）墻體位移監(jiān)測數(shù)據(jù)（圖4）對比分析，逆作法施工墻體位移最大變形部位并非出現(xiàn)在開挖面部位。并且與順作法等其他施工方法相比，逆作法施工的基坑墻體位移要小得多，分析應是逆作法施工基坑支護及時，每開挖一步土上一層結構側墻立即進行施工，結構側墻永久結構剛度比順作法臨時支撐剛度大的緣故［2，3］。

圖4 北側盾構井墻體位移測點水平位移曲線Fig.4 Horizontal displacement curve of wall displacement measuring points of shield shaft in the north

3.支撐內力監(jiān)測

2021年3月7日，西側北部靠近基坑內側的角撐，第一道混凝土支撐軸力（ZL1-1）最大值978.7kN；第二道混凝土支撐軸力（ZL1-2）最大值1076.5kN，支撐軸力變化曲線見圖5。

圖5 支撐內力變化曲線Fig.5 Variation curve of support internal force

從圖5 可以看出在開挖初期，開挖深度較淺，支撐內力沒有較大的變形。當?shù)诙乐问┕ね瓿?，負一層側墻結構綁筋施工，土方開挖至下部時，第一層支撐軸力呈現(xiàn)較大的增長。負一層側墻施工完成，強度上來后，第一道支撐軸力變化趨于平緩，有小幅下降，最后基本趨于平穩(wěn)。

第二道支撐軸力變化情況與第一道基本相同，在支撐下部側墻結構強度尚未達到設計值時，隨著基坑的開挖，支撐軸力變化較大，當側墻結構剛度上來后，側墻上部支撐軸力變化開始趨于平穩(wěn)，中間局部有反復情況。土方開挖順序、支撐及側墻結構的澆筑順序對支撐軸力有較大影響，不同時刻支撐軸力最大值的位置不同，而且隨著開挖的進行軸力值會先增大后減小。

4.墻頂沉降監(jiān)測

2021年3月7日，墻頂沉降累計變形量最大監(jiān)測點為ZQC-08，位于基坑西側中部，變形量為－6.00mm，與ZQS-08 監(jiān)測點位置處于同一監(jiān)測斷面，變形曲線見圖6。

圖6 墻頂ZQC-08 測點沉降曲線Fig.6 Settlement curve of ZQC-08 measuring point on wall top

由圖7 可以看出，基坑開挖約18m，第三道混凝土撐施工完成，負二層側墻支模階段，墻頂沉降變形較小。隨著第四層混凝土撐及負三層側墻施工完成后，地下連續(xù)墻受到的荷載越來越大，墻頂沉降變形逐步增大。

圖7 燃氣管線RQ-03 測點沉降曲線Fig.7 Settlement curve of RQ-03 measuring point of gas pipeline

與順作法等其他施工方法相比，逆作法墻頂沉降未產(chǎn)生明顯上浮現(xiàn)象。由于地下連續(xù)墻頂部設一圈封閉的鋼筋混凝土圈梁，混凝土圈梁直接采用永久結構頂板環(huán)框梁，因此地下連續(xù)墻承受荷載隨結構側墻及混凝土圈梁施工逐步增大。逆作法施工土方施工較慢，土體卸載對地下連續(xù)墻產(chǎn)生的回彈影響與地下連續(xù)墻承受荷載增加造成的下沉影響相互抵消，所以地下連續(xù)墻未產(chǎn)生上浮現(xiàn)象，并且隨著荷載增加逐步呈現(xiàn)下沉趨勢。

5.周邊燃氣管線沉降監(jiān)測

燃氣管線監(jiān)測點位于基坑西側，采用微型鋼管樁隔離措施解決基坑開挖影響問題。

2021年3月7日，周邊燃氣管線沉降變形量最大監(jiān)測點為RQ-03＃監(jiān)測點，累計沉降變形量為－4.54mm，變形曲線見圖7。

通過參照基坑西側支護結構及周邊地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，由圖7 可以看出：西側燃氣管線監(jiān)測點受墻體變形導致的土體變形影響，整體呈現(xiàn)均勻沉降趨勢?；幽孀鞣ㄊ┕笸馏w總體下沉損失很小，且基坑與管線間采用微型鋼管樁隔離措施，進一步減弱了基坑開挖對西側燃氣管線的沉降影響，燃氣管線沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)整體處于變形穩(wěn)定狀態(tài)。

5 基坑開挖數(shù)值模擬分析

由于基坑面積小，基坑東西側采用角撐、中間部位采用板對撐形式，對圍護結構計算分為角撐單元、板對撐單元，結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，西側角撐部位各監(jiān)測項目累計變形較大，因此對角撐進行計算分析。

按彈性抗力法中的m 法計算［7］各施工工況地下連續(xù)墻的土壓力、水平位移和各道支撐的支撐力，計算時考慮當各工況墻體已經(jīng)發(fā)生的變形和已設支撐所受的支撐力。開挖階段針對不通過地質條件采用水土合算或分算，并取靜止水土壓力，坑外附加荷載取30kPa，數(shù)值模擬計算中土層信息、支錨信息詳見表2、表3。

表2 土層信息Tab.2 Soil layer information

表3 支錨信息Tab.3 Anchor support information

根據(jù)施工順序，至2021年3月7日，各開挖階段分為以下計算工況，基坑西側中部計算點各工況計算結果詳見表4。

表4 基坑西側中部計算點各工況計算結果Tab.4 Calculation results of various working conditions of calculation points in the West and middle of foundation pit

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、基坑開挖數(shù)值模擬計算結果對比見表5。

表5 西側地連墻墻體位移監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬對比Tab.5 Comparison of displacement monitoring value and simulation value of West diaphragm wall

由表5 可以看出，本工程在基坑開挖至第四層支撐施工期間，墻體位移現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬發(fā)展趨勢及累計變形量接近。在第四層支撐澆筑完成后，未進行下一步土方開挖，隨即對負三層側墻進行澆筑，基坑內部除底部外形成一個封閉結構，停工期間對支撐及側墻進行養(yǎng)護，期間地下連續(xù)墻墻體位移未見明顯變形。復工對第四層支撐下部土方進行開挖，地下連續(xù)墻墻體位移出現(xiàn)較小變形，現(xiàn)場監(jiān)測累計變形量小于數(shù)值模擬。經(jīng)分析復工時地下連續(xù)墻墻體結構剛度已經(jīng)達到設計值，進而減小了地下連續(xù)墻的變形。

6 結語

通過對北京某環(huán)路改造工程盾構施工準備標中間盾構工作井基坑開挖階段監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結合逆作法、順作法中墻體水平位移監(jiān)測的數(shù)據(jù)對比，并將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬進行對比分析，得到如下結論：

1.逆作法施工墻體位移最大變形部位并非出現(xiàn)在開挖面部位；

2.與順作法等其他施工方法相比，逆作法施工的基坑墻體位移較??；

3.在支撐下部側墻結構強度尚未達到設計值時，隨著基坑的開挖，支撐軸力變化較大，當側墻結構剛度上來后，側墻上部支撐軸力變化開始趨于平穩(wěn)，中間局部有反復情況；

4.土方開挖順序、支撐及側墻結構的澆筑順序對支撐內力有較大影響，不同時刻支撐內力最大值的位置不同，而且隨著開挖的進行內力值先增大后減??；

5.與順作法等其他施工方法相比，逆作法墻頂沉降未產(chǎn)生明顯上浮現(xiàn)象。

采用逆作法施工能夠加大支護結構的強度，對地下連續(xù)墻墻體以及墻后土體水平位移起到了較大的限制作用。此外超深基坑在施工過程中，還應密切關注支護的“時效性”，避免基坑開挖周期過長，基坑支護不及時等情況發(fā)生，對保證基坑支護結構穩(wěn)定及減少對周邊環(huán)境的影響極為有利。