金融街 (月坛) 中心是北京金融街跨越二环西拓发展战略实施的第1项工程, 建成后将成为集银行、商业、办公、餐饮以及体育休闲为一体的城市综合体。基坑开挖面积3.47万m², 总建筑面积39.7万m², 包括5栋100m的办公楼和1栋15m的体育馆, 如图1所示。整体设5层地下室, 基坑大面开挖深度27.93m, 局部电梯井坑深达32.15m。土方量约95万m³。

该项目位于北京市西城区西二环月坛南桥西北角, 东侧紧邻西二环辅路, 主路下有正在运营的地铁2号线, 且地铁风亭及附属结构距基坑最近处仅7.5m;南侧为月坛南街, 与北京儿童医院隔路相望, 车流、人流密集;西侧为月坛公园;北侧与回迁7号楼住宅同一基坑施工;东北侧距月坛体育馆约15m;东侧有1条8m×3.6m的盖板河穿越场地内, 沟内底标高-6.600m, 覆土3m, 施工前需将其改移出结构边线。复杂的场地周边环境对基坑变形控制提出了非常严格的要求。

岩土工程勘察报告显示:场区地层主要为 (1) 人工填土层; (2) 一般第四纪冲洪积层, 以卵石层为主, 粒径一般20~40mm, 粒径大, 分布厚。地层岩性特征参数如下: (1) 杂填土层稍湿, 稍密, 含有大量砖块、灰渣、建筑垃圾及生活垃圾, 局部夹素填土 (1) ₁层, 厚度0.8~7.9m。 (2) 粉质黏土层可塑, 含云母、铁锰质氧化物, 局部夹 (2) ₁中细砂, 厚度1.1~5.8m。 (3) 卵石层密实, 湿~饱和, 呈浑圆状, 粒径一般20~40mm, 最大70mm, 充填30%细砂及大量黏性土, 局部夹粉质黏土 (3) ₁层, 厚度1.6~5.9m。 (4) 卵石层密实, 湿~饱和, 呈浑圆状, 粒径一般20~40mm, 最大80mm, 充填30%粗砂及少量黏性土, 厚度14.3~21.5m。 (5) 粉质黏土层可塑, 含云母、铁锰质氧化物, 局部夹中细砂 (5) ₁层, 厚度1.8~8.9m。 (6) 卵石层密实, 饱和, 呈浑圆状, 粒径一般20~40mm, 最大100mm, 充填30%粗砂及黏性土, 厚度3.3~17.1m。 (7) 砾岩层强风化, 泥质胶结, 块状构造, 岩芯呈短柱状、碎块状, 砾岩主要成分为砂岩、灰岩、石英岩、花岗岩等, 磨圆度较好, 一般4~7cm, 最大为15cm。

工程地质剖面如图2所示, 基坑支护设计参数如表1所示。

勘探深度范围内 (80.0m) 共有2层地下水, 影响本工程的地下水为潜水, 埋深为20.0~21.8m。根据抽水试验报告, 潜水含水层渗透系数取值为240m/d, 属于高渗透系数地层。工程场区潜水及承压水天然动态类型属渗入-径流型, 主要接受地下水侧向径流方式补给。由于砂卵石渗透系数大, 地下水侧向补给快, 地下水对基坑施工影响相对较大。

基坑支护设计的原则:安全适用、保护环境、技术先进、经济合理、确保质量。本工程基坑属于超深超大基坑, 基坑西侧的南礼士路和南侧的月坛南街均为城市主干道, 东侧的西二环以及地铁2号线均为重点保护对象, 北侧的7号楼先期施工, 也处于基坑开挖影响范围内。因此, 基坑周边环境复杂, 基坑安全至关重要, 基坑支护侧壁安全等级按一级考虑, 重要性系数取1.10。基坑支护采用1 000@1 500护坡桩+5道预应力锚索, 结合高压旋喷桩和袖阀管注浆组合式止水帷幕的形式。坑内设多条临时土坡道, 坡度1∶7。基坑支护平面如图3所示。

本工程开挖范围-20m至槽底范围内存在1层潜水, 富含于砂卵石层, 砂卵石最大粒径达到100mm, 在卵石层较厚且粒径较大的高渗透系数富水地层目前仍无有效可靠的止水帷幕。为解决地下水对基坑开挖的影响, 采用旋喷-袖阀组合式止水帷幕, 即高压旋喷桩利用高压通过旋转的喷嘴将水泥浆喷入地层形成水泥土加固体填充桩间空隙;外排袖阀管形成封闭挡墙, 内排钢质袖阀管注浆通过渗透、压密、劈裂等方式进一步填充砂卵石空隙, 二者优势组合, 形成封闭止水帷幕。如图4所示。

东侧由于盖板河的影响并基于对地铁的保护, 采用6道预应力锚索, 并增大锚索长度, 采取二次注浆等措施控制重点保护区域的变形量。

基坑周边邻近市政主干道及建 (构) 筑物, 环境变形控制要求严格, 采用1 000@1 500护坡桩 (538根) 。桩身混凝土强度等级为C30 (水下) 。护坡桩施工采用5台ZR220型旋挖钻机成孔;部分区域由于地下障碍物影响旋挖难以钻进, 改用冲击钻进。历时3.5月, 完成全部桩基施工。

止水帷幕采用高压旋喷桩和袖阀管注浆组合式止水帷幕。由于砂卵石较厚, 为保证旋喷桩有效搭接, 高压旋喷桩设计直径1.2m, 桩间距1.5m, 采用三重管高压旋喷桩机施工。袖阀管注浆设计扩散半径0.65m, 采用水泥和水玻璃双液浆体, 水泥为P·O42.5普通硅酸盐水泥。水灰比为1∶1, 水泥与水玻璃配合比为1∶1~1∶0.8, 水玻璃浓度为40~45°Be'。

高压旋喷桩和袖阀管注浆施工前需要预成孔, 施工前期采用XY-100型地质钻机带动小型组合牙轮钻进行试钻进, 由于砂卵石粒径大, 钻头需将石头磨碎才能继续钻进, 钻进较慢 (48h/孔) , 成孔效率低, 且易塌孔。针对砂卵石地层常规地质钻机引孔难、垂直度难以保证及易塌孔的问题, 引孔采用锚杆钻机套管护壁带水冲击钻进, 然后拔出钻杆, 下入带眼定制PVC脆性管后再拔钢套管, 完成引孔、护壁作业。

前期通过围井抽水试验表明:根据抽水试验数据得到, 高压旋喷桩止水帷幕渗透系数在5.48m/d, 比地质勘察报告240m/d提高约44倍。袖阀管注浆渗透系数在2.32m/d, 比地质勘察报告240m/d提高约103倍。因此, 在本地层中采用单一止水帷幕均难以满足完全止水要求 (1×10^-6cm/s) , 必须采用多道组合式止水帷幕。根据最终实施效果, 旋喷桩和袖阀管注浆组合式止水帷幕在本工程场地内的扩散半径基本满足止水要求, 注浆扩散体的止水效果良好, 基本无渗漏。

高压旋喷采用GS400三重管高喷台车 (高压泵PB-90) 完成高压旋喷桩的施工。

袖阀管施工在高压旋喷桩施工完毕后进行。通过钻孔、浇筑套壳料、插入袖阀管、注浆等工序完成一次袖阀注浆。套壳料配合比为:水泥∶黏土∶水=1∶1.5∶1.89。采用快速法开环, 自下而上分段进行注浆。本工程中间1排袖阀管采用钢质袖阀管, 一次注浆完成后冲洗干净盖帽保护, 后续如果局部区域帷幕渗漏可采取二次注浆进行堵漏, 减少后续再次引孔作业。

土方开挖与锚索施工紧密配合, 基坑周长750m, 共分5个区段, 采取分区分段流水施工, 锚索施工紧随其后, 待锚索强度达到设计要求的75%后方可开挖下一步土方。

基坑土方共95万m³, 现场周边共设5个大门, 设4个临时土坡道 (坡度1∶7) 。随着土方开挖的进行, 将土坡道进行临时倒换, 动态调整, 便于坡道下上部3道锚索施工提前插入。最终留置1条单向坡道于5号楼区域, 采用长臂挖掘机和汽车式起重机+吊斗等方式加快收坡道速度。最终收坡道时进入冬期施工, 采取在注浆液中加入早强剂或采用快硬早强水泥, 缩短锚索养护时间。2013年1月25日开始土方开挖, 2013年6月15日2号楼首先开挖到槽底, 2013年12月最后坡道收完。

考虑到基坑超深、周边环境复杂, 基坑监测等级为一级, 基坑施工现场监测点平面布置如图5所示。

监测时间自2013年1月进行表土开挖至2014年6月肥槽回填完成。以下针对支护结构水平位移、垂直沉降、护坡桩测斜等进行初步分析。

1) 支护桩水平位移 (见图6)

监测曲线揭示, 支护桩顶最大位移达到22mm。肥槽回填采用C15素混凝土分层回填完成后才拆除上部1道钢腰梁, 保证基坑变形处于设计要求25mm限值内。

2) 支护桩沉降 (见图7)

监测曲线揭示, 未开挖前, 随着时间的推移, 整个桩体发生沉降, 但沉降量很小。随着基坑的不断开挖, 桩体出现上浮趋势, 这与土体开挖导致卸荷使土体发生反弹有关。当基坑开挖完毕后, 逐渐趋于稳定。支护桩沉降最大值13.5mm<15mm, 满足设计及规范要求。

3) 护坡桩测斜

根据护坡桩测斜曲线, 各道锚索内力在基坑土方开挖期间有一定范围的波动, 这主要与基坑土方开挖及锚索的施工导致受力状态的变化有关, 在开挖后期及开挖完成后锚索内力较为稳定。基坑变形的相关监测指标随着基坑的开挖基本呈现增长趋势, 在基坑开挖前期增长速度较快, 在开挖后期, 随着地下室结构的施工, 各项指标达到收敛和稳定状态。桩身最大位移为46.3mm<50mm, 同设计计算桩身最大位移47.5mm基本吻合。

为确保基坑安全, 在进行基坑位移监测的同时, 还根据监测数据分析基坑变形规律, 预测变形趋势和最终位移值, 以提前发现异常, 及时采取预防措施, 避免事故发生。

目前常用的基坑变形分析预测方法和模型主要有回归分析法、时间序列分析法、灰色模型、人工神经网络模型等, 本工程采用回归分析法对监测数据进行分析, 并预测基坑变形趋势及最大位移量。

回归分析的主要步骤为:确定变量→建立回归方程→分析相关关系→计算预测值→分析预测误差。本工程以监测时间为自变量, 根据工程经验, 确定以指数形式的非线性回归模型分析位移变形趋势, 其回归方程为y=ae^b/t, 其中y为累计位移量, t为监测时间, a, b为待定系数。根据基坑开挖前期的监测数据, 利用Matlab进行曲线拟合, 得到位移回归曲线方程。以测点WS4的监测数据为例, 得到的回归分析曲线与实测位移曲线如图8所示。

本工程对基坑开挖前期监测数据进行回归分析, 得到对应的位移回归分析曲线, 并预测开挖后期变形趋势及开挖到底时的最大位移值为22.95mm, 满足规范和设计要求。基坑开挖后期的实际变形趋势和最大位移值 (20.9mm) 也与预测结果基本吻合, 可见回归分析结果可靠, 基坑设计及施工安全合理, 有效保证了工程的顺利进行。

本工程重点监测地铁隧道及轨道竖向变形, 监测项目累计变形最大值如表2所示, 均满足规范及设计限值。

轨道结构竖向变形采用自动化监测。根据自动化监测数据, 累计变形最大点G2, 累计变形量为-0.50mm<1.0mm, 满足变形控制要求。

整体监测结果和设计预期基本一致, 尤其是需要重点保护的地铁侧变形均达到预期效果, 保证了工程顺利进行。

1) 基坑超深且紧邻运营地铁, 采用护坡桩+预应力锚索的联合支护体系在北京类似地层条件下比较适宜、稳定和经济。

2) 采用高压旋喷桩与袖阀管注浆相结合的组合式止水帷幕可处理类似高渗透富水地层地下水控制难题。

3) 现场施工表明, 对于超大粒径超厚砂卵石地层, 高压旋喷桩和袖阀管注浆引孔需要选用锚杆钻机带套管冲击钻进, 方可达到成孔护壁的目的。

4) 对于处于市中心的超大超深基坑, 多开大门、多设坡道, 并且根据现场施工进程灵活动态调整土方运输坡道, 统筹考虑, 合理安排锚索插入, 方可快速出土, 满足施工进度要求。

5) 现场监测数据表明, 对于上部土层的开挖卸荷, 造成护坡桩显著上抬隆起, 对此需要给予充分重视, 在今后类似工程设计与施工中, 护坡桩顶部的整体性必须重点关注。

6) 在基坑监测的同时可利用监测数据回归分析基坑变形的规律, 预测变形的趋势和最终的位移值, 以提前发现异常, 及时采取预防措施, 避免事故发生。