下穿既有道路工程深基坑支护方案与监测分析

刘学森

(中交第三航务工程局有限公司厦门分公司，福建厦门 361003)

随着城市建设的发展，由道路交叉带来的深基坑工程越发普遍[1]。复杂的地质条件和周边环境给深基坑的开挖及支护带来了极大的困难，不仅要确保支护结构和土体的变形安全，还要考虑周边建(构)筑物、道路设施的稳定问题。因此，在施工过程中，必须密切监测基坑自身和周边建筑物的变形并预测其安全性。何长军等[2]针对排桩和地下连续墙两种深基坑支护设计优选因素做出定性及定量分析；郭崧等[3]和撒利伟等[4]通过层次分析法和灰色关联分析相结合的方式获取最优的深基坑支护方案；郑云刚等[5]以昆明市区某旧城改造基坑支护工程为例，探讨了双排桩以及“桩锚+土钉”复合支护的作用机理与应用效果；顾问天[6]提出以变形控制条件为主导的深基坑支护形式应按照仓内支撑、全内支撑、中心岛法的顺序选择；宫鹤等[7]和周雪峰等[8]探讨了深基坑监测及其变形趋势预测的方法，以指导深基坑工程设计和施工；金振[9]、颜荣华[10]和朱星彬等[11]揭示了软土地区不同支护结构形式的基坑变形规律，并提出设计及施工过程中变形控制的技术要求；孟小伟[12]根据重庆轨道交通某车站深基坑工程特点，分别从时间效应和空间效应上分析周边地表沉降的影响因素，同时提出了相应的控制变形措施。

以下介绍厦门市疏港路下穿仙岳路通道工程深基坑支护技术方案，结合基坑开挖过程的动态监测数据分析支护形式的应用效果。

1 工程概况

1.1 深基坑概况

厦门市疏港路下穿仙岳路通道工程位于厦门市疏港路东渡段，里程范围为K0+240～K1+900，分双线布置，全长1 660 m。其结构类型为挡墙段、U形槽段、闭合框架段三种形式，基坑深度见表1。

表1 疏港路下穿仙岳路通道工程基坑深度

1.2 工程地质条件

根据已完成的钻孔资料及测试成果资料，该基坑工程场地地层较复杂，南通道路口及以南路段，基底土层主要为砂质黏土和粉质黏土，U形槽段存在淤泥质土；南、北通道之间路段，基底地层主要为砂质黏土和全、强风化花岗岩，孤石分布较多；北通道以北路段，基底土层主要为全、强风化花岗岩。

1.3 水文地质条件

风化岩中的地下水大部分具弱承压性，受构造裂隙影响，其富水性和导水性具有各向异性的特点。

1.4 周边环境

(1)本项目位于疏港路(东渡段)，为现状城市主干道路，车流量极大，施工对交通干扰严重；线路场地地处闹市区，道路两侧楼房较多，施工噪声及淤泥排放等对城市环境影响较大。

(2)既有商检人行天桥和牛头山天桥的桥墩及桩基与下穿通道工程左线位置冲突(届时应拆除另建)；海沧大桥匝道桥的B4、B5、E5、E6四个桥墩正好位于现状疏港路主车道及本下穿通道工程U形槽段的两侧。

(3)收集的管线资料显示，场地内地下管网埋设繁杂，管线类型包括雨水、污水、给水、电力、通信、交通电缆、燃气、有线电视、路灯电缆等。

2 深基坑支护施工技术方案

本工程基坑支护形式主要采用两种方案，见表2，其中U形槽段和挡墙段的支护剖面如图1、图2所示。

表2 下穿通道工程深基坑支护方案.

图1 U形槽段支护结构剖面(单位：mm)

2.1 深基坑联合支护技术

(1)灌注桩

在U形槽段、闭合框架段的灌注桩施工中，根据基坑周边环境和土质情况选用冲击成孔、旋挖钻孔和人工挖孔三种类型(桩径1 000 mm，间距1 200 mm排列)。

图2 挡墙段支护结构剖面(单位：mm)

当遇到黏土、粉土、砂土等软土层及10 cm以下粒径的含砾砂层，为了加快进度，在地质条件具备的段落采用大型旋挖钻施工。

对于海沧大桥匝道桥墩保护段基坑，受场地空间、桥下净空等因素限制，支护结构难以采用大型的机械进行操作。经综合考虑，采用人工挖孔灌注桩施工(共计62根，桩长不超过15 m)。另外，还应增设内支撑结构，水平间距为5 m，与抗浮桩位置对齐。横撑采用D600钢管，中间设钢格构立柱，与抗浮桩钢筋笼一同浇筑在抗浮桩内。

(2)高压旋喷桩止水帷幕

为防止基坑侧壁、基底地下水渗漏，还需在排桩支护中增设连续止水体，即止水帷幕[13]。本基坑支护工程采用高压旋喷桩作为止水帷幕，设计桩径为600 mm，桩间距为1 200 mm，采用二重管旋喷桩施工工艺。

(3)预应力锚索

与设置内支撑的基坑支护体系相比，“排桩+预应力锚索”的支护形式造价更低、工法成熟、易于操作[14]。

本基坑工程根据不同开挖深度、不同土层，分别采用灌注桩结合1～2道预应力锚索支护，以此提高岩土体的稳定性。

2.2 钢板桩

下穿通道工程K0+355～K0+425和K1+540～K1+635范围之间的挡墙段，其基坑深度小于3.5 m，可选择施工简便、作业高效、止水性能好的钢板桩进行支护[15]。

3 深基坑监测内容及结果分析

3.1 基坑监测内容

基坑主要监测内容包括：①坡顶(桩顶)竖向位移；②坡顶(桩顶)水平位移；③锚索应力；④桩体变形；⑤桩体内力；⑥基坑周围建(构)筑物基础沉降、地表沉降；⑦地下水位。K1+240～K1+300区间段基坑测点平面布置见图3。

图3 基坑监测点平面布置

3.2 基坑监测结果分析

(1)基坑支护体系监测数据分析

①桩顶沉降数据统计分析

图4为监测点ZC-43#、ZC-44#、ZC-45#、ZC-46#东西两侧的桩顶竖向位移时态曲线，表明支护桩顶沉降累计值远低于桩顶竖向位移预警值(30.00mm)，闭合框架段的门式起重机吊装过程也未导致桩基的显著沉降，可见基坑支护结构设计合理。另外，基坑土体开挖引起桩土摩阻力减小，开挖阶段桩顶发生缓慢沉降，开挖至设计深度后约3～5 d，支护结构与基坑土体应力重分布完成，桩体竖直方向处于稳定状态。

图4 桩顶竖向位移时态曲线

②桩顶水平位移数据统计分析

ZS-43#、ZS-44#、ZS-45#、ZS-46#监测点累计水平位移数据统计见图5。可以看出，基坑首层开挖时，桩顶水平方向位移很小；开挖深度大于2 m后，支护桩桩顶向基坑内水平方向位移趋势明显，开挖至设计深度约7 d后，新的力学平衡体系建立，桩顶于水平方向处于稳定状态。受地质条件及开挖时降水等因素影响，K1+250～K1+300区间两侧桩顶水平位移累计值较大，最大值为80 mm。

图5 桩顶水平位移时态曲线

③锚索拉力数据统计分析

图6 桩体变形

根据监测数据分析，锚索初始拉力监测值为78～130 kN，开挖过程中，锚索拉力呈增大趋势，开挖至设计深度后，锚索拉力达到最大值并保持稳定(最大拉力监测值为178 kN)。预制件吊装过程中未监测到相应位置处锚索拉力的显著变化。

④桩体变形数据统计分析

CX12和CX23的累计水平位移数据统计见图6。通过与桩顶水平位移监测值的对比可知，相应里程的桩顶水平位移值普遍大于由测斜设备采集的桩顶位移值，由此可以推断，在基坑开挖过程中，桩身各处产生的位移由整桩的平移、桩身的变形，桩体的自转三部分组成。

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总体上，基坑单仓段与合建段西侧(左侧)各桩体变形值普遍大于东侧(右侧)，结合现场情况分析，基坑西侧距离临时行车通道更为接近，说明机动车辆施加于地面的动荷载导致了邻近桩体承受更大的侧向土压力，引起西侧桩体的较大变形。在条件允许的情况下，应尽量使临时行车通道远离基坑。

⑤桩体内力数据统计分析

本工程的桩体内力监测元件均预先焊接于桩身内部钢筋笼基底位置处。随开挖深度的增大，桩身基底位置弯矩绝对值呈增大趋势，开挖至设计深度后，该处弯矩达到极值。基坑第一层土体开挖后，支护桩桩身基底位置处弯矩值分布于85～184 kN·m范围，基坑开挖至设计深度后，该处弯矩值变化明显，弯矩值分布于300～450 kN·m。门式吊机满载驶过冠梁时，相应位置(支护桩基底部)弯矩增大约10～20 kN·m，说明门机的压载对单桩的影响较小。

(2)周边环境监测数据分析

①地表(周边构筑物)沉降数据统计分析

既有海沧大桥匝道下的基坑东西两侧地表沉降监测剖面DB-43#、DB-44#、DB-45#、DB-46#的地表沉降监测曲线如图7所示。

图7 地表(周边构筑物)累计沉降时态曲线

如图7，基坑开挖对海沧大桥匝道的影响较小。受现场地形条件影响，基坑西侧各地表沉降监测点的布设位置距离基坑的平面距离均小于东侧各测点，监测数据显示基坑地表西侧测点累计沉降值普遍大于东侧，说明基坑开挖对周边地表的沉降影响随距离增大而减小。由于基坑土体开挖后的卸载影响，基坑周边土体应力场发生变化及塑性流动作用，开挖阶段周边地表沉降时态曲线斜率较大，即开挖阶段地表沉降较为剧烈；基坑开挖至设计深度并完成底板封闭后，沉降时态曲线开始趋于平缓；底板封闭完成10～20 d后，基坑周边土体新的力学平衡已形成，地表处于相对稳定状态。由测点沉降累计值的比较分析可知，地表沉降累计值的影响因素主要有地质条件、基坑开挖深度、地面附加荷载等，随基坑开挖深度增大，周边地表沉降累计值增大明显。

②地下水位数据统计分析

在基坑施工期间，地下水位上升的时间段内刚好有较大的降雨发生，地下水位的变化主要受降雨的影响。由此说明基坑施工对地下水影响小，基坑支护结构外侧止水措施得当，效果明显。

4 结论

(1)监测数据表明，灌注桩与预应力锚索联合桩间二重管旋喷止水的基坑支护体系对此类既有道路下穿通道的基坑有较好的支撑作用，可保证其结构稳定性。

(2)基坑施工过程中桩顶沉降累计值最大为7.19 mm，远小于预警值；桩顶水平位移于基坑开挖至底板后7 d趋于稳定；临时行车道上车辆施加于地面的动荷载会导致邻近基坑一侧的桩体变形增大。

(3)预应力锚索的拉力值和桩身基底的弯矩值随基坑开挖深度增大呈现上升的趋势，直至开挖到设计深度后到达极值并保持稳定，桩体弯矩分布主要受土体侧向压力的影响。其中，预应力锚索的有效拉力对控制桩体变形，改善桩体内力分布意义重大。

(4)坑外地表沉降随基坑开挖过程逐渐增大(最大值达36.07 mm)；基坑开挖对周边地表沉降的影响随距离的增大而减小。海沧大桥匝道桥的四个桥墩等构筑物未受到基坑开挖的影响。

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