盾构深基坑对邻近变电站及电力管廊影响分析

孙 安

（广东省建筑设计研究院有限公司 广州 510010）

0 引言

伴随城市建设的发展，综合管廊以将电力、通讯、热力、给水等各类工程管线集于一体，大大减少市政管线开挖量、方便运营维修、节省地下空间等优点被逐步推广。对市区过江综合管廊，通常考虑采用盾构工法，埋深相对较深。当盾构接收井地表附近存在有建构筑物时，如何减小盾构接收井深基坑施工对建构筑物的影响就显得尤为重要［1］。

1 项目概况

1.1 工程简介

某地下综合管廊工程位于广州市海珠区琶洲街，其中过珠江段采用盾构方式，盾构内径7.7 m。盾构接收井位于潭村变电站与猎德污水厂西侧空地上，平面内净空15.0 m×18.0 m，埋深21.50 m。接收井东侧4.5 m为3层框架变电站主控楼，采用预制方桩承台基础，北侧1.3 m 为现状电力隧道，埋深约6.0 m，为现浇钢筋混凝土结构，西侧为现有市政公路，南侧为猎德污水厂进厂路及草地，如图1所示。

图1 基坑平面示意图Fig.1 Schematic Plan of Foundation Pit

1.2 地质条件

岩土层按成因及工程特性由上而下描述如下：

⑴杂填土：灰褐色、灰色，黏性土为主，松散，平均层厚2.58 m；

⑵淤泥：灰黑色，流塑、饱和，粉粘粒为主，含腐殖质、粉细砂等，平均层厚3.48 m；

⑶粉细砂层：深灰色，以石英为主，颗粒级配不良，饱和，松散，平均层厚8.17 m；

⑷中粗砂层：浅黄、灰白，以石英为主，饱和，稍密～中密，平均层厚2.41 m；

⑸砾砂层：灰色，以石英为主，颗粒级配良，饱和，平均层厚2.87 m；

⑹可塑粉质粘土层：棕红，以粉黏粒为主，浸水易软化，平均层厚5.04 m；

⑺硬塑粉质粘土层：棕红，以粉黏粒为主，局部含中粗砂，平均层厚3.19 m；

⑻强风化泥质粉砂岩层：棕红色，浸水易软化、崩解，平均层厚4.12 m；

⑼中风化泥质粉砂岩层：棕红色，粉粒结构，岩芯呈短柱状，RQD值65%～80%，平均层厚4.12 m；

⑽微风化泥质粉砂岩层：棕红色，粉粒结构，岩芯呈短～长柱状，RQD值85%～98%，平均层厚6.55 m。

地下水分上层滞水、孔隙水、基岩裂隙水。其中场地水对混凝土结构和钢筋具微腐蚀性。

岩土力学参数建议值如表1所示。

表1 岩土力学参数建议值Tab.1 Recommended Values of Geotechnical Parameters

2 基坑设计

2.1 方案确定

本基坑位于市中心区，基坑埋深21.5 m，属深基坑范畴。基坑深度范围内土层从上到下依次为：3.4 m厚杂填土、4.3 m 厚淤泥、2.7 m 厚粉细砂、6.5 m 厚粉质粘土及4.6 m 厚的强风化泥质粉砂岩，地表附近有对沉降变形较为敏感的变电站主控楼及电力隧道。基于此，采用防水效果好、刚度大的地下连续墙+钢筋混凝土内支撑方案。地连墙槽幅宽5.0 m，选用铣式机头成孔，以尽量减少地表变形对变电站主控楼的影响［2］。

2.2 设计参数

基坑安全等级一级，环境等级：邻近主控楼和电力隧道定为一级，西侧和南侧定为二级。基坑使用年限为1 年，基坑周边超载取40 kPa，出土口取70 kPa。地连墙壁厚1.0 m，混凝土强度等级为C35，抗渗等级P8。对渗透系数≥1 m/d 的土体采用水土分算，相应的c，ψ值按直接快剪的0.9倍进行折减。

2.3 部分拆撑

受盾构线路及接收井平面布置条件限制，盾构机头向西偏心2.25 m 进入接收井。接收井上下共分4 层，分别位于地表以下1.5 m、6.0 m、9.5 m、14.8 m。为减小开挖时地表产生的沉降，于每层结构板顶0.5 m处设置一道混凝土支撑，这样可做到及时换撑及拆撑。

盾构管片采用钢筋混凝土管，厚0.4 m，机头外径9.0 m，机头底位于地表以下19.50 m。经核实，如需吊出盾构机头需预留9.0 m×10.5 m 空间。基坑内净空20.0 m×17.0 m，故只能设计混凝土角撑而不能设置混凝土对撑，以便预留足够空间吊出盾构机头。

由于第四道内支撑位于盾构机头出洞高度范围内，故需先拆除第四道支撑方可吊出盾构机头。一般地，拆除某道支撑都是采用全部拆除方案，但如在底板浇筑之后全部拆除第四道混凝土支撑，则计算出的地表沉降超出规范要求的20 mm 较多。针对这种情况，对第四道内支撑采用部分拆除方案：即在不影响盾构吊出情况下，拆除南侧及西侧的部分腰梁及混凝土角撑，保留北侧及东侧的钢筋混凝土腰梁及内支撑（见图2）。待盾构机头吊出后，浇筑完接收井-4 层外壁及-4 层楼板，再拆除剩余的第四道混凝土支撑［3］。经计算，采用这种拆除部分内支撑方式，可大大减小邻主控楼和电力隧道的地表沉降（见图3、图4），从而减小监测报警的概率。

图2 拆除部分第四道支撑平面Fig.2 Plan of the Fourth Support for Partial Removal（mm）

图3 拆除全部第四道支撑后地表沉降Fig.3 Ground Surface Subsidence after Removing all the Fourth Support

图4 拆除部分第四道支撑后地表沉降Fig.4 Ground Surface Subsidence after Removing Part of the Fourth Support

2.4 洞口加固

接收井结构外侧壁厚1.0 m。为保证盾构机头进入，地连墙及接收井外壁需预留直径9.1 m 的孔洞。超大直径孔洞对结构的刚度及整体性都有较大削弱，从而导致支护及地表变形增加。为减小这种影响，需在大直径孔洞周边做相应加固。对地连墙可提前在地连墙钢筋笼内沿孔洞外围预留洞口加固暗梁的弧形筋与箍筋。对接收井，可在浇筑外壁时在孔洞竖向两侧设置混凝土洞边柱，在洞顶-3F 楼板位置处设置混凝土压顶梁。洞边柱尺寸0.7 m×1.5 m，压顶梁尺寸1.5 m×0.8 m。这样，通过在孔洞周边设置闭合的门框结构，起到加强结构整体性能的作用［4］。

2.5 地表加固措施

考虑地表下10 m范围内为杂填土、淤泥及粉细砂等软弱土，为减小基坑开挖过程对周边建构筑物影响，需提前对主控楼及电力隧道做相应保护措施，采用2排φ500@350搅拌桩内插钢管方式提前对土体进行加固［5］。搅拌桩成桩质量好，成本低，且不会对建构筑物基础造成影响。内插钢管后具有较高的抗弯强度，能抵抗一定的水土压力，减小地表变形。

施工振动影响可通过设置减震沟［6］、声屏障等辅助措施予以减小。减震沟尺寸0.5 m×1.2 m，设置于搅拌桩与主控楼之间。为确保减震沟不倒塌，在减震沟内灌满水，并时刻监测维持沟内水位高度。声屏障设置于搅拌桩与减震沟之间，可有效抵挡与吸收施工振动产生的声波，减小噪音污染及振动对主控楼砌体墙的不利影响［7］。钢架可保护主控楼免受施工机械意外碰撞或不可预测的伤害，从而确保主控楼的日常安全，如图5所示。

图5 钢架保护Fig.5 Steel Frame Protection

本基坑剖面如图6 所示。基坑的施工次序为：基坑开挖范围内管线改移并整平场地➝施工周边泥水搅拌桩+钢管➝施工导墙及地下连续墙➝土方开挖至冠梁下0.5 m，施工冠梁及及第一道支撑➝支撑系统达到设计强度后，土方依次开挖施工第二道、第三道、第四道腰梁及支撑直到垫层底标高➝施工垫层、防水层及底板➝施工-4F侧壁、部分梁板及洞边柱，预留盾构机头吊出孔洞➝拆除部分第四道支撑➝凿除盾构机头范围内地连墙，吊出盾构机头➝浇筑-4F 剩余楼板➝拆除剩余第四道支撑➝浇筑-3F外侧壁及梁板➝拆除第三道腰梁及支撑➝施工-2F 侧壁及梁板➝拆除第二道腰梁及支撑➝施工-1F侧壁及顶板➝设备安装及装饰➝景观恢复。

图6 基坑支护剖面Fig.6 Section of Foundation Pit Support （mm）

3 有限元分析

接收井基坑在主控楼/电力隧道侧方开挖施工，将导致主控楼/电力隧道下方卸载，结构受力发生改变，可能影响主控楼/电力隧道结构安全和正常使用。为此，结合主控楼及电力隧道实际情况，采用三维数值模拟分析手段开展变形预测及安全评估。

电力隧道安全控制指标值［8］如表2所示。

表2 电力隧道安全控制指标值Tab.2 Safety Control Index Value of Power Tunnel

根据《建筑地基基础设计规范：GB 50007—2011》［9］及变电站相关要求，主控楼相邻柱沉降差应不大于柱距的0.5%，整体倾斜不大于3.5%。

采用“地层-结构”模型进行三维建模分析。计算模型边界条件为：模型底部Z方向位移约束，模型前后面Y方向约束，模型左右面X方向约束。计算中不同材料采用不同的本构模型，其中土体视为弹塑性体，采用摩尔-库伦模型，实体单元模拟。基坑围护、接收井、主控楼及电力隧道均采用各向同性弹性模型，其中基坑围护与接收井采用板单元模拟（见图7）。

图7 基坑支护影响模拟Fig.7 Simulation of Influence of Foundation Pit Support

接收井施工对变电站主控楼结构影响的三维模拟分析结果如图8所示。

图8 基坑开挖到底时主控楼总位移Fig.8 Total Displacement of Main Control Building when Excavation to Bottom

结果表明：接收井施工过程诱发变电站主控楼结构的X向最大水平位移为4.7 mm，Y向最大水平位移为1.3 mm，Z向最大竖向位移为4.9 mm，最大总位移为6.5 mm。

接收井施工对电力管廊结构影响的三维模拟分析结果如图9所示。

图9 基坑开挖到底时电力管廊总位移Fig.9 Total Displacement of Power Pipe Gallery during Excavation to the Bottom

结果表明：接收井施工过程诱发电力隧道结构X向最大水平位移为0.4 mm，Y向最大水平位移为1.2 mm，Z向最大竖向位移为6.3 mm，最大总位移为6.4 mm。

鉴于接收井施工导致既有主控楼/电力管廊的位移量可控，故可认为接收井施工不危及变电站主控楼/电力管廊的结构和运营安全。另在施工过程中还需密切关注变电站主控楼/电力管廊的实时监测数据，开展信息化施工［10］。

4 结论

⑴ 为减小深基坑施工对附近现有建构筑物影响，宜采用刚度大、防水效果好的地连墙+钢筋混凝土内支撑方案；

⑵针对盾构偏心进洞情况，可考虑在不影响盾构机头吊出情况下先拆除部分支撑，待换撑楼板施工完毕后再拆除剩余支撑，这样可减小邻建筑物侧的地表沉降；

⑶对大直径开洞，需做好设置弧形暗梁、洞边柱、压顶梁等洞口加固措施；

⑷通过设置搅拌桩内插钢管、减震沟、声屏障、钢保护架等方式，可较好起到对现有建构筑物的保护作用；

⑸借助于有限元分析软件，可定量判断基坑施工对周边建构筑物的影响，从而有助于实现对工程实施的风险分析与安全把控。