某紧邻高速公路偏压深基坑施工方案设计与监测分析

张书玉， 刘 波， 席培胜

（1.中铁十一局集团有限公司，武汉 430061；2.安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601）

1 引言

城市轨道交通地下工程一般位于城市密集区，施工场地受限，有些深基坑紧邻建筑物、道路、管网等城市基础设施，这种环境下必须考虑到偏压对基坑以及周围环境的影响。目前关于偏压基坑的研究，日益被学者所关注，张学民［1］以某紧邻铁路偏压基坑为例，研究了列车动载作用下基坑围护结构的动力响应；石钰锋［2－3］通过现场实测分析，系统研究了偏压基坑围护结构的位移和内力特征，对围护结构稳定性进行了评价；庞小朝［4］在分析不对称荷载作用下支护受力变形特点的基础上考虑到支护结构与周围土体的协调，提出了偏压基坑多点支撑支护结构的设计计算方法；张华林［5］介绍了远程实时监测系统在偏压基坑中的应用；此外，刘继强［6］、徐烨［7］等人利用有限元分析软件对偏压基坑做过相关研究。

本文以合肥地铁1号线某深基坑为例，介绍了具体的设计方案和施工流程，并制定监测方案进行了现场监测，分析了相关监测结果，得到了一些规律，以期是对上述文献的补充。

2 工程概况

2.1 场地位置及设计概况

深基坑位于徽州大道东侧，与既有合肥绕城高速公路相邻，基坑南侧外边线距离高速公路路基边坡范围最小仅6.2m，且高速公路路基一侧较另一侧高约5.4m，基坑处于偏压状态，基坑北侧为在建合肥高铁南站施工主便道（如图1）。

基坑全长73.5m，宽14.3m，设计为地下三层结构，局部为地下二层结构。围护结构采用钻孔灌注桩结合钢支撑的形式，桩间土挂网喷混凝土保护。地下负三层开挖深度为26.22m，围护结构采用φ1200＠1500mm钻孔灌注桩，考虑到偏压作用，路基一侧桩长45m，另一侧桩长44m，竖向采用1道混凝土支撑＋7道钢支撑；地下负二层开挖深度为16.92m，围护结构采用φ1000＠1200mm钻孔灌注桩，桩长29m，竖向采用1道混凝土支撑＋4道钢支撑（如图2）。

图1 深基坑位置现场示意图

图2 基坑围护结构剖面图

2.2 工程地质及水文地质条件

地勘资料显示，基坑所处②、③层粘土为膨胀土，其具有吸水膨胀和失水收缩的变形性能，即使在荷载作用下仍能吸水膨胀产生膨胀力。所以，施工时必须尽量防止土体浸、失水而造成胀缩变形。

表1 土体物理力学参数指标

3 基坑施工流程及方法

3.1 土方开挖

由于该基坑工期较长，为了防止基坑开挖卸荷以及雨水入渗引起高速公路路基失稳破坏，土方开挖前对基坑长度方向一定范围内的路基边坡进行了处理，主要通过在路基边坡范围内打入木桩抗滑桩以及在边坡面施工网喷混凝土保护层（如图3）。

图3 现场路基边坡照片

土方开挖时遵循“竖向分层、水平分段、对称限时、开槽支撑、先撑后挖、严禁超挖、及时封底”的台阶开挖模式施工原则以减小围护结构变形，确保周围环境稳定。

施工过程中需要注意的技术要点主要有：

（1）做好基坑内的降水、排水施工，尽量避免雨季开挖土方，如确需在雨季开挖，应采取覆盖、喷浆等防护措施保护开挖面。

（2）基坑范围内的土具有膨胀性，遇水膨胀后会对喷射混凝土面产生很大的挤压力，因此，施工中必须保证钢筋网片与围护桩的连接质量，保证混凝土面层厚度，防止混凝土层开裂、掉落，桩间土坍塌。

（3）基坑支护结构的横撑必须在土方开挖至设计位置后及时安装，保证支撑与维护结构面垂直，并按设计要求对围护体施加预应力。顶紧后采用支托或吊拉的可靠措施固定牢固，严防支撑因围护体变形和施工撞击而脱落。

（4）在挖某一块土时，在靠近围护结构处应留一定宽度和厚度的被动土区后开挖。

（5）为保护基坑底土体的原状结构，应根据土质情况和挖土机械的类型，在坑底以上保留150～300mm土层由人工挖除。

（6）最后一层土开挖后，应尽快组织验槽，施做接地网，浇筑混凝土垫层，避免基底土暴露时间过长而软化。

（7）施工时基坑底如出现超挖，超挖深度300mm以内时，采用原状土回填压实，密度不得低于原基底土，或者用与垫层同标号的混凝土回填或用砂石料回填压实。超过300mm时，会同设计、监理等共同研究决定。

（8）白天尽量安排挖掘机进行土方倒运工作，晚间集中运输，减小临时弃土场堆载压力，加快施工进度。

（9）变形监测应贯穿于基坑施工的全过程，及时将监测信息反馈给设计施工人员，以监测指导施工，优化施工。

3.2 冠梁及混凝土支撑施工

冠梁及混凝土支撑的施工大致可分为测量放线、挖桩槽凿桩头、施工垫层、钢筋绑扎、模板安装、混凝土浇筑、拆模养护等阶段。主要施工工艺如下：

（1）挖桩槽、凿桩头。按照冠梁施工轮廓线开挖后量测各桩头标高，并将冠梁底标高位置标示在各桩头上；将桩头保护层破除后将钢钎从标示位置上约5cm从侧面击入，待桩头从该处断裂后由挖机将其桩芯吊出；吊出桩芯后清理修补到设计标高。

（2）施工垫层。采用强度等级为C15的混凝土，浇筑厚度为5cm，浇筑范围延伸至冠梁或混凝土支撑两侧各10cm；垫层下方要夯实，确保垫层在钢筋绑扎之后不会开裂；垫层上采用塑料薄膜进行覆盖或者用黄油抹刷，以确保后期土方开挖过程中垫层脱落、清除。

（3）钢筋绑扎。冠梁钢筋绑扎施工前，先清理钻孔桩桩头顶面的泥土，对锚入冠梁的钢筋用钢刷除锈，再套钢管进行冷弯。钢筋绑扎时严格按照大样图施工，不得擅自更改，不得有缺筋、漏筋等现象。主筋连接采用单面焊接方式，焊缝要饱满且长度为10d，焊条采用E50型，焊接好后要及时敲掉焊渣。同一截面纵向受力钢筋的接头面积百分率不大于50%。箍筋必须与主筋相钩且绑扎结实，不得出现脱钩现象。

（4）模板安装。模板采用竹胶板，安装前将模板清理干净并涂上脱模剂，安装时模板拼缝要严密，严禁出现跑模、漏浆等现象。

3.3 钢支撑施工

基坑地下负三层结构采用1道混凝土支撑＋7道钢支撑，地下负二层结构采用1道混凝土支撑＋4道钢支撑，基坑端部采用设角撑的支撑形式，具体布设情况如图4所示。钢支撑支撑在由两根I50b型工字钢及钢板构成的围檩上，钢围檩由支撑托架和膨胀螺栓支承。钢支撑的型号为：φ＝609mm，t＝16mm，Q235钢。钢围檩、支撑托架等各构件的连接采用焊接，支撑钢管的连接采用高强螺栓。

钢支撑的施工根据流程安排一般分为测量定位、吊装、施加预应力及拆除等步骤。主要步骤如下：

（1）测量定位。钢支撑定位必须精准控制其平直度，以保证钢支撑轴心受压，在钢支撑安装时采用卷尺、水准仪、塔尺等进行精确定位。安装之前在基坑内做好控制点，然后分别向支撑预埋件或钢围檩、斜支座上引测，将钢支撑的安装高度、水平位置分别用红漆标记。

（2）钢支撑拼装、吊装。钢管支撑的拼接采用一台25吨的吊车在基坑外硬化路面上进行，并分别在管接接头位置放两根方木，以便拼接时栓接操作。拼装完成后检查法兰螺栓的安装及钢管支撑的挠曲度是否符合设计要求。钢支撑的吊装根据实际情况采用整体吊装。安装时，腰梁、端头、千斤顶各轴线要在同一平面上。

（3）施加预应力。钢支撑安放到位后，通过吊车将液压千斤顶放入活络端顶压位置，接通油管后开泵，按设计要求逐级施加预应力。预应力施加到位后，再固定活络端并烧焊牢固，防止直撑预应力损失后钢楔掉落伤人。施加预应力在每根支撑安装完成后应立即进行。预加支撑轴力见表2。

图4 基坑钢支撑布设示意图

表2 预加支撑轴力表

（4）钢支撑拆除。支撑体系拆除的过程实际是支撑的“倒换”过程，即把原钢管横撑所承受的侧土压力转至永久支护结构或其他临时支护结构。拆除与安装的顺序相反，具体为：卸力、拆除钢支撑、拆除钢围檩及牛腿、凿除围檩与围护桩之间的混凝土。需要注意的是：①支撑体系拆除时应避免瞬时预加应力释放过大而导致结构局部变形、开裂，分层拆除支撑与围檩前主体结构强度应达到设计强度的100%；②在焊割牛腿的过程中，要注意对侧墙防水卷材的保护，凿下的混凝土也要及时清理，不得污染侧墙施工缝；③吊装过程中要专人指挥，不得碰撞其他钢支撑；④在拆除支撑的同时，加强对围护结构、主体结构及周围环境的监测，以便发现问题时及时调整施工方案；⑤拆除的钢支撑等要及时转运，不得在基坑周边堆载。

4 深基坑监测方案

深基坑紧邻高速公路路基和在建高铁南站施工主便道，且开挖较深，风险较大。施工期间，进行现场监测不仅可监视分析土体、支护及周围环境的安全稳定性，保证施工安全及环境稳定，还可以判定支护设计及施工方法是否合理，确认和修正设计参数。根据本工程的实际情况，施工过程中进行的监测内容主要有：围护桩桩顶水平、竖向位移监测；桩体深层水平位移监测；支撑轴力监测；基坑周边地表沉降监测；高速公路水平、竖向位移监测。监测工作自始至终与施工进度相结合，监测频率满足施工工况要求，测点布置如图5所示。

图5 监测项目测点布置示意图

监测数据显示，从基坑初始开挖至地下负二层结构底部深度，均未出现监测报警，从开挖地下负三层结构起出现监测报警，报警项目多以桩体深层水平位移和高速公路沉降为主，故选取这两项展开分析。

图6为地下负三层结构垫层施工完毕时基坑围护桩桩体水平位移曲线（除 WX4，中途测斜管损坏未测得完整数据），图中共5组断面，其中垂直基坑长度方向WX1与WX9为同一断面，WX2与WX8为同一断面，依此类推；平行基坑长度方向WX5与WX10为同一断面。由图6可见，桩体水平位移整体呈弓形（俗称鼓肚子），位移随着桩体深度先增大后减小，最大值基本位于开挖深度中下部附近。同时，可以看出高速公路一侧测点的桩体水平位移明显高于基坑另一侧测点，基坑开挖结束时，高速公路一侧桩体深层水平位移值WX7测点最大，为63.6mm，另一侧 WX3测点值最大，为33.8mm，两者相差近一倍。此外，WX1－WX4测点在桩体上部0～7m范围内均出现了不同程度向坑外移动的现象，该范围内的土压力为被动土压力，这与平常两侧荷载平衡的基坑存在很大差异。现场观察表明，两侧围护桩成桩质量较好，地质条件、施工工况基本无异，所以可以排除因成桩质量、地质条件、施工工况不同而引起变形差异。综合分析认为，是由于在偏压（高速公路路堤高于另一侧5.4m）作用下，钢支撑发生向另一侧整体“漂移”造成的。

由图6还可以看出，沿基坑长度方向同一侧各测点中，基坑中部测点的桩体水平位移总体上大于两侧测点，具体表现为基坑南侧的 WX7或WX8值大于WX6和WX9值；基坑北侧的WX3值大于WX1和WX2值。受端部效应影响，基坑东西两端WX5和WX10测点变化规律几乎一致，且桩体位移值较小，基坑开挖结束时最大位移仅为12.18mm和12.52mm，远低于南北两侧测点值。可见，对于这种长度远大于宽度且两侧荷载不平衡的深基坑而言，高荷载一侧沿长度方向中部位置是整个基坑最薄弱区域，应予以重点关注，必要时可采取局部加固措施。

图7为地下负三层结构垫层施工完毕时高速公路路基沉降曲线。可见，与上述桩体水平位移得出的结论一致，高速公路路基沉降沿基坑长度方向先增大后减小，基坑中部位置最大，大致呈对称分布，且同一断面内高速公路北侧（即距离基坑较近一侧）的沉降明显大于南侧（即距离基坑较远一侧），地下负三层结构垫层施工结束时，北侧最大沉降点JV4值为－39.1mm，两侧JV1、JV8的值分别为－8.9mm和－10mm，最大差异沉降30.2mm；南侧最大沉降点JV4－2值为－28.3mm，两侧JV1－2、JV8－2的值分别为－9mm和－5mm，最大差异沉降为23.3mm。虽然上述差异沉降值稍大，但相对监测里程而言值很小，最大差异沉降仅为监测里程的0.6‰左右，几乎未对路面造成影响。

图6 桩体深层水平位移随深度变化曲线图

图7 邻近高速公路沉降曲线图

5 涉路交通组织方案

为了确保邻近高速公路上车辆的通行安全，减少施工和高速公路之间的相互影响，为此采取了相关措施：

（1）分别在来车方向距离施工路段1600m、800m、600m处设置警示牌或限速标志，在距离施工路段400m处设置严禁超车标牌，提醒驾驶员减速慢行注意安全；

（2）在施工临近路段护栏位置安装全套晶格新型反光型锥形交通标作为行车导向标示，在上游区起始位置设置爆闪灯与反光性路栏，全天候提醒驾驶员注意行车安全；

（3）为避免施工对高速公路行车造成影响，在高速公路护栏以外设置围蔽，将施工区与路面隔离。围蔽采用泡沫板＋钢骨架，钢骨架固定在路肩上，并要求不影响路面排水。围蔽沿高速公路护栏外侧设置，设置范围沿基坑长度向两端各延伸10m，设置高度2.5m，围蔽泡沫板距地面20mm；

（4）基坑冠梁施工时，在高速公路一侧的冠梁上施工1.5m高梯形钢筋混凝土挡墙（如图2），挡墙与冠梁采用φ25mm＠200mm竖向钢筋有效连接，避免路面物体滚落基坑或发生车祸时车辆冲入基坑（见图1）；

（5）因围护桩施工时要占用高速公路排水沟，施工时暂时截断施工段排水系统，阴雨天气时靠机械疏通临时排水。围护桩施工完毕后，立刻施工冠梁及挡墙，在挡墙后用混凝土砌筑临时改移排水沟，恢复高速公路排水系统功能。待6号风井结构施工完成后，拆除挡墙，恢复原高速公路排水沟（见图1）。

6 结论

（1）该基坑的特殊性主要表现在紧邻高速公路以及基坑深度范围内膨胀土广泛分布两方面，一切施工要点都是为了保证基坑和高速公路稳定，减小膨胀土浸、失水胀缩变形。

（2）偏压作用下，基坑围护结构变形异于对称荷载条件下的变形，高速公路一侧基坑围护结构变形大于另一侧，围护结构出现了向低荷载一侧的整体偏移。

（3）受端部效应影响，基坑两端变形较小。

（4）对于此类基坑，高荷载一侧，延基坑长度方向的中部位置是整个基坑最薄弱的区域，应予以重视，必要时可采取加固措施。

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