費(fèi)思異 劉胡飛 陳國(guó)祥 朱曉璇 劉傳奎

上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201103

隨著我國(guó)城市的不斷發(fā)展，城市土地資源日趨緊張，地下空間的開發(fā)和利用也愈加被關(guān)注，深、大基坑的高效、安全施工成為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

目前，較為常用的基坑開挖方式包括放坡開挖、島式開挖、盆式開挖等。其中，島式開挖能較早地形成基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的工作面，發(fā)揮基坑圍護(hù)的作用，且便于土方的外運(yùn)與交通組織。但圍護(hù)體系長(zhǎng)期暴露增加圍護(hù)體系的變形[1-2]。盆式開挖可以減少基坑無支護(hù)時(shí)的暴露時(shí)間，對(duì)基坑及周圍土體的變形控制較為有利[3-6]。有些基坑因工況復(fù)雜或工期需求，在同一基坑中同時(shí)采用2種開挖方式[7]。

基于工程實(shí)際，提出了一種盆、島式交替開挖配合預(yù)應(yīng)力錨索施工的開挖方式，在2層錨索施工區(qū)域內(nèi)通過盆式與島式開挖方式的轉(zhuǎn)換為預(yù)應(yīng)力錨索及腰梁施工與強(qiáng)度成形提供充足的施工時(shí)間及空間。在保證整體圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的前提下，提高了基坑土方施工的連續(xù)性與高效性。

1 工程概況

1.1 基坑概況

深圳大學(xué)西麗校區(qū)建設(shè)工程（二期）項(xiàng)目Ⅱ標(biāo)段位于深圳市南山區(qū)學(xué)苑大道，基坑頂周長(zhǎng)約1 377.58 m，基坑支護(hù)范圍面積約79 109.68 m2，最大開挖深度為15.5 m，估算基坑土方開挖量超100萬 m3。

項(xiàng)目采用樁-錨索圍護(hù)體系，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm@1 600 mm的旋挖灌注樁與φ1 000 mm@1 600 mm的三重管高壓旋噴樁形成的止水帷幕；冠梁與腰梁間距3 000 mm、腰梁與腰梁的間距為3 500 mm；表面采用鋼筋網(wǎng)片與噴射混凝土進(jìn)行加固?；优潘捎闷马斉c坡底設(shè)置排水溝的方式進(jìn)行排水，不設(shè)置降水井。

1.2 地質(zhì)和水文條件

項(xiàng)目場(chǎng)地原始地貌單元屬丘陵及丘間溝谷，地形較復(fù)雜，地形起伏最大達(dá)15.29 m。根據(jù)地勘報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)地層主要有：第四系人工填土層（素填土、雜填土）、第四系沖洪積層（粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、礫砂）、第四系坡積層（含礫粉質(zhì)黏土）、第四系殘積層（礫質(zhì)黏性土）及燕山晚期花崗巖（全風(fēng)化花崗巖、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖、微風(fēng)化花崗巖）。項(xiàng)目坑底標(biāo)高26.20 m土方開挖主要集中在第四系土層，少量處于第四系坡積層與第四系殘積層。

場(chǎng)地內(nèi)地下水含水量較豐富，但補(bǔ)給來源主要為大氣降水和鄰近地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給?？辈炱陂g大部分鉆孔中見地下水，水位標(biāo)高27.20～43.10 m?；悠马敗⑵碌拙O(shè)排水溝，坡頂、坡底設(shè)集水井，匯入市政管道前設(shè)沉砂池。

2 施工方案設(shè)計(jì)

2.1 施工難點(diǎn)

項(xiàng)目地處深圳，降雨頻繁且降雨量大，降雨是誘發(fā)滑坡的主要原因，特別受深圳“12·20”滑坡事故影響[8]，項(xiàng)目土方開挖應(yīng)盡量避免大放坡開挖。結(jié)合本項(xiàng)目圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況，冠梁、錨索、坑底各施工面間距在3.0～3.5 m，需至少分2次分層開挖。根據(jù)錨索施工工藝需要進(jìn)行鉆孔、錨索安放、一次注漿、二次注漿、腰梁制作與安裝、張拉鎖定等多道施工工序，特別是錨索張拉需要在錨固體達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%且腰梁混凝土達(dá)到強(qiáng)度后才能張拉鎖定，工序繁復(fù)、耗時(shí)較長(zhǎng)。由于錨索施工的存在，盆式開挖因形成工作面時(shí)間較晚，不利于維護(hù)結(jié)構(gòu)施工進(jìn)度；而島式開挖雖然形成工作面早，但在第2層土體開挖過程中需要等待錨索錨固體及腰梁強(qiáng)度達(dá)到要求，且坑邊土開挖后破壞了原有張拉鎖定的工作面，需重新搭設(shè)操作平臺(tái)，大幅增加了工作量及安全隱患。為此項(xiàng)目提出了盆、島式交替開挖的想法。

2.2 盆、島式交替開挖方案

項(xiàng)目土方開挖面標(biāo)高約41.70 m、坑底標(biāo)高26.20 m、冠梁標(biāo)高約40.00 m、第1道錨索標(biāo)高為36.20 m、錨索施工面標(biāo)高約35.70 m。以第1道錨索施工階段的土方開挖為例，在完成37.20 m以上土體開挖后轉(zhuǎn)換為島式開挖35.70～37.20 m土層，先沿基坑邊開挖錨桿施工機(jī)械操作范圍區(qū)域土方，后立即進(jìn)行錨索、腰梁施工。土方則繼續(xù)向基坑中心開挖，至35.70 m層土體開挖完成后，轉(zhuǎn)換盆式開挖34.00 m層土體至距坑邊10 m位置范圍。在錨索錨定后，將坑邊32.20～35.70 m土體挖出，施工第2層錨索，以此法反復(fù)開挖至坑底。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，日出土量必須保證10 000 m3，單層土方的開挖周期約在12 d；而錨索、腰梁的施工及鎖定周期約21 d，常規(guī)盆、島式開挖會(huì)存在單層土開挖完后需等待錨索鎖定或保留較高的臨時(shí)土坡，不利于雨季的基坑安全。而采用盆、島式交替開挖，腰梁、錨索施工間隔變?yōu)?層土方的開挖時(shí)間，可連續(xù)開挖。該方案在項(xiàng)目實(shí)際開挖過程中具有顯著效果，項(xiàng)目腰梁、錨索的施工對(duì)土方施工影響較小。若部分腰梁、錨索受坑外管線、箱涵、復(fù)雜土質(zhì)工況影響，施工時(shí)間增加，可采取局部多級(jí)放坡留土反壓等措施。

2.3 方案的有限元對(duì)比

為研究盆、島式交替開挖對(duì)基坑變形的影響，以項(xiàng)目土層信息建立了簡(jiǎn)化的有限元模型，如圖1所示?；映叽?0 m×20 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)通過等效剛度理論，采用地下連續(xù)墻實(shí)體單元模擬，根據(jù)實(shí)際土方開挖深度、開挖順序與錨索、腰梁高施工情況模擬開挖過程中第1道錨索在盆、島式交替開挖、盆式開挖與島式開挖情況下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。為模擬出不同的施工工況，將坑內(nèi)土體分為離圍護(hù)邊3 m范圍內(nèi)的坑邊土與基坑中心剩余的中心土。

圖1 簡(jiǎn)化基坑開挖有限元離散模型

根據(jù)不同開挖方法建立不同有限元模擬工況：

1）盆、島式交替開挖施工方案：

① 工況1：開挖37.20 m以上土方。

② 工況2：開挖35.70～37.20 m坑邊土，開始錨索施工。

③ 工況3：開挖35.70～37.20 m中心土，腰梁施工完成。

④ 工況4：錨索張拉鎖定，開挖34.00～35.70 m中心土。

⑤ 工況5：土方開挖34.00～35.70 m坑邊土。

2）盆式開挖施工方案：

① 工況1：開挖37.20 m以上土方。

② 工況2：開挖35.70～37.20 m中心土。

③ 工況3：開挖35.70～37.20 m坑邊土，開始錨索施工。

④ 工況4：開挖35.70～34.00 m中心土，腰梁施工完成。

⑤ 工況5：錨索鎖定后，開挖35.70～34.00 m坑邊土。

3）島式開挖施工方案：

① 工況1：開挖37.20 m以上土方。

② 工況2：開挖35.70～37.20 m坑邊土，開始錨索施工。

③ 工況3：開挖35.70～37.20 m中心土，腰梁施工完成。

④ 工況4：開挖34.00～35.70 m坑邊土，錨索隨之鎖定。

⑤ 工況5：錨索鎖定后，開挖34.00～35.70 m中心土。

取圖1數(shù)值點(diǎn)位置圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，繪制圖2，由圖2可以發(fā)現(xiàn)：工況1情況下各圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形完全相同，說明各模型基礎(chǔ)參數(shù)相同。工況2情況下，因?yàn)榕枋介_挖先開挖中心土、坑邊有留土，故圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較小。工況3情況下，各種開挖形式變形基本一致，這是由于開挖到工況3時(shí)，盆、島式交替開挖與島式開挖施工完全相同，錨索施工完成，腰梁強(qiáng)度逐步形成，但開挖完成后圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形已經(jīng)產(chǎn)生；與同樣工況下盆式開挖，腰梁未施工工況圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相差不大。工況4情況下，島式開挖需要等待錨索預(yù)應(yīng)力施加鎖定后開挖坑邊土，并且由于施工直接開挖坑邊土，會(huì)造成較大的變形；而盆、島式開挖與盆式開挖雖然同時(shí)開挖的是中心土，但此時(shí)盆、島式開挖的圍護(hù)體系的腰梁強(qiáng)度已足夠，預(yù)應(yīng)力錨索也已張拉鎖定，基坑變形由圍護(hù)樁與錨索共同抵抗，圍護(hù)樁受力形式發(fā)生改變；在錨索、腰梁共同作用下，錨索以下位置變形增加，而坑頂位置側(cè)向位移有縮小的趨勢(shì)，相較之下盆式開挖雖然有坑邊土反壓，可以進(jìn)行中心土開挖，但在該工況下，腰梁混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐步形成，但錨索未鎖定，圍護(hù)樁依然是懸臂結(jié)構(gòu)，故該工況下圍護(hù)結(jié)構(gòu)較盆、島式交替開挖會(huì)產(chǎn)生較大變形。在工況5情況下，盆、島式交替開挖基坑變形略小于島式開挖，但差距可以忽略不計(jì)。這是由于島式開挖34.00～35.70 m坑邊土?xí)r等待了錨索張拉鎖定，兩種方法的受力體系與加載大小基本相同，變形也相似；而盆式開挖，由于在工況4的情況下產(chǎn)生較大變形，雖然錨索預(yù)應(yīng)力鎖定后對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形有抑制作用，但原有較大變形仍不可忽略。從以上分析可以看出相較于盆式開挖與島式開挖，盆、島式交替開挖在錨索圍護(hù)的基坑開挖中，在施工效率與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制上均有較好的效果。

圖2 不同開挖方式在不同工況下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形

2.4 基坑交通組織

為了解決盆式與島式開挖在出土問題上的差異，對(duì)基坑施工的交通組織進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化（圖3）。在純地下室區(qū)域設(shè)置了1個(gè)主出土坡道及2個(gè)輔助出土坡道。主出土坡道至基坑底，作為開挖的中心位置，即盆、島開挖轉(zhuǎn)換位置，坡道優(yōu)先于挖土施工，并設(shè)置雙向行車、硬化路面與綠植護(hù)坡。輔助坡道為小型出土坡道，為滿足3層錨索以上土方的外運(yùn)，同時(shí)解決當(dāng)土方施工速度出現(xiàn)差異后，無法從主出土坡道出土的問題。輔助坡道在完成開挖任務(wù)后，可通過主坡道開挖外運(yùn)，以減少輔助出土坡道對(duì)基坑圍護(hù)整體的影響。各通道之間相互貫通可形成循環(huán)道路，主坡道也可以雙向行車，交通組織靈活。雖然多次盆、島式交替施工，但土方車行駛區(qū)域均在中島區(qū)域，不易行駛錯(cuò)誤，便于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)力的協(xié)調(diào)，大大提高了出土效率。同時(shí)由于主坡道所在施工區(qū)域不在關(guān)鍵路線上，對(duì)整體工期無影響。

圖3 基坑交通組織示意

3 基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 基坑監(jiān)測(cè)方案概述

本項(xiàng)目基坑西側(cè)無建筑，基坑?xùn)|側(cè)和基坑南側(cè)存在市政管線，基坑北側(cè)為和基坑同時(shí)施工的箱涵隧道。根據(jù)設(shè)計(jì)總說明，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形按二級(jí)基坑控制。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、圍護(hù)結(jié)構(gòu)豎向位移、建筑物沉降、圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移、地面沉降、地下管線沉降、錨索應(yīng)力等。

3.2 土方開挖與基坑變形分析

以項(xiàng)目施工情況較為復(fù)雜的監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX04點(diǎn)為例，監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX04位于基坑北側(cè)，鄰近同時(shí)開挖的箱涵隧道，圖4為CX04點(diǎn)圍護(hù)樁產(chǎn)生較大水平位移時(shí)的水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

圖4 CX04監(jiān)測(cè)點(diǎn)基坑水平位移

由于項(xiàng)目采用盆、島式交替開挖，在大部分挖土過程中，坑邊有原土預(yù)留，故基坑內(nèi)挖土對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響較小。但需要特別注意的是當(dāng)島式開挖至基坑邊后，轉(zhuǎn)換為盆式后會(huì)出現(xiàn)連續(xù)2次挖土的工況，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及變形速率均會(huì)出現(xiàn)顯著增加。以圖4中的2019年10月28日—2019年10月30日為例，圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生突變，究其原因是在完成第1道錨索施工后，在坑邊進(jìn)行同一位置第2皮土方的連續(xù)性開挖，導(dǎo)致該位置圍護(hù)結(jié)構(gòu)單日最大水平位移達(dá)到2.49 mm/d，雖然仍小于報(bào)警值，但引起了項(xiàng)目部的關(guān)注。為避免重復(fù)出現(xiàn)以上問題，項(xiàng)目在后期施工過程中要求避免坑邊連續(xù)多皮土的開挖，多采用流水施工，保證至少1 d的間隔時(shí)間。從隨后2道支撐與土方開挖后的基坑變形可以發(fā)現(xiàn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形速率有明顯改善。項(xiàng)目土方開挖階段基坑整體變形控制較為良好，盆、島式交替開挖的施工方案可以為腰梁、錨索的強(qiáng)度形成提供充足時(shí)間，保障基坑安全。同時(shí)從基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知：項(xiàng)目北側(cè)箱涵自11月開挖的卸土施工后，對(duì)基坑頂部的變形有明顯的減小作用；2020年初，項(xiàng)目因?yàn)槭苄鹿诜窝滓咔橛绊懀拥装鍩o法形成，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形隨時(shí)間增加明顯。圍護(hù)結(jié)構(gòu)暴露時(shí)間增加，大幅增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體安全不利。

4 結(jié)語(yǔ)

盆、島式交替開挖的挖土方案，在深圳大學(xué)西麗校區(qū)建設(shè)工程（二期）項(xiàng)目Ⅱ標(biāo)段樁-錨索圍護(hù)基坑的使用中獲得良好的效果，該方法可以有效地減少錨索、腰梁施工對(duì)土方開挖的影響，優(yōu)化施工流水。配合完善的場(chǎng)內(nèi)交通組織可以有效地提高出土效率，節(jié)約工期。

通過有限元分析，對(duì)比傳統(tǒng)的盆式與島式開挖，盆、島式交替開挖對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響最小，島式開挖在等待錨索張拉鎖定后可以獲得相同的效果。而盆式開挖如果連續(xù)作業(yè)，雖然有坑邊留土，但相較于以上2種開挖方式，依然會(huì)增加基坑的水平變形。盆、島式交替開挖可以為腰梁、錨索提供充足的施工時(shí)間，有利于圍護(hù)體系結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的形成，對(duì)整體圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全有利。

該方法在開挖非坑邊土?xí)r對(duì)基坑的變形影響較小，主要基坑變形發(fā)生在坑邊土開挖時(shí)，需加強(qiáng)觀測(cè)。應(yīng)盡量避免在盆式開挖轉(zhuǎn)換至島式開挖時(shí)，連續(xù)開挖同一位置2皮土方，此做法對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形速率控制不利，建議間隔1 d以上開挖2皮土。