广州市高速公路有限公司 广东广州 510000
摘要：富水砂土地区的深基坑工程往往变形过大，且极易发生渗透破坏，危及工程本身及相关人员的安全。本文依托实际工程，详细分析了深基坑开挖及支护全过程的支护结构变形、坑外地表沉降、支撑轴力以及坑外地下水位的现场监测数据，探讨了富水砂土地区典型深基坑工程开挖及支护过程中的土体及支护结构变形、内力变化规律。研究结论可为相似工程提供一定的参考与借鉴。
关键词：砂土地区；富水；深基坑；现场监测
引言
20世纪90年代以来，基坑开挖与支护问题己经成为我国建筑工程界的热点问题之一。基坑开挖引起周围土体卸荷并发生应力重分布，产生向基坑内部的变形，并将荷载传递至支护结构。在富水砂土地区开展深基坑工程，往往面临着地下水丰富、土层透水性强、土质松软、地基承载力较低等问题，给基坑工程带来大变形问题[1-2]、渗透破坏问题[3-5]，甚至造成支护结构的破坏[6-7]。
本文依托广州新白云国际机场第二高速公路深基坑工程，选取典型施工段，对施工全过程现场监测数据进行详细的分析研究，旨在总结富水砂土地区典型深基坑工程开挖及支护过程中的土体及支护结构变形、内力变化规律，为同类型工程提供参考与借鉴。
一、工程概况
1.1工程背景
广州新白云国际机场第二高速公路北段工程共设置两座明挖深基坑，其中机场北隧道深基坑全长3012m，里程范围K7+468～K10+480，暗埋段长2512m，里程范围K7+738～K10+250；机场南隧道深基坑全长1100m，里程范围K13+470～K14+570，其中暗埋段长825m，里程范围K13+685～K14+510。基坑沿线主要控制点有李溪村、大沙河、机场排洪渠和机场规划区，其中，机场北隧道K9+298~K9+400段临近流溪河流域，水源补给丰富，加之基坑开挖深度较大，在降水开挖过程中受地下水影响较大。
二、工程地质及水文地质条件
2.1工程地质条件
场区内工程地质条件复杂，出露地层较少，地表为第四系全新统坡残积层，河流三角洲冲积层、丘陵间分布冲洪积堆积物。地层岩性变化较为复杂，按从新至老排列，所出露的主要地层有：第四系地层(Q)、石磴子组(CS)和大赛坝组（C1ds）等。
K9+298~K9+400段地层依次为粉质黏土、细砂、粗砾砂、卵石、粉质黏土以及中风化灰岩，其中基坑工程范围内主要为粗砾砂。
2.2气候及水文地质条件
工程位于广州市东北部，地处北回归线以南，属南亚热带季风气候，全年降水丰沛，雨季降雨量大。根据广州市区1951～1993年的气候资料，广州市年平均降雨量1696.5mm，历年最大降雨量2864.7mm，最大月平均降雨量288.7mm，最大日降雨量284.9mm。雨季降雨对河流及地下水补给强烈。
场区内北段较平坦，地表水系较发育，水网较发育。由于受新构造运动影响，河流水系呈北西、北东向展布。其中流溪河呈北东向流经场区，主流全长156km，流域面积2300km2，河面宽约200m。流溪河多年平均径流1235mm，年径流量28.4亿m2，年平均流量90.1m3/s。工程选址区紧邻流溪河，最近处仅相距90m，对场区潜水层地下水补给较强。
场区内地下水的稳定水位埋深多在1～3m，地下水位因气候变化也有所不同，年变化幅度多在2～4m。
三、现场施工方案
3.1基坑支护
K9+298~K9+400段采用1@1.2m钻孔灌注桩+3道水平支撑的支护形式，其中，第1道为混凝土撑，断面尺寸为0.6m
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0.8m，埋深1.1m，水平间距为12m，第2、3道为φ609×16mm钢管支撑，水平间距为3m，竖向间距5m左右。灌注桩顶部采用冠梁连成整体，混凝土撑连接在冠梁上。基坑中部均匀设置两排钢立柱（底部兼做抗拔桩）。支护断面如图1所示。
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图1 K9+298~K9+400段支护断面图
3.2基坑降水
工程中于支护桩外侧布置单排三轴搅拌桩充当止水帷幕，桩径0.65m，桩间距0.45m，沿基坑边布置，桩底深入不透水层中。采用管井降水方式进行基坑内降水。为保证降水效果，考虑止水帷幕的作用，在第一道支撑底以上的基坑土挖除以后进行降水井施工。
选取部分开挖断面建立降水井计算模型，根据地勘资料求得土层渗透系数加权平均值，分别计算得到基坑涌水量（Q）、单井出水量（q）、管井影响半径及数量等，最终确定管井的布置方案为：沿基坑横向方向上管井间距约10m；纵向方向上管井间距约为12m。纵横间距相当，接近于均匀布置。在基坑两侧设置观测井，便于观测止水帷幕内外水头变化、水力联系情况，及时处理渗漏事故。观测井间距为20m。
3.3基坑开挖
本段基坑工程采用明挖顺作法施工，具体施工步骤如下：
（1）由地面施工钻孔灌注桩、抗拔桩及钢格构立柱；
（2）开挖基坑至首层支撑下0.5m处，施工钢筋混凝土冠梁、横向支撑、纵向支撑；
（3）采用退挖法，分段、分层开挖基坑至第二道支撑下0.5m处，并施作第二道横向支撑、纵向支撑及腰梁；
（4）采用退挖法，分段、分层开挖基坑至第三道支撑下0.5m处，并施作第三道横向支撑、纵向支撑及腰梁；
（5）采用退挖法，分段、分层开挖基坑至坑底，并浇筑底板垫层。
开挖过程采用放坡开挖，坡度按土体稳定自然坡率开挖。
四、现场监测情况
4.1监测项目与监测方法
K9+298~K9+400段工程主要监测项目有：
1）桩顶水平位移、沉降及深层水平位移；
2）立柱沉降；
3）支撑轴力；
4）地下水位。
其中，桩顶水平位移采用索佳CX101全站仪进行观测，桩顶沉降与立柱沉降采用索佳CX101全站仪进行测量，桩体深层水平位移采用CX-808F基坑测斜仪进行监测，支撑轴力采用608A轴力计进行监测，地下水位采用SWJ-8090水位计进行观测。基坑开挖阶段监测频率为每天一次，每周汇总为监测周报，每月汇总为监测月报。
4.2测点布置
K9+298~K9+400段测点布置位置见图2所示。其中，红色为监测结果分析部分用到的测点。
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图2 K9+298~K9+400段测点布置位置
五、监测结果分析
5.1支护结构变形
图3为桩顶水平位移随时间变化规律。从基坑开挖开始，桩顶均向基坑内侧发生变形，在开挖后51天左右桩顶水平位移发生明显增大，从施工进度中知道此时已施作第二道水平支撑，正在进行下一层的土方开挖，随着开挖深度的不断增加和水平支撑等支护结构的完成，桩顶的位移得到有效控制，最终稳定在22~28mm左右，小于桩顶水平位移报警值30mm。
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图3 桩顶水平位移随时间变化规律
图4反映了桩顶沉降随时间的变化规律，其中负值表示桩顶沉降。可以看到，基坑刚开挖时部分测点桩顶产生了向上的位移，可能是由于在施工过程中土体挤压使得支护桩发生隆起。在开挖后51天左右桩顶沉降发生明显增大，主要由于此时已施作第二道水平支撑，正在进行下一层的土方开挖。随着开挖深度的不断增加和水平支撑等支护结构的完成，桩顶的沉降得到有效控制，但由于人为测量、坑外堆载、土体固结未完全完成等因素的综合影响，沉降量并未保持绝对的稳定，最终沉降控制在10~15mm左右，小于桩顶沉降位移报警值30mm。
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图4 桩顶沉降随时间变化规律
图5为K9+298~K9+400段在不同开挖阶段的支护桩深层水平位移与深度关系曲线。支护桩深层水平位移测点为ZQT-17-1。可以看出，支护桩侧移均呈“胀肚型”变化规律，每层开挖后支护桩最大侧移分别约为4.6mm、7.2mm及10.0mm，均未达到报警值，表明基坑支护结构效果显著，对基坑降水开挖引起的变形有较好的控制作用。
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图5 不同开挖阶段支护桩深层水平位移
5.2坑外地表沉降
图6为不同开挖阶段下坑外地表沉降随距离基坑距离的关系曲线。可以看出，坑外地表沉降均表现为“凹槽型”变化规律，最大沉降量出现在距基坑边缘约10~15m范围内，与该工程施工设计预测基本符合。不同开挖阶段坑外地表沉降量有显著差别，开挖第三层土方后沉降显著增大。开挖至-5m、-10m及-15m时最大沉降量分别为-0.95mm、-1.80mm及-4.00mm，均在控制值范围内。坑外地表沉降较小的主要原因在于止水帷幕的止水效果较好，坑内降水未引起坑外地下水的明显下降。坑外土体变形主要来源于支护结构以及基底土体的变形。
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图6 不同开挖阶段坑外地表沉降
5.3支撑轴力
图7为该段三道支撑轴力随开挖变化规律，其中，ZCL-12-1为第一道支撑，ZCL-12-2为第二道支撑，ZCL-12-3为第三道支撑。由于频率仪损坏，40天以前的第一道支撑轴力数据缺失。可以看到，总体上说，三道支撑轴力均随着开挖的进行不断增大。第一道支撑轴力从开始的900kN左右不断增大并稳定在2100kN左右，小于3600kN的控制值。第二、三道支撑轴力水平均较小，不超过600kN，同样小于钢支撑轴力控制值。在第170天左右时，开始施工该段主体结构侧墙，第三道支撑进行拆除，拆除后第二道支撑轴力有所增大。
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图7 支撑轴力随时间变化规律
5.4坑外地下水位
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图8 地下水位时空变化曲线
图8反映了基坑开挖过程中的坑外地下水位变化规律，其中正值表示地下水位上升，负值表示地下水位下降。可以看出，在基坑降水开挖期间，基坑两侧坑外地下水位均未出现大幅下降，最大下降幅度均在0.7m范围内，水位变化在控制范围-1.0m~1.0m内。这是由于该区段止水帷幕深入不透水层中风化灰岩层内约3m，完全隔断了基坑内外的水力联系，即基坑内部降水不会对坑外地下水位造成影响。监测结果表明止水帷幕的止水效果显著，在基坑降水开挖过程中未发生渗漏等现象。
6结论与建议
基于对广州新白云国际机场第二高速公路北段工程K9+298~K9+400段深基坑开挖与支护引起基坑与支护结构的内力与变形响应现场监测数据分析，可以看到，该段施工全过程中基坑及支护结构变形、支撑轴力、地下水位变化均满足规范要求，支护结构设计与施工方案合理，基坑降水效果较好。现场施工方案对相似背景、同类型工程具有一定的指导与借鉴意义。
富水砂土地区深基坑工程，往往面临地下水位高、土质较差的问题，不仅会造成基坑和支护结构变形过大，甚至会产生基底涌水涌沙、支护结构局部破坏失效等问题，严重威胁工程安全。施工中应注意：①严格按照设计进行开挖与支护，先撑后挖，禁止超挖；②严格按照设计进行止水帷幕施工，确保施工质量，防止地下水渗漏；③重视现场监测与数据分析，根据监测结果及时调整现场施工。
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作者简介：陈峰（1985-），男，山东枣庄人，硕士，工程师，主要从事高速公路建设与管理工作。