海域围堰复杂地质深基坑支护的变形规律分析

邹 翀， 张文新， 李云涛， 金新凯

(1． 中铁隧道局集团有限公司勘察设计研究院, 广东 广州 511458； 2． 中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450001)

0 引言

近年来，随着我国城市化进程的不断加快，基础建设事业得以飞速发展，加之城市人口数量不断增长，城市土地的使用价格愈来愈高，城市的规划向着地下空间的开发和利用发展；同时，城市的快速发展，使交通拥堵问题日益突出，尤其是存在内海、内河的城市，过海(江)通道是必然的选择。为了解决这些突出问题，超大深基坑不断涌现，基坑面临的地质情况越发复杂。

在软土地区工程中常用钻孔灌注桩 + 钢筋混凝土内支撑+ 水泥土搅拌桩止水帷幕[1-2]、地下连续墙二墙合一+钢筋混凝土支撑[3]、放坡土钉墙支护[4]、钻孔灌注桩 + 锚杆[5]、SMW 工法桩 + 钢支撑[6]等支护形式。在上部第四系土层与下部岩层的上软下硬地层现象，在基坑支护中出现了吊脚桩问题[7-9]。王殿斌等[10]对民建中的岩石基坑及上软下硬基坑支护设计进行了系统阐述; 刘红军等[11]对土岩组合地层基坑工程变形进行了监测分析，并阐述了基坑施工过程中的变形特点; 李焕焕等[12]对厚软土地区深基坑预应力锚桩、钢支撑和SMW 工法桩的应用效果进行了分析； 徐菁[13]探索了软土地区深大基坑工程施工对基坑周围环境的扰动影响； 赵文强[14]分析了上软下硬复合地层条件下深基坑支护设计情况； 谭显松[15]对岩土工程深基坑支护的设计及施工问题进行了分析。但以上研究少有对海域环境下上软下硬复杂地层深基坑施工期间的全过程变形规律进行分析。

针对海域围堰复杂地层的深大基坑因围护结构体系异常变形，导致基坑结构出现安全风险的问题，本文以苏埃通道工程始发井及后配套基坑施工为背景，全过程分析盾构始发井及后配套开挖过程中的围护结构变形规律，建立监测综合判定机制，提出变形预警，指导施工，并对支护设计中存在的不足提出建议。

1 工程概况

汕头市苏埃通道工程位于已建海湾大桥和礐石大桥之间，起点从汕头市北岸龙湖区天山南路与金砂东路交叉口，依次下穿天山南路、中山东路、华侨公园，然后穿越苏埃湾海域，在南岸汕头市跳水馆西侧约200 m处上岸，终点位于虎头山隧道口，与规划的安海路相接。南岸盾构井位于南岸围堰内部(见图1)。盾构始发井为长方形，深 29.66 m，长×宽为 49.9 m×25 m，场地范围内从上到下穿越地层主要为淤泥、中粗砂、全风化花岗岩、强风化花岗岩。

图1 围堰现场图

2 工程水文地质

盾构始发井及南岸后配套段处于填海围堰范围内，围堰内地面标高为+2.90～+3.00 m，地层主要为第四系(Q)人工填土层、海积沉积层、海陆交互相沉积、残积土层及燕山期侵入岩。施工范围内岩土层软硬差异大，上部淤泥地层高含水量、大孔隙比、高压缩性、低强度、强流塑性，易变形失稳；中部砂层富水，易发生涌水、涌砂；下部强风化、中风化岩层岩石强度高，且槽段内有大量潜在孤石(地层中孤石、基岩突起分布不规则，孤石强度为80～100 MPa，基岩强度为100～140 MPa，岩面起伏变化极大)，施工质量控制难度大，直接影响到基坑开挖的安全。

南岸地下水与地表水呈互补关系。地下水划分为松散岩类孔隙潜水、松散岩类孔隙承压水及块状岩类裂隙水。区内地下水的补给，主要为大气降水和垂直渗入补给。岩性参数见表1。

表1 地层分类评价表

表1(续)

3 围护结构设计

3.1 围护结构设计参数

盾构井处顶面整平标高为 2.8 m，围护结构顶(冠梁)标高为 1.7 m，高差采用 1.6 m 高挡墙，挡水墙高度为0.4 m。为保证基坑安全与稳定，盾构井(EK6+837.5～+862.5)开挖阶段采用连续墙+内支撑体系，连续墙厚 1.2 m，采用6层钢筋混凝土支撑： 第1、2、5、6层混凝土支撑截面高×宽为1 300×1 000 mm，第3、4层混凝土支撑截面高×宽为1 300 mm×1 200 mm。

后配套基坑(EK6+837.5～EK7+050)地下连续墙墙厚1 m，墙顶设1 m×1 m钢筋混凝土冠梁；EK6+862.5～EK7+050第1、2层为1 300 mm×1 000 mm的混凝土支撑+4层钢支撑。

盾构井在盾构始发阶段采用连续墙+环框梁的围护体系。由于盾构始发，需要拆除内支撑，围护结构支撑受力转换为环框梁受力。在围护结构顶，冠梁兼做环框梁，并在冠梁下设置第2层闭合环框梁。支护结构设计图如图2所示。基坑围护结构三维立体图如图3所示。

(a) 平面布置图 (单位： mm)

(b) 纵断面图 (单位： m)

图3基坑围护结构三维立体图

Fig. 3 3D diagram of retaining structure of foundation pit

3.2 围护结构计算分析

根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》，连续墙采用弹性支点法计算模式： 开挖面坑底上部主动侧(迎土侧)按主动土压力进行计算，开挖面坑底下部考虑两侧土压力相抵后形成矩形土压力荷载，围护排桩内侧的被动土压力以弹簧进行模拟，其弹性抵抗系数按“m”法确定。盾构井处(1.2 m 连续墙)内力及变形计算结果如图4所示。

图4 盾构井处内力及变形计算结果图

Fig. 4 Calculation results of internal force and deformation of shield shaft

根据坑底土层的工程力学指标进行围护结构的整体稳定性等验算，计算结果满足要求。

4 监测方案

始发井及后配套01、02节监测项目如表2所示。基坑开挖期间进行连续监测。测点平面和剖面布置如图5和图6所示，监测控制标准如表2所示。

表2 基坑施工主要监测项目及控制值

图5 测点布置平面图

图6 基坑支撑剖面及轴力测点布置图

5 监测结果分析

对于始发井及后配套01、02节基坑施工，重点对基坑围护结构墙体位移、混凝土支撑轴力、钢支撑轴力在基坑开挖中的变形规律进行分析。

5.1 围护结构深层水平位移分析

深基坑围护结构的变形控制在施工过程中最关键，其侧向水平变形与基坑施工过程密切相关。 QT1位于盾构始发井的始发方向，QT8位于暗埋段基坑位置，靠近始发井。为保证盾构安全，要对QT1、QT8 重点监测分析。围护结构施工全过程的墙体水平位移图如图7所示。可以看出： 1)始发井基坑围护结构的最大水平位移与开挖深度及时间密切相关，最大水平位移发生位置随支撑的依次安装而逐渐下移，在主体结构完成与内支撑拆除后，围护结构最大水平位移为 21.9 mm，位于距离基坑顶部19.5 m的位置处，位于基坑北侧盾构始发方向位置； 2)暗埋段最大水平位移变形为13.6 mm，位于距基坑顶部19 m位置。满足GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规程》中关于围护桩(墙) 体水平位移容许值为 0.15%H(H为开挖深度)或容许值为 30 mm(两者取最小值)的要求，说明基坑处于安全稳定状态。

始发井基坑东西两侧水平位移曲线图如图8所示。

(a) QT1各阶段 (b) QT8各阶段

正值表示向基坑开挖侧的水平位移; 负值表示向基坑外侧的水平位移。

图7始发井与后配套水平位移曲线图

Fig. 7 Horizontal displacement curves of launching shaft and back-up supporting

(a) QT4各阶段 (b) QT5各阶段

图8始发井基坑东西两侧水平位移曲线图

Fig. 8 Horizontal displacement curves of east and west sides of foundation pit in launching shaft

由图8可以看出： 基坑东西两侧变形呈现出鼓“肚子”变形规律，基坑西侧测点QT4最大变形为13.84 mm，基坑东侧测点QT5最大变形为10.97 mm，基坑西侧变形大于基坑东侧。分析主要原因为： 基坑位于海域填筑围堰内，海水流向为由西向东(如图1中箭头为水流方向)，因水流的动压作用，基坑西侧外的水土压力大于基坑东侧；基坑底部西侧设置有集水坑，集水坑开挖后使得坑内作用于连续墙的土体反压作用有减小；始发井基坑西侧为钢支撑、模板、钢管堆放区域，存在地面超载，增大侧向土体压力。

5.2 始发井混凝土支撑轴力

5.2.1 始发井基坑整体受力情况

始发井基坑6层支撑在2017年10月开始拆除，拆除前，支撑轴向力表现为基坑西侧大于基坑东侧，与基坑西侧变形大于基坑东侧的变形规律一致，原因相同。始发井基坑支撑轴力分布如图9所示。

图9 始发井基坑支撑轴力分布图

5.2.2 始发井基坑最大受力支撑情况

始发井基坑6层支撑轴力东侧依次为4 902.11、5 057.55、10 311.50、12 940.80、15 656.19、10 523.5 kN；西侧依次为7 449.35、7 295.74、14 205.66、16 566.89、15 666.49、13 155.50 kN。由轴力值和图9可知，第4层和第5层支撑总体受力大。

第4层支撑受力变化可分为如下5个阶段: 1)负5层4.39 m从开挖至2017年7月18日完成，第4层支撑轴力受开挖影响轴力先增大，在停止开挖进行第5层支撑施工，没有新增荷载出现短暂平稳状态； 2)负6层4.5 m从2017年7月20日到8月1日开挖期间，开挖范围内第5层支撑强度还处于增长状态，第4层支撑限制基坑围护变化处于主要受力点，使其受力增长较快； 3)负7层3.89 m从2017年8月7日开挖后及配套01节第6层、第5层钢支撑拆除后，支撑轴力连续增长，主要因为基坑开挖和后配套01节第6层、第5层钢支撑拆除影响所致； 4)在2017年9月1日到8日始发井西北侧地面进行注浆加固，注浆压力导致地下连续墙受力增加，进而传递到支撑受力增加，支撑轴力出现第3次快速增加过程； 5)在2017年9月21日后到支撑拆除过程中，第6层支撑拆除后，受力约束传递到第4层、第5层，使其受力出现增大，纵向支撑的施作和第5层支撑拆除，受力转换导致减小。始发井第4层支撑受力变化曲线图如图10所示。

图10 始发井第4层支撑受力变化曲线图(2017年)

第5层支撑受力变化可分为如下4个阶段： 1)从2017年7月20日负6层开挖到8月1日，第5层支撑轴力受开挖影响轴力先增大，在停止开挖进行第6层支撑施工，没有新增荷载出现短暂平稳状态； 2)从2017年8月7日负7层开挖后及配套01节第6层、第5层钢支撑拆除后，支撑轴力连续增长，主要因为基坑开挖和后配套01节第6层、第5层钢支撑拆除影响所致； 3)在2017年9月1日到8日始发井西北侧地面进行注浆加固后，轴力出现第3次增加过程，主要因为注浆导致地下连续墙受力增加，继而影响到支撑受力增加； 4)在2017年9月21日后到支撑拆除过程中，第6层支撑拆除后，受力约束传递到第4层、第5层，使其受力出现增大，纵向支撑受力，受力转换导致减小。始发井第5层支撑受力变化曲线图如图11所示。

图11 始发井第5层支撑受力变化曲线图(2017年)

第4层和第5层位于基坑最大水平位移变形范围，二者支撑受力相近，但第5层支撑断面小于第4层支撑断面，故第5层支撑存在的风险比第4层支撑存在的风险大。

5.2.3 后配套支撑拆除对始发井基坑的影响

根据施工工序中，后配套第1节基坑底板完成时，始发井进行底板及集水坑开挖，后配套逐步拆除第6层、第5层支撑进行结构施工，对始发井基坑第4层、第5层和01节第2层影响使支撑受力增大，如图10—12所示。增加钢管支撑后，受力变化逐步平稳。支撑架设前后对比如图13所示。

图12 后配套支撑受力变化曲线图(2017年)

(a) 支撑增加前

(b) 支撑增加后

5.3 始发井周边地表沉降

基坑外侧地表沉降主要对基坑北侧始发端头、西侧和东侧场地进行监测。基坑所在围堰为人工回填而成，地层密实度差，承载力低。为了保证盾构刀盘拼装和顺利始发，对基坑北侧长18 m、宽50 m、深30 m的始发端头采用水泥掺量不低于20%的φ850 mm@600 mm咬合三轴旋喷加固；为提高基坑东西两侧地面承载能力，对其进行深8 m、宽12 m、水泥掺量为15%的单轴旋喷桩加固。基坑开挖后，基坑北侧沉降在20 mm以内，基坑东西两侧路面相对同步均匀地持续下沉，超过200 mm以上，且远大于基坑北侧。基坑周边沉降随时间变化曲线如图14所示。可以看出： 基坑东西两侧地表同步持续相对均匀下沉，地面出现斜坡度逐步增大，没有出现突然塌陷问题。持续下沉原因如下： 地层密实度差，自身存在固结沉降；地层承载力差，受地面重型机械等荷载作用，加速地层固结沉降，基坑主体结构完成后，对基坑东西两侧地面进行重新浇筑混凝土，保持地面平整，基坑结构稳定，基坑周边总体安全。

5.4 始发井周边水位变化

基坑外共布设5个水位观测孔。在基坑开挖期间，坑内通过管井降水，坑外地下水位随时间变化上下波动，基坑北侧水位随基坑开挖逐步下降，在负4层开挖期间，水位基本保持稳定，在底板封闭完成后，水位开始上升并趋于平衡；基坑东侧波动较大，主要是由于地表水流入水位监测孔影响，基坑东西两侧水位下降小，说明基坑连续墙施工中，东西两侧封闭性比北侧好，基坑开挖中北侧连续墙有渗水出现。基坑开挖完成后，对连续墙渗水进行了有效封堵。地下水位随时间变化曲线如图15 所示。

图14 始发井基坑周边地表沉降曲线图(2017年)

图15 始发井基坑周边水位变化曲线图(2017年)

6 结论与讨论

1)制定合理的围护结构参数，预测施工中的变形情况，预判基坑开挖中最大风险位置，针对性增强对应部位的支撑体系，保证围护结构体系安全。

2)在海域上软下硬地层中，基坑围护结构水平位移与支撑轴向力都表现了基坑西侧大于基坑东侧的变形规律。建立以围护结构水平位移为主、支撑轴力和地面沉降为辅的监测预警机制，既保证施工安全，又防止出现误预警。

3)始发井受力中第4层和第5层受力基本相同，但第5层支撑截面小于第4层支撑截面。在后续类似工程中，应增大第5层支撑断面，增强第5层支撑的承受荷载能力。

4)在始发井与暗埋段相接位置，施工工序影响支撑受力稳定。后续类似施工中，宜在相接位置暗埋段增加混凝土支撑，增强相接位置受力稳定性。