三面臨水深基坑圍護方案設計及施工控制措施

張鵬飛,高偉奇,田 剛

(中冀建勘集團有限公司,河北 石家莊 050000)

0 引言

深基坑施工具有風險性大、區域性強、時間效應強、系統性強等特點,而且受到環境條件影響比較大,處于復雜環境地區的深基坑工程必須要采取合理有效的圍護措施[1]。在臨水環境條件下,基坑工程設計不僅需要考慮變形控制問題,而且還需考慮地下水和地表水的滲透問題。因為在水源補給條件下,受水壓作用深基坑工程很容易發生滲透變形和滲透破壞,引發基坑工程突涌和周邊地層的坍塌,給深基坑工程的建設帶來威脅[2]。目前,關于臨河臨湖等深基工程的研究較多,且取得了較多的研究成果,但這些研究多集中在一側臨水,對于三面臨水且周邊開發程度高條件下的基坑開挖研究較少[3-5]。本文嘗試以杭州市河匯項目深基坑工程為研究對象,基坑三面臨河、周邊環境復雜,采用數值模擬手段分析深基坑的變形控制問題,并對止水帷幕施工控制措施展開研究,研究成果可為復雜地表水體及臨近周邊建(構)筑物條件下的深基坑開挖提供借鑒。

1 工程概況及場區工程地質條件

1.1 工程概況

河匯項目位于杭州市上城區錢江新城核心地段,本項目為杭州重點工程建設標準高,未來杭州市新地標項目,總建筑面積約137 474.5 m2。項目基坑三面臨水,北臨新塘河,西靠三新路,東依京杭運河,南至運河之江隧道及錢塘江,西南角為在建錢塘江博物館,如圖1所示?；又苓厛龅卣胶蠼^對標高為7.00～10.00 m,(其中新塘河駁坎側場地絕對標高為7.00～10.00 m,東北角、新塘河泵站排水箱涵側場地絕對標高為10.00 m),根據地勢起伏(西低東高)。江河匯項目基坑大致呈矩形,面積約為32 850 m2,周長約為770 m,長約260 m,寬約135 m,下表為基坑工程開挖深度表。

表1 基坑工程開挖深度

現狀場地較為起伏,整體呈西地東高,地下三層底板厚取800 mm。綜合考慮基底土質條件、坑邊承臺分布和墊層厚度,設計坑底標高為-8.20 m(局部為-9.20 m)。北側為已建新塘河駁坎及新塘河排澇泵站,東側為已建新塘河排水箱涵?；觾冗吘€與北側新塘河駁坎水平間距約13.2 m,與東北角新塘河排澇泵站水平間距約9.2 m,與東側新塘河泵站排水箱涵水平間距約7.7 m。

1.2 場區工程地質條件

根據現場地質調查,本場區地勢平坦,受后期人類活動影響,地勢稍有起伏,場地內填土厚度普遍較大,一般為3.0～8.0 m左右,回填土多含碎石、建筑垃圾及生活垃圾等,尤其是①1層雜填土,局部粗骨粒含量高達30%～60%,粒徑一般2～8 cm,最大粒徑大于20 cm。在勘探深度范圍內可分為12個工程地質層,其物理力學特征如下表所示。

表2 深基坑工程土層物理力學參數指標

2 深基坑圍護設計方案

2.1 深基坑周邊環境分析及圍護設計要求

深基坑三面臨水,周邊環境復雜、開發程度高、周邊建筑物保護要求高。經分析,基坑南側為已建運河之江隧道,基坑內邊線與北線的水平間距約9.5 m,南線隧道的水平間距約32.5 m,與河西工作井的水平間距約68.4 m;東側為已建新塘河泵站排水箱涵、三堡排洪箱涵和京杭大運河,該側基護內邊線距離用地紅線約3.1 m,距待建新塘河泵站排水箱涵(D5000,混凝土結構,埋深約2.0 m)最近處7.7 m,距三堡排洪箱涵約38.7 m,距京杭運河堤壩約47.2 m;西側為市政道路三新路,至道路邊的最近距離為9.8 m;北側為新塘河駁坎,該側基護內邊線至用地紅線的最近距離為2.8 m,距離新塘河河道邊線約13.2 m;東北角為新塘河排澇泵站,西南角為在建錢塘江博物館,同時西側及西北角周邊市政管線較多,基坑對變形均較為敏感,特別是東側已建排水涵管、北側新塘河駁坎以及東北角新塘河排澇泵站,位移控制要求高,需特別加強保護;開挖范圍內為粉砂土,且緊鄰錢塘江、京杭運河及新塘河,水源補給充沛,需做好降排水措施,避免基坑滲漏;同時淤泥質粘土位于坑底以下,且土層較薄,樁底容易進入土質較好的粘土層?；悠矫婷娣e大,開挖深度深,空間效應較差;距離用地紅線近,約3～4 m,場地條件緊張;場地標高起伏大,西低東高,基坑受不均衡周邊荷載作用,需合理考慮。根據以上周邊環境及基坑三面臨水特點,基坑圍護設計需重點考慮基坑的自身安全性、防止基坑透水和滲透破壞、防止基坑開挖對周邊敏感建筑物及管網的擾動。

2.2 深基坑圍護方案設計

本著“確保安全、加快進度、節省造價、方便施工”的原則,經多方案分析比較,針對本工程實際情況、周邊環境和鄰近建構筑物的保護要求,最終確定采用如下方案:地下連續墻/鉆孔灌注樁結合2～3道內支撐支護,其中新塘河排澇泵站、駁坎及排水箱涵側采用φ1200@1 400 mm鉆孔灌注樁結合3道水平支撐支護,深基坑圍護結構平面布置如圖2所示。

圖2 深基坑圍護結構平面布置圖

如圖2所示,南側緊鄰運河之江隧道側為1 000 mm厚地下連續墻,槽壁加固為850 mm直徑三軸水泥攪拌樁;東側近運河側(地勢較高)為直徑1 200 mm@1 400 mm鉆孔灌注樁結合700 mm厚TRD止水帷幕;其余范圍1 100 mm@1 300 mm直徑鉆孔灌注樁結合700 mm厚TRD止水帷幕。

(1)支撐體系:整體設置二道鋼筋混凝土水平內支撐,南側及東北角設置三道鋼筋混凝土水平內支撐,東側中部設置一道鋼筋混凝土斜撐+二道鋼筋混凝土水平內支撐,斜撐位置第二道支撐增設混凝土板帶。各道支撐標高分別為9.00 m、3.75 m及-3.400 m。

(2)止水措施:如圖2所示,在南側采用1 000 mm厚地下連續墻+700 mmTRD止水帷幕進行地下水和錢塘江水的入滲;在基坑西側和北側采用700 mmTRD止水帷幕防止地下水和新塘河水的入滲;在基坑東側采用700 mmTRD止水帷幕防止地下水和京杭大運河河水的入滲。TRD穿透淤泥質粉質黏土夾粉土層。

(3)降排水措施:TRD/三軸水泥攪拌樁均穿透粉砂土層進入下部不透水層,基坑外為控制性降水至地表下5 m;運河之江隧道側坑外為應急井,正常情況下不得開啟,僅作為在發生滲漏險情的情況下方可開啟使用(啟用時降深應控制在5 m以內),使用前應征得設計單位同意。根據相關設計規范,對承壓水突涌復核計算,如公式(1)所示。

(1)

式中:γm表示透水層以上土的飽和重度;t+△t表示透水層頂面距基坑底面的深度;Pw表示含水層水壓力[3]。經驗算,土方開挖至基坑底標高時,抗突涌穩定性系數為1.22～1.45,大于規范要求的1.1,因此承壓水對基坑開挖影響不大,無需采取專項處理措施。但仍應注意以下方面:確保所有地質勘察鉆孔施工結束后均進行有效封孔;鉆孔灌注樁施工時應控制泥漿的重度、黏度等指標,孔壁泥皮不宜過厚[4]。避免沿勘察鉆孔或樁基側壁形成承壓水通道,影響基坑安全施工?？又锌硬捎酶邏盒龂姌吨亓κ綋鯄Y合坑內滿堂加固,大門設置于西側,土方車輛經棧橋至三新路出土,待施工單位確定后另行深化。

2.3 深基坑圍護設計方案論證分析

結合基坑圍護設計方案具體的施工工況要求,對深基坑圍護設計方案進行論證分析,論證該設計方案的可行性。如圖3所示,利用Plaxis軟件對新塘河排水箱涵復雜環境下深基坑圍護設計方案進行二維有限元分析,依據分析類型的不同,選取A-A、B-B、C-C三個斷面作為分析對象,分析土方開挖至第三道支撐底、土方開挖至坑底標高、拆除第一道支撐并完成換撐三個工況,基坑主體結構與排水箱涵位移情況,二維有限元計算結果匯總如表3所示。

圖3 Plaxis軟件深基坑有限元分析

通過二維有限元分析得出以下主要結論:隨著旁側基坑開挖,結構變形主要表現為水平方向開挖側變形,豎直方向沉降,A-A斷面當土方開挖至坑底標高時,圍護結構的最大水平變形42.80 mm,排水箱涵的最大水平變形25.51 mm,最大沉降-21.68 mm。B-B斷面當土方開挖至坑底標高時,圍護結構的最大水平變形42.52 mm,駁坎的最大水平變形17.43 mm,最大沉降-19.39 mm。C-C斷面當土方開挖至坑底標高時,圍護結構的最大水平變形44.06 mm,排澇泵站的最大水平變形8.066 mm,最大沉降-7.074 mm。

二維有限元計算只能考慮平面應變問題,因此無法完全反映基坑與隧道的真實關系。實際施工時沿隧道一側基坑應采取分區、分塊、分層開挖措施。為反映開挖實際情況,應進一步采用三維有限元分析軟件,以進一步精確分析基坑開挖對隧道的影響。三維模型增加了新塘河排澇泵站、駁坎、排水箱涵在基坑圍護結構延伸方向的維度。按照力學分析結果,模型橫向邊界到結構的邊界的距離應大于3～5倍的結構尺寸,模型下邊界到圓礫層,上部邊界為地表。同時考慮到本模型主要考慮鄰近基坑開挖對新塘河排澇泵站、駁坎、排水箱涵的影響,因此模型邊界到基坑邊的距離要大于1.5～2倍的基坑開挖深度。因此,模型的尺寸為420 m×400 m×60 m,三維有限元計算結果如表4所示。

表4 三維有限元計算結果

3 三面臨水深基坑止水帷幕施工控制措施

3.1 TRD渠式水泥切割連續墻

TRD渠式水泥切割連續墻成墻深度為24.15～28.65 m,墻體標高范圍為+7 m/+10 m～-17.15 m/-18.65 m,墻厚700 mm。根據TRD渠式水泥切割連續墻的設計墻深進行切割箱數量的準備,為滿足24.15～28.65 m設計深度要求,切割箱3.65 m一節,共需要選配9節切割箱。

為保證TRD渠式水泥切割連續墻的防水效果和強度,施工設備的選型應保證先進合理,施工工程中采用鈉基膨潤土進行土體混合拌制,拌制后墻體水泥摻和量應大于20%,膨潤土摻量為入950 kg/m3,待墻體施工完成后再水中養護28 d,并按照每臺班組抽查2組試塊的方法對TRD渠式水泥切割連續墻強度進行監測,取樣的深度應在有效墻頂以下1 000 mm,取樣鉆頭為11 cm,取樣試塊為直徑10 cm,高度為28 cm,在室內試驗中進行無側限抗壓強度試驗,其標準值應不小于0.8 MPa[6-7]。如果TRD渠式水泥切割連續墻28 d無側限抗壓強度不合格,則應連續取樣至墻體底部進行復測。

TRD渠式水泥切割連續墻的幾何尺寸控制包括垂直度、水平偏差、墻體深度和墻體厚度,垂直度應控制在1/250以內,水平偏差應控制在50 mm以內,墻體施工深度誤差不能超過50 mm以保證防水效果,同時墻體厚度誤差應在±20 mm以內以保證墻體剛度。

3.2 地下連續墻

地下連續墻的垂直度和水平度是最為重要的兩個控制指標,前者主要采用經緯儀和成槽機的顯示儀進行控制,后者則采用水平儀進行空盒子。在施工前應對成槽機導板的垂直度進行控制,使其不超過0.3%,以控制成槽機抓斗的垂直貫入。

地下連續墻混凝土澆筑過程中,混凝土的施工質量控制是保證地下連續墻封閉的前提條件。因此,在澆筑時應保證導管在混凝土內有一定的埋置深度,一般為2～4 m,最大不能超過6 m,以免混凝土對導管的卡埋,同時導管埋置過深使得拔管對混凝土產生擾動,對于具有2個導管同時施工的墻體,相鄰兩導管內混凝土高差不超過0.5 m[10]。

為了保證地下連續墻墻幅之間的止水封閉性,在接頭處采用工字鋼接頭連接,在先行幅混凝土澆灌過程中工字鋼的外側采取回填碎石的措施,用來阻擋混凝土澆灌時產生的側向壓力,避免鋼筋籠的側向移動,但在混凝土澆灌過程中水泥漿液會充填到回填碎石的空隙內,同時在成槽過程中砂顆粒的沉淀也會在接頭工字鋼的槽口內沉積很多頑固的淤泥,較難清除,因此在完成嵌幅成槽后,必須采取有效措施鏟除接頭內沉積的淤泥和碎石,確保接頭防滲質量。

4 結語

深基坑圍護設計是深基坑施工方案設計中重點部分,設計一套科學合理的深基坑圍護方案,對確保深基坑施工安全和質量具有重要作用,尤其是在復雜施工環境下,深基坑圍護設計更是重中之重。此次針對三面臨水復雜環境下深基坑變形問題,提出了一個圍護設計方案,并論證了該方案的可行性,為臨河區域復雜環境下深基坑圍護施工提供了可靠的參考依據,為新塘河的發展提供了理論依據。