复杂环境下深基坑开挖对周边环境的影响研究

李瑜玉，姚广迎，李因旭，朱传英，韩 宇

(华通建设发展集团有限公司,山东 泰安 271000)

0 引言

城市化进程不断加快的同时,各大城市都在正向发展建设,济南作为新旧动能转换发展的先行区,也在加紧发展城市经济、推进城市建设,而黄河成为阻碍济南南北同发展的拦路虎,建设穿黄隧道工程,打通黄河南北两岸的发展通道,实现共同发展成为其重要战略布局。但是该隧道建设要经过人员居住密集区,周边环境复杂多变,制定合理的施工方案、有针对性的保护措施,减少隧道建设对周边环境的影响显得尤为重要。

近些年,不少学者对相关课题进行了深入研究。张婉吟、孙昌利、张挺[1]运用模拟软件分析了工程采用地连墙与环形内支撑相结合方案对周边环境的影响程度;黄磊[2]基于桐庐车站项目,使用FLAC3D探究了该工程开挖对周边建筑、管线、市政道路的影响规律;李敏[3]依托珠江某超深基坑对施工前后的基坑周边环境开展了监测研究,得出了其变形规律,同时分析了地层突发沉降的原因;翟永勇、王嘉浩、邬建华[4]分析了某超大基坑的影响因素,研究了整个开挖过程对周围环境的影响;聂子云[5]基于某换乘车站对多重基坑施工影响周围环境的状况展开了研究;于唯、陈欢欢、洪艳[6]以某电缆盾构隧道为对象,研究了盾构施工引起的周边土体和建筑物变形规律;张俊[7]依托上海某项目,整理归纳了基坑位移和沉降的代表性数据成果,研究了周围环境受各类因素的影响程度,同时制定了相应策略;孔令华、胡军然、牛文宣等[8]研究了狭长基坑不同内撑施工阶段对周边老旧建筑的影响,并与模拟开挖数据进行对比分析;刘俊城、谭勇、宋享桦等[9]利用流固耦合模型研究了富水砂土条件下基坑出现渗水情况后,支护侧墙与周边环境的变形情况;魏云霞[10]建立了Plaxis 3D深基坑模型,依据此模型通过方案对比分析方式,对深基坑降水施工情形下的周边环境影响程度开展了研究分析;穆道贵、郭薇、徐世光等[11]通过对比实测与模拟数据,分析了采用桩锚支护方式下的基坑周边环境变形特征,同时验证所建模型的准确性。

本文结合济南黄河济洛路隧道项目,通过对现场工程进行监测,以实际工程变形数据为依据对超深基坑开挖对周边环境影响进行探讨。

1 工程概况

1.1 工程位置

济南市济洛路穿黄隧道项目南起济洛路与泺口南路交汇处往南400 m处,北至鹊山水库与G309相接,中间下穿济广高速高架、黄河,隧道全长4 700余米,其中明挖基坑段长度为910 m,盾构开挖段长度为3 850 m。本工程黄河以北部分主要以盾构开挖为主,而黄河以南部分则是以明挖基坑为主,从北向南依次是盾构接收井、轨道交通与市政道路合建段以及汽修厂站段三大部分,而且南岸部分基本位于城区中,周边建筑物、市政管线等错综复杂(见图1)。

1.2 设计概况

南岸大盾构接收井(如图2所示)与黄河大堤的距离仅有300多米,其北侧是二环北路以及济广高速高架,该接收井主要是用于吊运出盾构机,基坑采用明挖法施工,支护形式采用地连墙结构,地连墙最大深度将近60 m,墙幅厚度为1.2 m,共设置八道支撑体系,一、四、七、八层为钢筋混凝土支撑,二、三、五、六层为钢支撑,工程场地位于济泺路北段二环北路南侧,距离黄河南岸大堤约340 m,此基坑工程呈矩形,东西长49.4 m,南北长30.2 m,最大开挖深度为35.2 m。

1.3 水文地质条件

南岸大盾构接收井基坑场地为黄河一级阶地,开挖土层共为15层,主要包括杂填土、冲填土、素填土、粉质黏土、砂质粉土、粉砂、细砂、钙质结核、辉长岩等,不良地质则以杂填土、膨胀土、残积土和风化岩石为主;工程区补水来源主要依靠黄河水、小清河水以及降雨,地下水在-1.60 m～-1.02 m范围内,径流、蒸发和人类开采是其主要排泄方式。

2 现场监测方案

2.1 现场周边环境

在基坑主要影响范围区内,东侧为2栋2层砖混结构商铺,以及多栋民房建筑,而距离基坑最近处仅有7.02 m;西侧为1栋3层砖混结构饭店和1栋2层幕墙结构办公楼,以及多栋2层民房建筑,最近处距离基坑11.1 m。同时在基坑主要影响区内还有2条污水管、2条给水管和1条燃气管。其中距离基坑最近的一条给水管线间距仅有1.6 m。为确保基坑施工过程周边环境安全,根据监测方案要求对基坑周边环境布设监测点,建筑物共计布设64个监测点、管线共计布设30个监测点、地表沉降点共计布设48个监测点,具体监测点布设位置及影响区域划分图如图3所示。

2.2 周边建筑物沉降点布置与埋设

1)建筑物沉降监测点布设:a.为了确保监测数据的准确性、真实性,建筑物沉降观测点的布设工作应当在基坑进行开挖工作之前进行埋设,同时在开挖前采集建筑物沉降初始值。b.依据接收井监测方案要求,在建筑物可能发生较大沉降的四角处、层高变化处等布设监测点,使用冲击钻在墙体上打孔,并将孔内浮尘清理干净,然后灌入环氧树脂胶,最后插入L型沉降标(见图4)。

2)地表沉降监测点布设:a.使用钻机在预定位置钻出φ150 mm、深度1 m的孔,并对孔底进行夯实;b.在孔内放入不小于φ20、长度1 m的钢筋,孔底部灌入强度不小于C20、高度20 cm左右的混凝土;c.在混凝土初凝后,将准备好的砂子填入孔内,顶部确保钢筋顶高于砂面;d.为防止监测点破坏,在监测孔上端安装了φ140 mm的保护盖。地表沉降监测点布设模拟图及现场布设图见图5。

3)管线沉降点布设。

2.3 监测方法

沉降量按以下公式进行计算:

ΔH=Hn-H0。

其中,ΔH为监测点沉降量,mm;H0为监测点初始高程,mm;Hn为实测高程,mm。

根据监测点的各期高程值,获取了各期阶段沉降总量、过程变形率、累积变形量等信息。

3 监测频率

依据济南市济洛路穿黄隧道施工盾构接收井的设计图纸和盾构接收井监测方案,所制定的基坑实施阶段的监测频率及要求见表1。

表1 监测频率一览表

4 数据分析

4.1 建筑沉降数据分析

为研究基坑施工开挖过程对周边建筑物所产生的影响程度,本次选取距离基坑最近的两栋建筑进行研究。分为基坑东侧2层砖混结构的商铺,以及基坑西侧1栋3层砖混结构的乡里乡亲饭店。由于整个基坑施工监测周期太长,选取部分代表性开挖节点数据开展分析,此次研究共选取10处监测点,2层商铺监测点共计布设4处监测点,其监测点编号为JGC20-JGC23,乡里乡亲饭店监测点共计布设6处监测点,其监测点编号为JGC01,JGC02,JGC05,JGC06,JGC07,JGC08,图6,图7分别为两栋建筑在基坑不同开挖节点的数据分析情况。

通过对监测数据的整理分析,本工程地质条件下周边建筑物会随着深基坑的开挖工作进展发生沉降,建筑物的沉降量总体趋势是跟随开挖深度的加深而逐渐的加大,基坑开挖前期沉降变化速率较快,这主要是由于原始土体状态受到扰动,原始土体平衡状态被打破;随着基坑深度的加深,沉降量基本处于增加状态,速率会逐渐变缓,基坑开挖工作完成后,沉降量基本趋于稳定状态。同时通过研究还发现,建筑物远离基坑一侧的沉降量明显要低于距离基坑较近一侧的沉降量;另外,建筑物边角处的沉降变化量也比其他部位的变化量要高。

4.2 地表沉降数据分析

由于基坑周边所布设沉降观测点过多,数据分析量过大,本次分析选取西侧一个断面和北侧一个断面作为研究对象,其编号分别为DBC06和DBC08,监测点DBC06的布设间距从靠近基坑侧起分别为2 m,3 m,5 m,8 m,8 m,10 m,监测点DBC08由于受到场地条件限制,其布设间距从靠近基坑侧起分别为2 m,3 m,3 m,4 m,两处监测点的沉降变化规律如图8,图9所示。

对以上两组数据分析,可以最为直观的看出,地表沉降随着开挖进程的开展其变化曲线呈现为“汤匙”形和下凹形。同时还可以发现,随着基坑深度的增加,地表的沉降量也在渐渐增加,DBC06在距离基坑5 m位置处发生沉降量最大,同样DBC08在距离基坑5 m位置处的沉降量最大,距离基坑位置越远,其沉降变化量越小。当基坑底板浇筑工作结束后,其地表沉降量值增长速度放缓、趋于平稳。

4.3 管线沉降数据分析

由于工程位置位于居民区主要道路,周边布设有较多管线,为防止基坑施工对周边管线引起过大位移,从而造成管线发生损坏,对此次基坑开挖施工对周边管线产生的影响开展分析,选取主要影响区内5条主要市政管线的部分代表性监测点进行分析研究,选取的监测点编号分别为WSC4,WSC9,GSC4,GSC9,RQC2,RQC4六个监测点,详细的数据分析情况如图10所示。

从图10可以清晰、直观地看出,随着基坑开挖施工工作的不断进行,周边管线会出现不同程度的竖向沉降情况,总体上的变形走势表现为沉降值跟随开挖深度不断增大,开挖前期变化速率较大,后期变化趋势逐渐趋于平稳状态。这主要是由于开挖工作开展以后,致使原有土层的平衡状态被打破,土体发生了扰动现象,而后期因为支撑的架设、底板及侧墙的施工,对基坑起到了很好地支撑保护作用,同时稳定了周边土体状态,使得其处于新的平衡状态。

5 结论

依托于济南穿黄济洛路隧道项目,对超深基坑开挖对基坑周边环境的影响展开了探究,具体得出了以下研究成果:

1)基坑开挖施工会对周边建筑物产生不同程度的沉降影响,总体上呈正比状态,即建筑物沉降量会随基坑深度的增加而变大,同时距离较远一侧沉降值要比较近一侧的变形小。

2)基坑周边土体稳定性会受到基坑开挖的影响,距离基坑5 m处位置的沉降变化值最大,地表沉降与监测点布设间距的关系曲线呈“汤匙”形和下凹形。

3)当基坑进入底板浇筑阶段后,其对周边建筑物的影响会变小,对周边土体的扰动减弱,周边环境总体上趋于稳定。

4)基坑周边管线由于受到基坑开挖施工的影响,其沉降值伴随着开挖深度的加深而处于不断增加状态。