深大基坑施工控制技术研究

刘海军，车元平，张 波，窦 晗，陈 国,2

(1.中铁一局集团有限公司第三工程分公司，陕西 宝鸡 721006；2.南京林业大学土木工程学院，江苏 南京 210037)

1 工程概况

某地铁车站基坑附近地下管线纵横交错，周边道路和建筑物距基坑较近，因而不具备放坡开挖的条件。临近基坑的东侧依次分布了现代国际大厦、工行金碧苑住宅楼以及东方曼哈顿大厦，基坑西侧为金湖广场。其中，现代国际大厦和金碧苑住宅采用的静压预制方桩为摩擦型桩。

2 未加固基坑

综合考虑该基坑开挖范围内的水文地质条件差异以及周围的建筑物分布特点，确定基坑的长度、宽度和深度的尺寸分别为550m、450m 和69m。采用梁单元模拟腰梁、斜撑梁、立柱等构件，地下连续墙（简称地连墙）采用板单元，土体采用六面体实体单元。有限元模型的边界条件为顶部自由，基坑周边及底部限制法向位移，坑底限制三向位移。数值分析计算工况1～工况11施工天数分别为20、10、20、10、20、10、20、10、20、5、20 天，模拟内容分别为：开挖第一层土体、施工第一道支撑、开挖第二层土体、施工第二道支撑、开挖第三层土体、施工第三道支撑、开挖第四层土体、施工第四道支撑、开挖第五层土体、施工第五道支撑和开挖第六层土体至坑底。

图1 为金碧苑和现代国际建筑物的关键节点，其中金碧苑四角设置了4 个测点，即P3、P4、P5 和P6，现代国际大厦四角设置了P1、P2、P7 和P8 测点。

图1 测点布置

最大竖向沉降发生在靠近地铁车站基坑一侧的P1、P2、P3 和P4 测点，基坑东侧地连墙的最大值达35.1mm，西侧变形约为25.8mm。基坑开挖引起的地连墙变形约为开挖深度的0.12%，围护结构变形较小。

各节点沉降随施工过程发展如图2 所示。P1、P2、P3 和P4 测点的沉降值表现出类似的下沉趋势，随施工时间的增长而增大，并在第165天达最大值，分别为-24.57mm、-22.29mm、-19.15mm 和-22.6mm。在前50 天内，P5 的下沉位移随时间而略有增大，在第50 天时达最大值，约-0.68mm，随后下沉变形逐渐减小，在第165 天时降至-0.11mm。P6 测点在第20 天时的下沉值最大，达-0.47mm，随后变形减小，从第80天开始，发生向上隆起的现象。P7 和P8 测点表现出随时间增长而增大的向上隆起变形，并在165 天时达最大值，分别为3.08mm 和1.86mm。布置于现代国际大厦左侧的P1 和P2 发生了显著的下沉变形，而右侧的P7 和P8 产生了轻微的向上隆起变形，表明现代国际大厦在施工过程发生了较明显的倾斜。金碧苑和现代国际大厦均发生了轻微的倾斜，但金碧苑的倾斜值略小于现代国际大厦。

图2 建筑物节点沉降

在开挖富水深大基坑的过程中，需时刻重点关注地下水的渗漏，当遭遇透水性较好的粉砂和中砂层时，坑壁容易发生塌孔，从而引发管涌、流砂甚至地面沉降的严重破坏。围护结构要求具有较大的刚度和较好的止水能力。其中，主体挡水系统采用1.2m 厚地连墙，而地下三层结构的附属基坑采用1.0m 厚地连墙，地下二层和一层的附属基坑采用钻孔灌注桩。

在基坑开挖前，依据渗漏流场与水声学测量原理，在65 个墙体接缝处布置三维流速矢量测量仪实时监测点位的三维渗流场。在基坑拐角处发生了地下水渗漏，形成了渗漏通道。

3 袖阀管注浆加固

为防止成槽时发生塌孔以及地连墙接缝处出现地下水渗漏的现象，最终选择地质钻机钻孔和注浆，在基坑顶部距地连墙接缝0.5m 处钻2 个孔，通过袖阀管注浆加固地连墙外侧的土体。地下水的主要渗漏通道得到了有效的控制，水的实际流速明显降低，如表1 所示。

表1 地下水流速 (单位：cm/s）

图3 为采用袖阀管加固后的基坑支护结构、金碧苑住宅楼以及现代国际大厦的变形云图。相比加固前而言，靠近基坑一侧的P1、P2、P3 和P4 测点的竖向沉降值有了一定的降低，但远离基坑的P5、P6、P7 和P8 测点的沉降值略有降低。但是袖阀管加固对金碧苑住宅楼的沉降改善效果不明显，仅减小8.0%。经注浆加固后的现代国际大厦最大沉降量降幅达22.1%。位于基坑周边的地连墙的最大变形为30.4mm，比加固前降低4.7mm，降幅达13.4%。

4 分段开挖

尽管采用袖阀管加固后的支护结构和周边建筑物的沉降和变形均有一定程度的改善，但降幅并不明显。为了更好地保障地铁车站基坑的施工安全，地连墙接缝处使用袖阀管注浆加固的同时，采用分层分段开挖并增设四道混凝土支撑和一道钢支撑。计算工况如表2 所示。

表2 计算工况

布置于基坑东侧的现代国际大厦的P1 和P2测点采集到的沉降值明显大于其他测点，最大沉降值为11.98mm。地连墙的整体最大变形为24.5mm。相对于未进行袖阀管加固及未分段开挖而言，地连墙最大变形有了明显的改善，降幅达30.2%。布设于金碧苑住宅楼和现代国际大厦的8 个点位测得的沉降值与施工进度的关系曲线如图4 所示。经袖阀管注浆加固和分段开挖和支撑后，金碧苑住宅楼和现代国际大厦的沉降值大幅降低，降幅分别为54.0%和66.3%，有效保障了基坑开挖的安全性。

图4 节点沉降

5 结语

1）地连墙槽段间的接缝是地连墙发生地下水渗漏的薄弱部位，采用袖阀管注浆的方式加固接缝处的土体可有效阻断渗漏通道，降低地下水的流速和流量。

2）靠近基坑一侧的建筑物的沉降明显大于远离基坑的测点，袖阀管加固可以减小地连墙的变形和建筑物的沉降，但改善幅度不明显。

3）经袖阀管注浆加固后，采用分段开挖并增设支撑可大幅降低地连墙的变形和建筑物的沉降，显著降低地铁施工对周边环境的扰动。

4）施工过程中，需严密监测金碧苑和现代国际大厦左侧的下沉以及整体倾斜增量，做好相应的预案，确保施工安全。