超深TRD工法下基坑逆作法施工对周边环境影响分析

秦志龙

(上海建工二建集团有限公司，上海 200080)

0 引言

上海地区属于滨海平原地貌，分布着大量淤泥、淤泥质黏土和淤泥质粉质黏土，局部场地存在承压水稳定性问题，这对基坑工程中止水帷幕的止水效果提出了较高要求，以减少基坑开挖对周边环境的扰动影响。

随着基坑工程往深大方向发展，国内外学者对超深TRD工法在基坑工程中的应用进行了比较深入的研究。王卫东等[1]根据3个深大基坑工程实例侧向位移的监测结果，分析了超深TRD水泥土搅拌墙施工对周边环境的影响，并从施工角度提出了敏感环境下控制搅拌成墙微变形影响的技术措施。谢兆良等[2]通过现场原位试成墙试验确定施工参数，采用TRD工法隔断承压含水层，最终控制坑外土体分层沉降量在5mm以内。王卫东等[3]通过对上海国际金融中心项目56m深TRD工法试成墙试验研究，对TRD工法的特点进行了分析。谭轲等[4]以上海典型软土地层为背景，采用三维“m”法对型钢和水泥土的相互作用和承载变形性状进行了理论分析，主要通过对其变形、弯矩分担和局部抗剪的规律研究，对工程设计中的相关问题予以明确，并结合实测工程墙体变形进行了对比。魏祥等[5]通过武汉长江航运中心大厦深基坑工程设计实例，初步研究了TRD 水泥土搅拌墙作为落底式止水帷幕在武汉地区一级阶地土层中的施工可行性、成墙质量及渗透性情况。王刚等[6]通过对南昌绿地中央广场某深基坑工程的监测，分析了基坑工程开挖过程中周边道路沉降、TRD围护墙顶水平和垂直位移、TRD围护墙体水平位移、坑外地下水位变化以及钢筋混凝土支撑轴力变化。

本文基于上海某超深TRD工法下基坑逆作法施工，介绍了工程的周边环境及地质特点、工程监测点布置、监测预警值确定，通过有限元及现场监测分析基坑开挖对超深TRD围护结构及周边环境与围护设计方案的影响，为类似工程提供参考。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

拟建工程位于上海市杨浦区，南侧和西侧为道路，北侧为现有建筑，东侧为坡地公园。拟建建筑为C楼(12～17层)、D楼(2～3层)两栋办公楼及附属设施，整体设2层地下车库。项目建设用地面积20 624m2，总建筑面积约61 868 m2，其中地上建筑面积约42 160 m2，地下建筑面积约19 708 m2。

基坑南侧和西侧道路地下埋有多条市政管线，据本工程的距离如表1和表2所示。

表1 南侧道路地下管线信息

表2 西侧道路地下管线信息

1.2 材料本构关系

土体本构模型采用HS模型，围护桩及周边构筑物采用梁单元，支撑采用弹簧单元模拟，结构与土体的相互作用采用接触面模拟。按对称模型建立，模型尺寸为85m×40m，计算模型的上边界为自由边界，左右两侧边界约束水平位移，底边界约束水平和竖向位移。土体参数根据岩土工程勘察资料取值(见表3)。基坑开挖影响范围内土层性质如下：①填土 杂色；②黏土 可～软塑，高等压缩性；③淤泥质粉质黏土夹黏质粉土 流塑，高等压缩性；③夹黏质粉土 松散～稍密状，中等压缩性；④灰色淤泥质黏土 流塑，高等压缩性；⑤1灰色黏土 软塑，高等压缩性；⑤2-1层灰色砂质粉土 中密，中等压缩性；⑤2-2灰色黏质粉土夹粉质黏土 中密，中等压缩性；⑤3-1层灰色粉质黏土 稍密～中密，中等压缩性。其中⑤2层为微承压水含水层，最浅埋深为18.65m，不满足基坑抗突涌稳定性要求。

1.3 基坑围护设计方案

拟建工程基坑面积约1万m2，周边延长米约490m，挖深约9.75～10.25m，四周环境以道路、地下管线和保留建筑为主，场地施工空间有限。同时土层中分布有微承压水，基坑抗突涌稳定性不满足要求，止水结构施工深度需达40m以上，且土层中含有粉性土、砂性土，对止水效果要求较高。综合比较，围护设计方案选用钻孔灌注桩+TRD止水的围护形式，基坑工程剖面如图1和图2所示。

图1 南侧基坑支护剖面

表3 土层物理力学指标

图2 西路侧基坑支护剖面

2 有限元分析结果

2.1 计算荷载步的选用

拟建基坑为逆作法施工，根据实际工况，数值模拟分析分为以下计算荷载步：①形成初始应力场；②施工围护桩、施加地面超载；③降水至基底以下0.5m；④开挖第1层土至第1层楼板底面；⑤施工第1层楼板，后开挖土层至地下1层楼板底面；⑥施工地下1层楼板，后开挖土层至坑底；⑦施工底板。

2.2 围护结构变形

根据基坑南侧和西侧水平变形云图，可见围护结构最大水平位移均发生在坑底附近，约地面下12.3m左右，其中南侧最大值约26.8mm；西侧最大值约22.65mm。这与现场监测典型孔P09的最大变形约26.4mm，位于地面下12.5m的结果较为接近，也证实了有限元结果的合理性。

2.3 周边管线变形

对上述有限元模型中道路管线的变形进行分析，南侧道路地下管线变形随着与基坑距离的增大，管线变形最大值分别为17.84，16.87，18.40，18.00，17.92，16.24，11.94mm，均小于变形报警值20mm。西侧道路地下管线变形随着与基坑距离的增大，管线变形最大值分别为13.50，13.47，11.32，9.04，8.50mm，均小于变形报警值20mm。

3 监测结果分析

3.1 监测方案

根据基坑设计单位的要求及相关规范，在3倍基坑开挖深度影响范围内布点，本工程的监测内容主要包括周边环境和围护体系监测，本文仅对部分监测内容进行分析。其中周边环境监测内容包括：①地下综合管线竖向、水平位移监测；②坑外地表竖向位移剖面监测；③坑外潜水水位观测。围护体系监测内容包括:①围护顶部竖向位移、水平位移监测；②围护结构侧向位移监测。上述监测内容的报警值如表4所示。

表4 监测预警值

3.2 围护结构变形

对基坑开挖期间围护结构的侧向位移进行监测，选取典型孔号P09进行分析。不同施工阶段围护桩的侧向变形随深度的变化曲线如图3所示，随着开挖的进行，最大变形逐渐下移，最终稳定在坑底附近。其中B0板浇筑养护工况变形较小；B1板浇筑养护工况变形最大值约11.4mm，位于地面下9m附近；底板浇筑养护工况变形最大值约26.4mm，位于地面下12.5m附近；均小于报警值30mm。

图3 墙体侧向变形-深度曲线

围护墙墙顶垂直位移随时间的变化曲线如图4所示，分别选取南侧和西侧围护边典型监测点进行分析，可见围护墙顶垂直位移最大值约2.80～5.50mm；随着开挖的进行，围护墙顶垂直位移呈增大趋势，但均小于报警值30mm，且相差较大。

图4 围护墙顶垂直位移-时间曲线

3.3 地表沉降变形

为监测基坑开挖施工对周边土体的扰动范围，在南侧和西侧道路坑外地表布置测点，每组沉降剖面从基坑围护外侧2m算起，按5m的间距分别设置5个竖向位移监测点，共计20个地表沉降测点。选取南侧道路B3测点(道路中点处)分析不同位置地表沉降变形随时间的变化规律及沉降随距基坑边距离增大的变化规律，如图5,6所示。

图5 南侧道路沉降-时间曲线

图6 南侧道路沉降曲线

如图5所示，不同位置处地表沉降大致相同，工程桩及围护桩期间沉降变化幅度较大，随着开挖的进行地表沉降呈现缓慢增加趋势，地表沉降最大值约22.6mm，小于报警值25mm。

图6显示道路沉降随距基坑距离的增大呈现凹槽形，最大变形发生在距离基坑边12m处，最大值约22.6mm。相关文献表明，地表沉降发生在距基坑边一定距离处，距离基坑边0～12m变形较小，这主要由于围护桩与土体的摩擦作用对土体沉降有一定的限制作用。

3.4 地下水位及孔隙水压力

场地土层中⑤2层为微承压水含水层，基坑抗突涌稳定性不满足要求，本工程采用TRD工法对其进行隔断处理。

为验证TRD工法的封闭性及止水效果，在基坑周边布置10个地下水位观测点，选取基坑南侧WS7，WS8和WS9共3个测点分析坑外水位随基坑开挖施工的变化规律，如图7所示。可见，不同测点位置，坑外水位变化规律大致相同且变化整体较稳定，大致稳定在地表下600mm处，远小于水位报警值1 000mm，这体现了TRD工法良好的封闭性和止水性，对周边环境扰动小。

图7 坑外地下水位-时间曲线

3.5 周边管线变形

选取道路南侧和西侧道路管线进行分析(见表1,2)。基坑南侧和西侧管线在不同施工时间的沉降变形如图8，9所示，不同管线变形规律大致相同。

图8 南侧地下管线变形

图9 西侧地下管线变形

如图8所示，工程桩及围护桩施工期间(0～125d)，管线略有隆起，隆起值最大约6mm；随着基坑开挖及楼板的施工，管线呈现沉降趋势且越来越大；直至底板浇筑完成，随着距离基坑的距离增大，变形最大值分别为7.08，10.27，18.85，18.99，17.89，15.92，11.88mm，均小于变形报警值20mm。

图8中，竖向位移数据为“+”表示测点向上位移，数据为“-”表示测点向下位移。

如图9所示，随着基坑开挖及楼板的施工，管线呈现沉降趋势且越来越大；直至底板浇筑完成，随着距离基坑的距离增大，变形最大值分别为19.03，16.35，9.86，10.24，6.04mm，均小于变形报警值20mm；由于本工程基坑为逆作法，底板施工完成后无拆撑工况，后续工况对周边管线的影响较小。

有限元模拟结果揭示，底板浇筑工况南侧和西侧管线最终变形最大值与现场监测结果较为接近，也证实了有限元模型的合理性。

4 结语

1)通过有限元及监测结果分析，钻孔灌注桩+TRD止水“逆作”的围护形式下围护体系的变形及对周边环境的影响均在规范允许范围内。

2)有限元结果表明，基坑南侧和西侧最大水平变形分别为26.8mm和22.65mm，大致位于地面下12.3m附近，这与监测结果较为吻合；周边管线变形最大值的有限元结果也与现场监测数据相近；有限元模拟较为合理，可评估基坑施工对周边环境的影响。

3)监测数据表明，基坑水平位移最大值为26.4mm，位于坑底附近，围护墙顶位移控制较好，仅为3.28～4.10mm，均小于监测报警值30mm。

4)基坑开挖施工对周边环境的影响较小，其中周边土体沉降最大值约为22.6mm，小于监测报警值25mm；南侧管线沉降最大值约7.08～18.99mm，西侧管线沉降最大值约6.04～19.03mm，均小于监测报警值20mm。

5)TRD工法的施工深度可达20～60m；本工程中施工深度为41m，监测数据表明，坑外水位变化较稳定且较小，最大变化值为地表下600mm，小于监测报警值1 000mm。

6)TRD工法的连续性、封闭性、隔水性及稳定性较好且施工深度远大于常规双轴及三轴搅拌桩止水帷幕，在承压水处理领域具有较高的推广应用价值，本工程可为类似超深隔水帷幕的设计与施工提供参考。