过江隧道超深基坑开挖与监测分析

2021-09-01黄晓康周刚安徽省芜湖市轨道隧道交通工程质量安全监督站安徽芜湖241000

安徽建筑 2021年8期

黄晓康，周刚（安徽省芜湖市轨道（隧道）交通工程质量安全监督站，安徽芜湖 241000）

0 引言

随着城市化经济的发展，为解决城市交通压力，盾构隧道交通建设已经成为城市缓解城市交通拥堵的必然选择，地下隧道交通建设往往涉及一些深大基坑工程。基坑开挖会使基坑围护结构以及地表等产生水平与竖向变形，大大增加了基坑开挖的不安全性。为预测基坑开挖变形及围护结构的受力影响，采取安全可靠的开挖方式与支护结构，保证一些深基坑安全的施工，国内外大量学者通过分析各种基坑工程实测数据和数值分析，研究了基坑围护结构变形、地表沉降规律，为解决基坑开挖安全合理性提供了很多的参考价值。

卫海通过对基坑工程和地下工程作业造成的环境破坏及灾害进行了分类，并针对实际工程中常遇到的问题提出一些控制措施。黄茂松等主要探讨深基坑典型地下工程涉及的关键土工问题，对软土基坑工程的分析方法与新技术，包括基坑围护结构受力分析、基坑抗隆起稳定性分析和渗流对基坑稳定性的影响等问题进行研究。廖少明等和丁智等通过对地区的基坑工程实例监测数据，全面地对比分析基坑开挖时采用不同支护结构、不同深基坑的变形性状以及支撑轴力监测方案。张磊等，霍润科等和连宝琴等通过对车站基坑开挖施工过程中的现场监测数据和FLAC3D软件对基坑开挖过程进行数值模拟，将实测数据与模拟结果进行对比分析，两者结果都比较吻合。验证施工开挖的合理性。黄银银等，叶任寒等和魏纲等主要通过对施工现场基坑开挖的实测数据分析，研究开挖过程中基坑变形和地表位移等变化规律，以提供后续支撑结构的轴力预警范围。郑刚等，朱卫东和郑杰明等利用环梁形式的水平支撑体系设置了不同的环梁支撑平面布置方案，结合数值模拟软件实现了局部构件破坏时水平支撑结构体系的连续破坏模拟和整体破坏荷载确定，以及基坑变形和地表沉降的形态。胡军等，张爱军等，施有志等和陈昆等主要针对基坑开挖卸荷对基坑周边的桩基以及一些建筑物的影响，通过对基坑围护桩位移、内支撑的轴力、地下水位的变化、地表沉降、地下管线沉降以及桥墩基础的沉降等进行现场监测，以此推测对周边建筑物的影响特点。

以上学者研究成果为今后基坑开挖的安全性提供了许多宝贵的参考意见。但近年来，随着基坑工程深度、规模的不断增大，水文地质环境的复杂性以及对周边建筑物的影响，使很多基坑在开挖过程中，支护体系的稳定性和开挖的安全性受到很大的影响。本文结合安徽省第一条过江隧道——皖江第一隧超深基坑工程，分析了施工监测数据对基坑开挖施工过程中基坑支护结构变形、支撑轴力、地表沉降以及在汛期采取的灌水反压措施对基坑稳定性的变化规律，得出了一些有益的结论。

1 工程概况

皖江第一隧项目全长设计5.965km，隧道长 4.945km（直径14.93m泥水平衡盾构机施工盾构段长3.967km），南北接线道路总长1.02km。江北段包括：江北工作井、江北明挖暗埋段、江北敞开段，设计里程YK1+900～YK2+422.6，全长 522.6m，围护结构采用地下连续墙、SMW工法桩。

工作井设计里程 YK2+357.1～YK2+422.6，NMW15 平面尺寸为25.5m×45.8m，开挖深度为 27.4m，地下连续墙为宽 1.2m、高 51.5m，NMW14 平面尺寸宽为 31.8～33.6m，长 42.4m，地下连续墙为宽 1.0m、高22.3～24.0m，支撑体系采用4层混凝土支撑和1层钢支撑，如表1所示，基坑围护结构断面图如图1所示。

支撑布置体系表1

图1 围护结构断面图

2 监测方案

本工程江北明挖段监测范围确定为2H（H为基坑开挖深度），基坑在开挖阶段监测项目较多，本文选取工程中具有代表性的工作井基坑进行监测数据分析，具体分析的监测内容主要包括：基坑地下地连墙水平位移、立柱与地下地连墙竖向位移；周围地表沉降变形；支撑轴力以及周围岩土体和周边环境等。具体的测点布置如图2所示。

图2 基坑监测点平面示意图

3 监测数据分析

3.1 地下地连墙水平位移分析

重点分析地连墙水平方向的位移随开挖进程的变化。由于汛期期间采用灌水反压的措施控制基坑变形，故将地连墙的水平位移变化分为三个阶段，分别为灌水反压前后以及灌水反压期间来进行地连墙水平位移随基坑开挖进程的变化规律分析。

图3为监测点ZQS-1～ZQS-4在整个基坑开挖和灌水反压阶段的墙顶的水平位移变化规律。由图3可以发现ZQS-1～ZQS-4处水平位移呈现先增大后减小，之后趋于稳定的变化趋势，最大值分别约为18mm、17.5mm、23mm和20mm。在灌水反压期间（日期7.11-8.31，下同），ZQS-1和ZQS-4处水平位移变化规律是由小幅度上升，后变为逐渐趋于稳定；ZQS-2和ZQS-3处水平位移则是由先缓慢下降，后变为趋于稳定。

图3 ZQS-1～ZQS-4处墙顶的水平位移

图4为监测点ZQT-2处墙体的水平位移变化规律。由图4可以发现在灌水反压之前，地连墙的水平位移随着开挖进度的进行出现明显的增长，增长速率由快变慢，并在灌水反压前达到最大，ZQT-2处地连墙的水平位移最大值为17.67mm，最大值点在距地连墙顶1m处。在灌水反压期间，地连墙的水平位移不再增加，而是在逐渐减小，已经发生的变形有不同程度的恢复，并在灌水反压后期逐渐趋于稳定状态。在灌水反压结束后，地连墙的水平位移随着基坑开挖深度的增加基本无变化，墙体的水平位移稳定在11mm附近。表明灌水反压措施能够很好地控制基坑围护结构的水平位移，保护基坑安全稳定。

图4 灌水反压前后ZQT-2处墙体水平位移

3.2 立柱与地下地连墙竖向位移分析

基坑开挖过程中，基坑底部和周围的应力场重新分布，原有的应力平衡体系被破坏，冠梁和立柱不可避免地产生竖向位移，立柱结构和地连墙顶部的沉降数据，能较全面立体地反映主体结构的位移及变形情况。

图5为监测点LZC-1与LZC-2处的立柱沉降变化规律图，图6为监测点ZQC-1～ZQC-4处的墙顶沉降变化规律图。由图5可知，在基坑开挖前期，坑底的卸荷回弹量较小，立柱由于自重与土压力变化而产生沉降，随着开挖深度的增加，坑底的卸荷回弹量逐渐增大，由于桩土之间的摩擦力，带动立柱产生向上的隆起变形。由图6可知，地连墙顶一直发生沉降变形，只是随着开挖进度的进行，其沉降量逐步减小并逐渐稳定。其总体的竖向位移变化处在20mm的累计控制值以内。

图5 LZC-1和LZC-2处立柱沉降

图6 ZQC-1～ZQC-4处墙顶沉降

在灌水反压期间，监测点LZC-1与LZC-2处的立柱一直在发生缓慢的向上位移，使得立柱的变形状态由沉降逐渐转变为隆起，这一阶段变化缓慢且变化幅度很小；ZQC-1和ZQC-4处的墙顶同样产生向上的位移，使得地连墙的沉降不断减小，并在之后趋于平缓；ZQC-2和ZQC-3处则是先缓慢下降，之后同样趋于稳定状态。

3.3 周围地表沉降变形分析

基坑的开挖势必会对周边的土体以及建筑物产生影响，通过分析基坑开挖中基坑周围的地表沉降变形，分析基坑开挖对周边环境的影响。

图7为监测点DBC1～DBC4处地表沉降变化规律图，由图7可知，随着基坑开挖进度的增加，地表沉降量的总体变化趋势是逐渐增大的，前期以较快的速度产生沉降，之后沉降速度逐渐变小，地表的沉降值也趋于稳定。并且由于桩土之间的摩擦力，地表的最大沉降量不是发生在基坑的边缘，而是随着与基坑距离的增大而逐渐增大，并在距离基坑边缘10m左右达到最大沉降量，DBC1和DBC4最大沉降量分别为23mm和21mm，之后地表沉降量再次不断减小。

图7 DBC1～DBC4地表沉降

灌水反压期间，基坑外地表沉降量几乎没有变化，一直在一个非常小的范围内进行微小的波动，处于非常好的稳定状态。

3.4 支撑轴力分析

图8为监测点ZCL-1、ZCL-2（端头井斜撑）和ZCL-3处各层支撑的轴力变化规律图，由图8可知，内支撑在施作前期会经历轴力的较大增长，而后随着开挖过程的进行，其轴力逐渐下降并逐渐趋于稳定值。这是由于内支撑在施作过程中，地连墙由于变形会对支撑持续地施加压力，使得其轴力不间断增大。等到下一层支撑施作之后，会分担一部分地连墙的压力，使得支撑轴力出现下降现象，而后趋于稳定。由于第五道支撑尚未施作，第四道支撑的轴力尚处于上升阶段，并未稳定。内支撑轴力在施工阶段处于控制值以内，基坑内支撑处于安全范围以内。

开挖阶段各监测项目最大值表2

图8 各层混凝土支撑轴力

在灌水反压期间，第四层混凝土支撑并未施工，监测点ZCL-1、ZCL-2和ZCL-3处的轴力变化几乎呈现为一条直线，第一层的轴力在这两点处稳定在600kN附近；第二层的内支撑轴力在ZCL-1处稳定在850kN附近，在ZCL-2处稳定在280kN附近；第三层的轴力在这两点处稳定在500kN附近；ZCL-3处前三层内支撑轴力各自围绕着一个数值做上下小幅度波动，但其整体的趋势趋于稳定。

对整个基坑在开挖过程中各监测项目的数据进行整合汇总，并提取出各监测项目的最大值以及其发生的部位，具体数据如表2所示。

由表2可以明显地看出，地连墙水平位移最大的部位在监测点ZQT-3处，最大值为23.2mm；地连墙以及周围地表发生沉降变形，而立柱最终发生隆起变形，现阶段最大隆起量为12.73mm；支撑轴力则是下层支撑的力大于上层支撑的力，第四层支撑轴力尚处于快速上升阶段，未达到稳定值。基坑围护结构的变形与内力最大值，以及周边环境的变形最大值均处于监测控制标准以内。