淤泥地层区间基坑开挖对邻近风险源的影响研究

1　工程概况

1.1　地质概况

项目区间所处地质单元拟属冲海积平原地貌单元，第四系覆盖层厚度相对较厚，约为55~60m，主要为表层人工填土层，浅部冲海积的砂质粉土、粉砂，中部为海积的淤泥质土、冲湖积粘性土层。典型地层岩芯情况如图1所示。

   

图1　淤泥质粉质粘土典型岩芯

淤泥质粉质粘土为本场地主要软弱层，具有厚度大、天然含水量不小于液限、天然孔隙比不小于1.0、压缩性高、强度低、灵敏度高、透水性低等特点，属高压缩性土，易产生不均匀沉降和过度沉降等特点。大面积厚层软土分布会给地下工程建设带来一系列岩土工程问题，由于软土广泛分布，有引发地面沉降、隧道漏水、渗水的风险。场地内土层相关参数见表1。

表1　场地内土层相关参数

   

1.2?周边风险概况

区间明挖段里程为K2+289.040~K2+600.000。主要包括区间由地下转为地上的爬坡过渡段，结构坡度为6%，爬坡段采用U形结构，基坑深度0.5~13.0m，总长度约236m。另外，还包括两个顶管始发及接收的工作井，工作井尺寸为13.0m×16.5m、深度约14.5m。工作井之间区间采用顶管发施工，顶管长度约62m。

工程周边环境风险数量较多，距离较近，风险等级均为I~II级，且周边建筑基础形式多样，抵抗变形能力不一。明挖区间周边风险源主要信息见表2。

表2　明挖区间周边风险源信息

   

2　施工及加固措施

2.1　基坑方案

软弱土地层中的基坑具有变形大、发生快、易失稳、易隆起的特点。因此，基坑方案应采取强围护、强支护、多支撑，充分利用时空效应，分区分段施工。

整个明挖区段基坑深度为0~14.5m，因此应根据基坑深度的不同对基坑方案进行适当调整。

（1）根据施工场地条件及周边环境因素，若基坑深度小于2m，采用放坡法施工，坡度为1∶1.5。坡面挂网喷混，喷混厚度为200mm。

（2）若基坑深度为2~6m，采用TRD水泥土墙内插型钢，插入比约为1.8。TRD具有适用土层广（尤其是软土地层）、隔水性强、整体性好、土体加固效果均匀、加固强度易于保证的特点，在富水软土地区应用较多。

（3）若基坑深度大于6m，采用地下连续墙，墙厚800mm，插入比约为2，距离机场隧道盾构管片不小于2m。地下连续墙具有抗弯能力强、隔水性和整体稳定性好，几乎适用于各种不良条件下的基坑。

（4）支撑选择采用首道混凝土撑+其他钢支撑的方案。

2.2 加固措施

明挖区间基坑部分范围内上跨既有机场隧道，此区域内的土体控制变形要求较高，而软弱土层又易受到扰动，因此，基坑加固方式根据地层控制的要求不同而采用全方位高压旋喷注浆法（MJS加固法）与三轴搅拌桩加固法。

全方位高压旋喷注浆法（MJS）是在高压喷射注浆法的基础上发展而来，其特有的孔内强制排浆技术与地压监测系统，大幅减少了注浆压力过高造成的挤土效应，对周边环境影响较小。

三轴搅拌桩被广泛应用于各种地质条件下的地基加固领域，具有施工效率高、桩身均匀性好、桩体强度高等特点。基坑围护及加固方案如图2、图3所示。

   

图2　开挖深度不小于6m基坑方案示意

   

图3　2?m不大于开挖深度小于6m基坑方案示意

3　数值模拟分析

3.1　计算模型

按力学分析结果，模型横向边界到结构的边界的距离应大于3~5倍的结构尺寸，模型下边界到基坑开挖底部的距离应大于3倍的基坑开挖深度，上部边界为地表。因此取模型的尺寸为470m×200m×80m。在模型中，土体从地表往下分成10层，采用六面体、四面体混合单元模拟。

模型划分了99243个单元，共计39941个节点。地表取为自由边界，其他5个面均约束其法向变形。 整体模型如图4所示。

   

图4　模型示意

计算中采用不同本构模型模拟不同的材料，对于混凝土材料采用线弹性模型，而各层原状土体采用修正莫尔－库仑模型。对车站墙、板结构以及围护结构采用二维板单元模拟，对梁、柱等构件采用一维梁单元模拟。主体结构和围护结构与周围土体采用固接方式连接。

3.2　施工步序

不同开挖、模型加卸载方式产生不同的变形结果。本工程涉及的风险源较多，基坑规模较大，步骤较烦琐，根据周边环境风险源与本工程的建设时序，其重要的施工步序包括高架桥、市政桥、抗浮筏板、居民楼的施作、初始地应力平衡、区间风井及其C通道、机场隧道的施作、地基加固、基坑开挖及支撑拆除、顶管施工等。

3.3　结果分析

（1）围护结构变形。明挖段围护结构变形最大值为7.9mm，发生在明挖段回填覆土后，由于明挖段大部分采用U形结构，且基坑深度较浅，在基坑开挖及支撑拆除阶段，其首道混凝土支撑对结构提供稳定的支撑点，因此在开挖及拆撑阶段，其变形最大值较小，且基本发生在支点跨中范围，当首道撑拆除后，将U形结构侧墙作为悬臂段，其最大位移发生在悬臂处。其变形云图如图5所示。

   

图5 明挖段围护结构变形云图（最不利工况下）

（2）市政桥桩基。市政桥桩基的变形最大值发生在顶管施工后。由于地层土应力的重分配，造成桩基周边的应力分布不均匀，导致桩基发生变形。桩基变形主要表现为桩顶至桩底变形逐渐减小，桩顶最大位移值为3.7mm，且顶管两侧变形程度不一，主要由于两侧建筑环境风险不一致导致，对桩基影响较小。桩基在最不利工况下变形如图6所示。

   

图6　市政桥桩基变形云图（最不利工况下）

（3）机场隧道管片变形。在施工过程中，地层应力的变化必然会引起既有机场隧道盾构管片的变形，采取模型中管片模型变形中的最大值，其变形量随施工步序的变化及最不利变形工况云图如图7、图8所示。

   

图7　机场隧道管片变形最大值变形趋势

   

图8　机场隧道管片变形最大值变形趋势

从上述变化趋势过程中可以看出，土层的开挖及掘进对于下方机场隧道管片来说为卸荷作用，卸荷作用越大，管片的变形就越大，明挖段开挖范围较大，卸荷作用明显，管片的变形值也达到最大值为12.1mm。

而结构施工及覆土回填对隧道管片为加载作用，在加载作用下，已经变形的管片得以恢复，但是由于加载量总是小于卸载量，且地层应力分布难以恢复原状，因此管片变形呈螺旋增加的趋势。

4　方案实施效果

施工期间对基坑自身风险和周边环境风险的相关指标进行监控。监测频率根据叠合段与非叠合段进行适当调整。见表3。

表3　监控项目变形值    mm

   

从上述监测结果可以看出，采用软弱地质预加固+ 地下连续墙+混凝土/钢支撑的围护结构方案可有效减少基坑在施工过程中的变形，以及对相邻既有工程的扰动，有效提升基坑的稳定性，降低施工的风险。

5　结论

（1）在软弱土层中且周边环境风险源较多时，采用三轴搅拌桩加固或全方位高压旋喷注浆法加固，可有效减少基坑开挖过程中对周边环境风险的扰动，且全方位高压旋喷注浆法对底层的扰动效果要小于三轴搅拌桩。

（2）软弱土层的基坑设计方案应采用强支护、强支撑、多支撑的原则，控制基坑的水平变形，加强监控措施，减小对周边环境扰动。