趙 京， 董沂鑫， 朱 敏

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

隨著我國城市化水平的提高，地下空間廣泛高效利用成為解決城市人口、資源、環(huán)境三大危機(jī)和實(shí)施城市可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。目前，各類用途的地下空間已在世界各大城市建設(shè)中得到開發(fā)利用，均涉及到各類深大基坑工程。因此，對基坑工程進(jìn)行深入研究成為國家城市化發(fā)展的重要內(nèi)容之一?；庸こ淌鹿什粌H給國家經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成不同程度的損失，還存在延誤工期、增加工程造價(jià)以及影響周圍居民正常生活等危害，同時(shí)也對城市建設(shè)和企業(yè)形象造成不良影響。由于巖土的不均勻性，基坑施工過程中所面臨的巖土情況和施工環(huán)境復(fù)雜多樣，存在諸多不確定性因素[1]。

地下水的治理往往是基坑工程成敗的關(guān)鍵，基坑施工過程中的排水與降水方法的選取及其實(shí)效，直接影響施工速度和質(zhì)量[2]，甚至關(guān)系到基坑及其周邊建筑物的安全。當(dāng)降水方案選取與工程場區(qū)地下水文不匹配時(shí)，往往會造成不可逆的后果，甚至危及到人身安全。如何在發(fā)生重大事故前，采取有針對性的有效措施，是工程推進(jìn)的關(guān)鍵。

1 工程概況

太原市某地鐵明挖區(qū)間基坑，位于解放路與府西街路口南側(cè)，為原太原市二水廠采水區(qū)。區(qū)間結(jié)構(gòu)為地下二層單跨箱型結(jié)構(gòu)，基坑深度17 m左右，寬度11.3～11.8 m，長254 m?；铀幬恢脼樘欣铣菂^(qū)，周邊主要為上世紀(jì)80年代初修建的6層民宅，條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)形式差；周邊老舊管線眾多，部分給水鑄鐵管已投入使用超過30 a，承插式接頭，對地層變形非常敏感。

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

本基坑地貌單元屬汾河?xùn)|岸一級階地區(qū)，鉆探揭露深度范圍的地層為第四系全新統(tǒng)雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土、粉細(xì)砂、中砂、圓礫土，地下水位埋深1.6～3.8 m，為松散層孔隙潛水，無連續(xù)隔水層。結(jié)構(gòu)基底主要坐落于粉質(zhì)粘土和粉細(xì)砂層，圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固段地層主要是粉細(xì)砂、中砂層。

1.2 設(shè)計(jì)概況

結(jié)合周邊環(huán)境和地質(zhì)水文情況，本基坑采用800 mm厚地下連續(xù)墻+3道鋼支撐作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)(見圖1)。由于無連續(xù)隔水層，采用懸掛式止水+坑內(nèi)降水的地下水處理方案，地連墻嵌固比為1∶0.5，嵌固深度8.5 m?？觾?nèi)降水井采用管井降水。

圖1 區(qū)間圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面圖(單位：mm)

1.3 施工情況及原因分析

基坑在前期降水過程中呈現(xiàn)出管井出水量不飽滿的情況，管井內(nèi)水一抽即干，未起到疏干坑內(nèi)水的目的。施工方未對以上情況予以重視便開展了基坑土方開挖。在基坑開挖的過程中，多個(gè)開挖面在開挖至地下10 m左右，坑內(nèi)均出現(xiàn)了涌水、涌砂的情況，周邊建筑物出現(xiàn)了明顯的沉降，隨即采取了回填反壓的措施，從而控制了事態(tài)發(fā)展。

結(jié)合現(xiàn)場情況及相關(guān)成井質(zhì)量檢測，確定為原降水井成井質(zhì)量有問題，于是更換了降水隊(duì)伍，并重新補(bǔ)打降水井。之后坑內(nèi)水位能夠降至設(shè)計(jì)要求降深，但周邊的房屋和管線卻出現(xiàn)了大面積下沉，隨即停止降水。

停止降水后，經(jīng)過對周邊環(huán)境調(diào)查及多次召開專家會，分析是由于本基坑位于原太原市二水廠采水區(qū)，水廠在前期地下水的抽取中對地層產(chǎn)生了擾動，導(dǎo)致本基坑地層與周邊水系發(fā)生水力聯(lián)系，因此為確保工程繼續(xù)順利實(shí)施，減少降水對周邊建構(gòu)筑物的影響，最終確定對坑底實(shí)施封底措施。

2 基坑封底作用機(jī)理

圖2 坑底土體的突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算

本基坑所處地層雖無承壓水的影響，但是采取封底措施后，相當(dāng)于人為設(shè)置了一層隔水層。根據(jù)規(guī)范要求，封底土層的配重也應(yīng)平衡地下水位至封底底部的水頭差。

為了節(jié)約投資，封底加固體僅作為隔水層，其上預(yù)留原狀土，作為配重，即D=D1+D2，如圖3所示。

圖3 封底措施示意圖

3 封底計(jì)算的基本假定

結(jié)合多個(gè)基坑的案例分析可知，規(guī)范所取的承壓水頂板臨界厚度偏于保守，文獻(xiàn)[3]中記載了5個(gè)基坑的實(shí)際開挖情況，在h/hcr(h為坑底隔水層厚度，hcr為坑底隔水層臨界厚度)=0.54～0.74的情況下，基坑仍能保證安全。文獻(xiàn)[4]提出，考慮土體強(qiáng)度的突涌穩(wěn)定性分析比較接近工程實(shí)際。文獻(xiàn)[5]將以土體不能受拉作為判別條件，并綜合考慮基坑平面尺寸和土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響，通過對基底土層拉應(yīng)力、剪應(yīng)力以及加固體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)之間的摩擦力進(jìn)行計(jì)算，取3種情況所計(jì)算出的最小臨界厚度作為設(shè)計(jì)厚度。

基于文獻(xiàn)[5]的理論，做出如下假設(shè)：

(1)在小變形范圍內(nèi)，假設(shè)封底加固體為勻質(zhì)彈性體。

(2)對于狹長地鐵基坑，封底加固體可視為兩端固接的單向板，其上受到向上的水壓力γwhw、向下的原狀土壓力γD1、向下的加固體自重γD2，兩端受到被動土壓力擠壓。

其力學(xué)模型如圖4所示。

圖4 封底加固體受力簡圖

4 封底厚度控制條件推導(dǎo)

根據(jù)上述假設(shè)得出的力學(xué)模型，可以計(jì)算出加固體所受內(nèi)力最大值為：

(1)

(2)

壓力N=(Pp1+Pp2)D1/2

(3)

其中

q=hwγw-γD2=(h+D1+D2)γw-γD2

(4)

(5)

(6)

(7)

式中：c為土體粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角。

對拉應(yīng)力、剪應(yīng)力、摩擦力進(jìn)行三次判定，從而得出最優(yōu)封底方案。

(1)對加固體的拉應(yīng)力進(jìn)行判定。最大彎矩位于跨中部位，因此最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在跨中部位上表面，以土體開始承受拉力作為極限狀態(tài)，則：

(8)

式中：W為截面橫量。

因此，將式(1)、式(6)代入到式(8)中，得出D1、D2關(guān)系應(yīng)滿足下式

(9)

(2)對加固體自身剪應(yīng)力進(jìn)行判定。加固體剪力最大位置位于加固體邊緣，因此將加固體邊緣的剪應(yīng)力大于加固體的抗剪能力作為極限狀態(tài)，則：

(10)

將式(1)、式(6)代入到式(10)中，得出D1、D2關(guān)系應(yīng)滿足下式：

(11)

(3)對加固體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)接觸面剪切滑移做出判定。加固體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)接觸時(shí)，邊緣剪力最大，可能導(dǎo)致接觸面剪切滑移，其極限狀態(tài)應(yīng)滿足下式要求：

(12)

式中：δ為土體與結(jié)構(gòu)的摩擦角，按照規(guī)范《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330-2013)表6.2.3選取。

將式(1)、式(6)代入到式(12)中，得出D1、D2關(guān)系應(yīng)滿足下式

(13)

從式(13)可以看出，往往在土體自身剪切破壞之前，接觸面已經(jīng)破壞，所以式(11)不作為控制判定，D1、D2關(guān)系僅滿足式(9)、式(13)即可。

5 封底厚度計(jì)算

以開篇所述明挖區(qū)間為例，由于地連墻嵌固段長度有限，在嵌固范圍內(nèi)進(jìn)行封底加固，加固體配重?zé)o法滿足規(guī)范要求，于是采用上述理論進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算的基本輸入條件：坑外水位-2 m；坑深17 m；基坑寬度11.8 m；土重度20 kN/m3；水重度10 kN/m3；加固體內(nèi)摩擦角30°；加固體粘聚力100 kPa。

考慮加固體自身可能存在局部滲水，無法完全封閉下方水體，因此在坑底原狀土范圍內(nèi)設(shè)置疏干井，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，疏干井深度為坑底以下3 m，因此坑底原狀土厚度按照3 m選取。當(dāng)封底加固體厚度為4.33 m時(shí)，式(9)計(jì)算結(jié)果為386 kPa，式(13)計(jì)算結(jié)果為1.4 kPa，考慮一定的安全儲備，封底加固體厚度按照5 m選定。

6 封底實(shí)施

采用注漿的形式進(jìn)行封底。由于基坑基底土體主要為第四系細(xì)粒粉細(xì)砂，封底采用水泥—改性水玻璃漿液，改性水玻璃能夠改善漿液的滲透性、增加漿液的早期強(qiáng)度。由于水玻璃溶于水，水玻璃漿液存在時(shí)效性，且加固體強(qiáng)度偏小，因此應(yīng)嚴(yán)格控制注漿材料中水玻璃的摻量，設(shè)計(jì)要求水泥、水玻璃配比維持在1∶0.5～1.0的范圍內(nèi)。

為盡量減小空鉆長度，基坑在不降水的情況下，開挖至第2道支撐以下0.5 m的位置采用0.2 m厚C20素混凝土層封閉，并采用0.8 m×0.8 m孔距梅花形打設(shè)注漿孔。具體方案如圖5所示。

圖5 明挖區(qū)間封底設(shè)計(jì)

通過采用封底措施，本基坑在不降水的情況下得以順利挖至基底，在基坑開挖過程中由于注漿工藝自身的不連續(xù)性，局部出現(xiàn)涌水點(diǎn)，通過補(bǔ)充注漿的形式能夠基本得以封閉坑底涌水。

7 結(jié)論及經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)

(1)本文結(jié)合以往基坑底部承壓水頂板最小厚度算法的研究成果，結(jié)合實(shí)際案例，對高水位非承壓水環(huán)境地鐵基坑封底加固體的破壞機(jī)理進(jìn)行了研究，得出基于封底加固體強(qiáng)度極限狀態(tài)下臨界厚度的算法。本算法充分考慮了地鐵條形基坑的幾何特性，以及加固體自身強(qiáng)度，大幅度縮減了規(guī)范所要求的臨界厚度。

(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，封底加固體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)接觸面滑移破壞往往是封底加固體失效的主要原因。在封底方案編制及實(shí)施過程中，應(yīng)注意加固體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性，特別當(dāng)采用攪拌、旋噴等方案進(jìn)行封底時(shí)，建議在接觸面一定范圍內(nèi)輔以注漿進(jìn)行填充。

(3)封底+疏干降水的止水方案往往施工周期長，并且經(jīng)濟(jì)代價(jià)過高，為基坑降水失敗萬不得已的補(bǔ)救措施。對于缺乏相關(guān)施工深基坑施工經(jīng)驗(yàn)的深基坑工程，在前期勘察階段，應(yīng)盡可能對工程周邊地下水水文情況進(jìn)行全面調(diào)查，重視場地地下水抽取歷史，對工程實(shí)施給出合理建議；設(shè)計(jì)階段，應(yīng)盡量將止水帷幕落至隔水層，若隔水層深度過大，則應(yīng)在實(shí)施懸掛式止水之前進(jìn)行充分的論證；施工階段應(yīng)加強(qiáng)施工精度，防止地連墻開叉引起繞流路徑不夠而產(chǎn)生帷幕失效，同時(shí)降水方案應(yīng)充分論證。從以上三個(gè)方面出發(fā)，盡量降低此類事件再次發(fā)生。