彭沉彬 姜瑜 张志 毕强 张海伟

1.北京市首发高速公路建设管理有限责任公司 100071 2.北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082 3.北京市勘察设计研究院有限公司 100038

北京市某环路改造工程，全长约16.0km，其中隧道长度约9.145km，地下道路采用明挖及盾构法施工方案（明挖段落里程为K5 ＋180 ～K6 ＋135、K13 ＋919 ～K14 ＋325，盾构区间为K6 ＋315 ～K13 ＋919）。全线共设置主线隧道2座（左右线），计入两端U型槽后总长9610m，隧道全线共设3 个盾构工作井。

2.1 中间盾构工作井支护设计

考虑基坑挖深较深、施工场地狭窄及周边环境保护要求较高等特点，总体采用逆作法施工工艺［1，2］。中间盾构工作井基坑长度25m，宽度58m，主体顶板覆土厚度约3.0m，底板埋深约43.2m，基坑开挖深度约为43.4m。中间盾构工作井基坑具有超深、粉细砂地层渗透性强等特点。为保证基坑围护结构安全，围护结构采用地下连续墙，地下连续墙厚度1.5m，长度69m，结合基坑稳定性及抗渗流止水需要嵌入坑底以下30m，采用水下C35 钢筋混凝土（地表以下15m内采用水下C40）。地下连续墙与结构内衬墙采用叠合构造，逆作法施工。坑内设大约4 口疏干降水井，坑外设监测井兼应急井。

工作井基坑根据开挖深度设置6 道钢筋混凝土内支撑，基坑东、西两侧设置钢筋混凝士支撑，中部利用主体结构层板设置钢筋混凝土板撑。混凝土支撑围檩均与运营期框梁结合使用。地下连续墙顶部设一圈封闭的钢筋混凝土圈梁，混凝土圈梁直接采用永久结构顶板环框梁。支撑采用对撑＋角撑结合布置，对撑跨度超过20m，在支撑跨中设置格构柱（格构柱截面尺寸600mm ×600mm，角钢采200 ×200 ×24）。格构柱采用φ1100 钻孔灌注桩作为基础（格构柱基础钻孔灌注桩按永久结构设计，兼做盾构工作井施工及运营期的抗拔桩）。

2.2 周边环境及风险源

中间盾构工作井现状位置为绿地，东侧为现状环路（高架桥），基坑距环路边线约25.2m。西侧为环路西辅路，基坑距环路西辅路道路边线约16m，周边无其他建构筑物。

现况环路西侧路下分布市政管线，如电力、电信、雨水管等，其中临近基坑的一根DN500次高压燃气管埋深约为2m，距离基坑边最小距离约为16.03m。经初步与相关产权单位沟通，采用微型钢管桩隔离措施解决基坑开挖影响问题。

2.3 地形地貌及地质条件

工程整体地形较为平坦，局部有起伏。拟建场地现状地面下91.0m深度内的地层划分为人工填土层、新近沉积地层及一般第四纪冲洪积层，按地层岩性及其物理力学性质指标进一步划分为9 个大层。现状地面标高约为20.15m ～20.88m，开挖深度范围内地层基坑开挖土层主要为②层粉土、③细砂、④细砂、⑤层粉质黏土层，坑底位于⑥2层可塑粉质黏土层中，⑥2层以下为深厚⑦、⑧、⑨强透水饱和粉细砂层，基坑的涌水、涌砂风险较大。

地下水类型按赋存条件主要为基岩裂隙水和第四纪松散层孔隙水，第四纪松散层孔隙水又分为上层滞水、潜水或层间潜水、承压水；
其中潜水（二）稳定水位深度5.20m ～9.30m，稳定水位标高10.58m ～13.30m；
层间潜水（三）稳定水位深度16.60m ～19.40m，稳定水位标高1.50m ～3.28m；
承压水（四）稳定水位（水头）深度12.80m ～13.50m，稳定水位标高4.48m ～4.80m。

为确保在基坑开挖期间基坑支护结构及周边环境的安全，为建设单位对工程建设风险管理提供支持，通过安全监测、巡视工作，较全面地掌握工程的施工安全控制程度，对施工过程实施全面监控和有效控制管理。在本工程施工期间，对基坑支护结构、周围重要的地下管线、地面道路等实施变形监测和巡视。

监测点的布置本着“全面监测，重点突出”的原则，优先布置重点风险部位、能够全面反映工程安全状态的重要部位和影响强烈的区域，并与工筹相结合：测点布置按照工筹的施工顺序，与现场施工相结合进行布置。监测点特征点位图及围护结构纵断面图见图1。

图1 监测点平面位置图及围护结构纵断面图（单位：
m）Fig.1 Plan location of monitoring points and longitudinal section of enclosure structure（unit：m）

4.1 基坑施工工况

基坑于2020年10月开始开挖，分6 层开挖，采用抓斗吊进行土方开挖，每层混凝土支撑及混凝土支撑围檩施工完成后，对上部结构侧墙进行施工。表1 为工程的施工时间节点。

表1 施工时间节点Tab.1 Construction time nodes

4.2 监测成果分析

1.墙顶水平位移监测

2021年3月7日，墙顶水平位移累计变形量最大监测点为ZQS-08＃监测点，位于基坑西侧中部，累计变形量10.95mm。变形曲线见图2。

从图2 可以看出，基坑开挖深度约19m，第三道混凝土撑施工完成，负二层侧墙支模阶段，墙顶水平位移变形较小，累计变形量在5mm内。随着基坑开挖深度的增加，第四层混凝土撑及负三层侧墙施工完成后，地下连续墙受到的荷载逐步增加，墙顶水平位移增大，变形量速率较为稳定，至第五层土方开挖完成时累计变形量达到约11mm。

图2 墙顶ZQS-08 测点水平位移曲线Fig.2 Horizontal displacement curve of ZQS-08 measuring point on wall top

2.墙体水平位移监测

2021年3月5日，墙体水平位移累计变形量最大为ZQT-08 监测点，位于基坑西侧中部。该点累计变形量13.21mm，位于6m 深部位，与ZQS-08 监测点位置处于同一监测断面，变形曲线见图3。

图3 墙体ZQT-08 测点水平位移曲线Fig.3 Horizontal displacement curve of wall ZQT-08 measuring point

从图3 可以看出，地下连续墙随着基坑开挖深度增加，在坑外主动土压力的作用下［3］，使地下连续墙向基坑内呈现不同程度的偏移。

在施工的第四阶段，第二层支撑施工完成后，负一层侧墙绑筋，基坑开挖至第三层支撑部位（深度约18m），墙体最大位移出现在开挖深度的一半部位，最大值为13.11mm，负一层侧墙的浇筑完成后，该部位墙体水平位移未见明显增加。通过与北侧盾构工作井（顺作法施工）墙体位移监测数据（图4）对比分析，逆作法施工墙体位移最大变形部位并非出现在开挖面部位。并且与顺作法等其他施工方法相比，逆作法施工的基坑墙体位移要小得多，分析应是逆作法施工基坑支护及时，每开挖一步土上一层结构侧墙立即进行施工，结构侧墙永久结构刚度比顺作法临时支撑刚度大的缘故［2，3］。

图4 北侧盾构井墙体位移测点水平位移曲线Fig.4 Horizontal displacement curve of wall displacement measuring points of shield shaft in the north

3.支撑内力监测

2021年3月7日，西侧北部靠近基坑内侧的角撑，第一道混凝土支撑轴力（ZL1-1）最大值978.7kN；
第二道混凝土支撑轴力（ZL1-2）最大值1076.5kN，支撑轴力变化曲线见图5。

图5 支撑内力变化曲线Fig.5 Variation curve of support internal force

从图5 可以看出在开挖初期，开挖深度较浅，支撑内力没有较大的变形。当第二道支撑施工完成，负一层侧墙结构绑筋施工，土方开挖至下部时，第一层支撑轴力呈现较大的增长。负一层侧墙施工完成，强度上来后，第一道支撑轴力变化趋于平缓，有小幅下降，最后基本趋于平稳。

第二道支撑轴力变化情况与第一道基本相同，在支撑下部侧墙结构强度尚未达到设计值时，随着基坑的开挖，支撑轴力变化较大，当侧墙结构刚度上来后，侧墙上部支撑轴力变化开始趋于平稳，中间局部有反复情况。土方开挖顺序、支撑及侧墙结构的浇筑顺序对支撑轴力有较大影响，不同时刻支撑轴力最大值的位置不同，而且随着开挖的进行轴力值会先增大后减小。

4.墙顶沉降监测

2021年3月7日，墙顶沉降累计变形量最大监测点为ZQC-08，位于基坑西侧中部，变形量为－6.00mm，与ZQS-08 监测点位置处于同一监测断面，变形曲线见图6。

图6 墙顶ZQC-08 测点沉降曲线Fig.6 Settlement curve of ZQC-08 measuring point on wall top

由图7 可以看出，基坑开挖约18m，第三道混凝土撑施工完成，负二层侧墙支模阶段，墙顶沉降变形较小。随着第四层混凝土撑及负三层侧墙施工完成后，地下连续墙受到的荷载越来越大，墙顶沉降变形逐步增大。

图7 燃气管线RQ-03 测点沉降曲线Fig.7 Settlement curve of RQ-03 measuring point of gas pipeline

与顺作法等其他施工方法相比，逆作法墙顶沉降未产生明显上浮现象。由于地下连续墙顶部设一圈封闭的钢筋混凝土圈梁，混凝土圈梁直接采用永久结构顶板环框梁，因此地下连续墙承受荷载随结构侧墙及混凝土圈梁施工逐步增大。逆作法施工土方施工较慢，土体卸载对地下连续墙产生的回弹影响与地下连续墙承受荷载增加造成的下沉影响相互抵消，所以地下连续墙未产生上浮现象，并且随着荷载增加逐步呈现下沉趋势。

5.周边燃气管线沉降监测

燃气管线监测点位于基坑西侧，采用微型钢管桩隔离措施解决基坑开挖影响问题。

2021年3月7日，周边燃气管线沉降变形量最大监测点为RQ-03＃监测点，累计沉降变形量为－4.54mm，变形曲线见图7。

通过参照基坑西侧支护结构及周边地表沉降监测数据，由图7 可以看出：西侧燃气管线监测点受墙体变形导致的土体变形影响，整体呈现均匀沉降趋势。基坑逆作法施工墙后土体总体下沉损失很小，且基坑与管线间采用微型钢管桩隔离措施，进一步减弱了基坑开挖对西侧燃气管线的沉降影响，燃气管线沉降监测数据整体处于变形稳定状态。

由于基坑面积小，基坑东西侧采用角撑、中间部位采用板对撑形式，对围护结构计算分为角撑单元、板对撑单元，结合现场监测数据，西侧角撑部位各监测项目累计变形较大，因此对角撑进行计算分析。

按弹性抗力法中的m 法计算［7］各施工工况地下连续墙的土压力、水平位移和各道支撑的支撑力，计算时考虑当各工况墙体已经发生的变形和已设支撑所受的支撑力。开挖阶段针对不通过地质条件采用水土合算或分算，并取静止水土压力，坑外附加荷载取30kPa，数值模拟计算中土层信息、支锚信息详见表2、表3。

表2 土层信息Tab.2 Soil layer information

表3 支锚信息Tab.3 Anchor support information

根据施工顺序，至2021年3月7日，各开挖阶段分为以下计算工况，基坑西侧中部计算点各工况计算结果详见表4。

表4 基坑西侧中部计算点各工况计算结果Tab.4 Calculation results of various working conditions of calculation points in the West and middle of foundation pit

现场监测数据、基坑开挖数值模拟计算结果对比见表5。

表5 西侧地连墙墙体位移监测数据与数值模拟对比Tab.5 Comparison of displacement monitoring value and simulation value of West diaphragm wall

由表5 可以看出，本工程在基坑开挖至第四层支撑施工期间，墙体位移现场监测与数值模拟发展趋势及累计变形量接近。在第四层支撑浇筑完成后，未进行下一步土方开挖，随即对负三层侧墙进行浇筑，基坑内部除底部外形成一个封闭结构，停工期间对支撑及侧墙进行养护，期间地下连续墙墙体位移未见明显变形。复工对第四层支撑下部土方进行开挖，地下连续墙墙体位移出现较小变形，现场监测累计变形量小于数值模拟。经分析复工时地下连续墙墙体结构刚度已经达到设计值，进而减小了地下连续墙的变形。

通过对北京某环路改造工程盾构施工准备标中间盾构工作井基坑开挖阶段监测数据的分析，结合逆作法、顺作法中墙体水平位移监测的数据对比，并将现场监测数据与数值模拟进行对比分析，得到如下结论：

1.逆作法施工墙体位移最大变形部位并非出现在开挖面部位；

2.与顺作法等其他施工方法相比，逆作法施工的基坑墙体位移较小；

3.在支撑下部侧墙结构强度尚未达到设计值时，随着基坑的开挖，支撑轴力变化较大，当侧墙结构刚度上来后，侧墙上部支撑轴力变化开始趋于平稳，中间局部有反复情况；

4.土方开挖顺序、支撑及侧墙结构的浇筑顺序对支撑内力有较大影响，不同时刻支撑内力最大值的位置不同，而且随着开挖的进行内力值先增大后减小；

5.与顺作法等其他施工方法相比，逆作法墙顶沉降未产生明显上浮现象。

采用逆作法施工能够加大支护结构的强度，对地下连续墙墙体以及墙后土体水平位移起到了较大的限制作用。此外超深基坑在施工过程中，还应密切关注支护的“时效性”，避免基坑开挖周期过长，基坑支护不及时等情况发生，对保证基坑支护结构稳定及减少对周边环境的影响极为有利。

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