復(fù)雜條件下深基坑施工變形控制及周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)分析

賀 俊，楊 平，張 婷

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，南京210037)

隨著城市建設(shè)規(guī)模的不斷發(fā)展，深基坑開挖工程越來(lái)越多，基坑開挖時(shí)產(chǎn)生的地層變形受到巖土特性、開挖面積、開挖深度、基坑形狀、周邊載荷和支護(hù)結(jié)構(gòu)形式等諸多因素影響，帶來(lái)的環(huán)境影響問(wèn)題仍然是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性、高風(fēng)險(xiǎn)性、高難度的巖土工程技術(shù)熱點(diǎn)［1］。當(dāng)場(chǎng)地地質(zhì)條件差異較大、周邊建筑物密集時(shí)，深基坑開挖中的變形控制與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)工作顯得尤為必要。本文結(jié)合江陰某深基坑工程實(shí)例，從圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工過(guò)程的信息化控制等內(nèi)容出發(fā)，深入探討復(fù)雜條件下深基坑施工的變形控制問(wèn)題［2］。

1 工程概況

該工程位于江陰市人民醫(yī)院東，北鄰環(huán)城北路，東西長(zhǎng)134.2 m，南北向?qū)?0.0 m，主樓為框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，采用樁筏基礎(chǔ)，總建筑面積7萬(wàn) m2?；娱_挖深度主樓部分10.0 m左右、設(shè)備用房部分5.9 m。地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)甲級(jí)，建筑結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，地下室二級(jí)防水，工程安全等級(jí)為二級(jí)，抗震設(shè)防乙類。

1.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)巖土工程勘測(cè)報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)各巖土分為9個(gè)土層，開挖深度范圍主要為:①雜填土，松散，厚度1.6～4.5 m;②粉質(zhì)黏土，軟塑 ～可塑，具中等壓縮性，層厚0～1.7 m;③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，流塑狀態(tài)，高壓縮性土，分布于擬建區(qū)中部，層厚0～10.9 m;④粉質(zhì)黏土，可塑狀態(tài)，主要分布于軟土區(qū)，層厚0～1.9 m;⑤粉質(zhì)黏土，可塑～硬塑狀態(tài)，具中等壓縮性，軟土較深處缺失，層厚0～7.2 m。

工程勘察報(bào)告指明基坑開挖范圍內(nèi)的土層滲透性較低，是良好的不透水層，對(duì)基坑開挖影響不大。

1.2 周邊環(huán)境概況

該工程位于市區(qū)，由密集分布的建筑物和城市主干道包圍:東、南為6層民宅區(qū)，磚混結(jié)構(gòu)，天然基礎(chǔ)，距基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)最近為6.9 m;西側(cè)緊靠14層的原病房大樓，一層地下室距基坑僅2.4 m;西北側(cè)為7層后勤樓，天然基礎(chǔ)，距基坑僅2.8 m;北側(cè)為環(huán)城北路，距基坑12.1 m;場(chǎng)地內(nèi)無(wú)重要地下管線，僅在北側(cè)環(huán)城北路一帶分布有雨水、電力等市政管線，其距離基坑一倍開挖深度以外。根據(jù)土質(zhì)情況分析，當(dāng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)不失效或者無(wú)突發(fā)流砂的情況下，可認(rèn)為基坑開挖對(duì)管線不造成影響。本基坑工程周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 基坑周邊環(huán)境

1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

基坑實(shí)際開挖深度10 m左右，周邊建筑物和土質(zhì)情況差別較大，考慮經(jīng)濟(jì)性原則下圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)按照不同分段進(jìn)行，大部分段位采用φ700@1 000 mm鉆孔灌注樁支護(hù)形式，將基坑周邊分為 A—B、B—C、C—D、D—E、E—F、F—A六段，每段的支護(hù)形式如表1所示。

在支撐體系設(shè)計(jì)中，考慮到在暗河軟土段，如果采用錨桿，需要錨桿有很長(zhǎng)的長(zhǎng)度才能保證足夠的錨固力，并且由于軟土流變特性明顯，錨桿內(nèi)力將隨時(shí)間的發(fā)展而衰減，隱患較大，因此采用內(nèi)支撐對(duì)撐形式。如果采用兩道內(nèi)支撐，則挖土不便，因此采用一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，同時(shí)基坑?xùn)|側(cè)南北角采用角撐。

表1 基坑各段支護(hù)結(jié)構(gòu)形式

1.4 基坑開挖重點(diǎn)

根據(jù)工程實(shí)際情況，確定本基坑開挖有以下幾個(gè)重點(diǎn):

1)本基坑平面大，周長(zhǎng)長(zhǎng)，形狀不規(guī)則，開挖深度存在高差，空間效應(yīng)比較明顯，尤其應(yīng)慎防側(cè)壁中段變形過(guò)大。

2)基坑局部有軟土分布，深度由北向南逐漸變深(北面5.0 m，南面14.0 m)，該區(qū)域內(nèi)的軟土具有很強(qiáng)的流變性，時(shí)空效應(yīng)明顯，是基坑開挖的重點(diǎn)之一。

3)基坑位于市區(qū)內(nèi)，周邊分布建筑物和城市主干道，如產(chǎn)生問(wèn)題影響很大。

4)各側(cè)壁具體情況還有不同，如有的側(cè)壁距離房屋很近，有的側(cè)壁則比較空曠，基坑設(shè)計(jì)根據(jù)不同的周邊環(huán)境及地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)“安全、經(jīng)濟(jì)、科學(xué)”的設(shè)計(jì)目標(biāo);特別是D—E段14層老病房大樓距離基坑極近，采用天然基礎(chǔ)，基底以下開挖深度近7 m，是本次基坑開挖的重中之重。

5)基坑有東西向后澆帶，與混凝土橫支撐方向垂直，將基坑南北向劃分為3塊，基坑南側(cè)建筑物密集，在支撐拆除過(guò)程中，如何實(shí)現(xiàn)該底板的換撐作用，控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，是本工程的關(guān)鍵。

總之，本基坑工程開挖部位土質(zhì)大部分較好，中段有一段淤泥質(zhì)軟土，周邊建筑物密集且離基坑壁非常近，現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地狹小加之工期較緊(2008.12—2009.7)，施工過(guò)程中變更很多，這就增加了施工的復(fù)雜性，由此基坑監(jiān)測(cè)工作尤為重要。

2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

基坑開挖過(guò)程中監(jiān)測(cè)內(nèi)容分兩部分:

1)基坑圍護(hù)體系監(jiān)測(cè)包括:①深層土體位移，布測(cè)斜管14根;②樁頂水平位移，布24點(diǎn);③混凝土支撐軸力，布混凝土應(yīng)變計(jì)3點(diǎn)。

2)周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)包括:①周邊建筑物沉降，布沉降點(diǎn)46點(diǎn);②周邊道路沉降，布沉降點(diǎn)14點(diǎn)［3］。

2.1 基坑穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)

基坑從2008年12月1日從東側(cè)由南向北開挖到2009年7月11日地下室主體結(jié)構(gòu)施工完成，在整個(gè)施工過(guò)程中，基坑的變形主要與土質(zhì)狀況、周邊荷載和現(xiàn)場(chǎng)施工有關(guān)，集中在兩處:①B—C段，暗河段淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土且后澆帶東西向分布處;②D—E段，老病房大樓處。

圖2、圖3所示分別為B—C段深層土體水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及混凝土支撐軸力的變化情況，測(cè)點(diǎn)正好處于暗河段，從2008年12月3日開挖到12月23日挖到基底高程位置，水平位移最大變形在基底高程附近9 m深處為9.3 mm。變形較大原因是:現(xiàn)場(chǎng)施工場(chǎng)地狹小，挖土沒(méi)按分層分段、先中間后四邊、對(duì)稱開挖的原則進(jìn)行，有超挖現(xiàn)象，加之暗河段軟土區(qū)流變，導(dǎo)致水平位移變形較快，支撐軸力在開挖初期變化很快，從－720 kN猛增至－1 900 kN(負(fù)值表示受壓)，鑒于以上產(chǎn)生的變形和軸力較大，要求施工單位加快施工進(jìn)度，底板基礎(chǔ)在2009年1月17日澆筑完畢，其后到3月9日中板澆筑完畢期間，軸力變化較穩(wěn)定，水平位移變形不大，但變形最大處由10 m深處上升到6 m深處，原因是基礎(chǔ)底板澆筑后，基底處起到支撐作用。

圖2 CX09測(cè)點(diǎn)深層土體水平位移

圖3 Z1測(cè)點(diǎn)混凝土支撐軸力

此段基坑施工中最大的險(xiǎn)情為:原設(shè)計(jì)方案中混凝土支撐體系是一次全部拆完，但由于東面施工進(jìn)度較快，支撐分兩次拆除(后澆帶分布如圖1)，3月19日開始拆除東面角撐和一道橫撐，拆撐順序是先橫撐再角撐?？紤]到周邊建筑物離得較近，在中板與支護(hù)樁間澆筑混凝土傳力塊換撐，水平間距3 m。拆除前后水平位移最大變形處由6 m深處上升到3 m深處，位移 達(dá) 8.1 mm，支 撐 軸 力 從 －1 800 kN增 至－2 400 kN超過(guò)報(bào)警值 －2 280 kN。變形較大原因在于:①所拆橫撐地處暗河段軟土區(qū);②基礎(chǔ)底板南北向中間留了2條東西向后澆帶，底板被分割成3小塊，支撐拆除后一側(cè)土壓力由小塊基礎(chǔ)底板承擔(dān);③拆撐速度過(guò)快，只有3 d。5月17日第二次支撐拆除，測(cè)得剩下橫撐軸力達(dá)到－2 150 kN，水平位移累計(jì)變形也達(dá)到了20.5 mm，吸取第一次拆撐經(jīng)驗(yàn)，在基礎(chǔ)底板后澆帶與原傳力塊同一軸線處澆筑混凝土傳力塊，使底板能夠形成整體受力，同時(shí)放慢拆撐速度，加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，經(jīng)實(shí)測(cè)支撐拆除前后水平位移最大僅4.5 mm，相對(duì)第一次拆撐變形大為減小，表明該措施有效地控制了支護(hù)結(jié)構(gòu)變形［4］。

7月11日東側(cè)頂板澆筑后兩個(gè)月，CX09測(cè)點(diǎn)變形穩(wěn)定不再變化，總變形為26.6 mm，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)是10 mm，超過(guò)設(shè)計(jì)值的原因在于:挖土沒(méi)按規(guī)范進(jìn)行，拆撐過(guò)程由一次變更成兩次，基坑暴露時(shí)間遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)值。

圖4所示為D—E段深層土體水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化情況，測(cè)點(diǎn)處于老病房大樓與西側(cè)基坑壁間，從3月15日開挖到3月26日挖掉第一層土，水平位移變形為4.3 mm，4月10日開挖到基底高程位置，最大變形在基底高程附近8 m深處為9.8 mm，整個(gè)土方開挖期間天氣晴好，但在做墊層澆筑基礎(chǔ)底板之前，基坑暴露期間有過(guò)幾場(chǎng)暴雨，施工單位未及時(shí)排水，變形一度達(dá)到0.5～1.0 mm/d，到4月27日底板澆筑結(jié)束位移較大，為14.4 mm。為此在澆筑中板時(shí)變更設(shè)計(jì)，在支護(hù)結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)之間澆筑傳力塊，水平間距3 m，同時(shí)加快施工進(jìn)度，傳力塊澆筑后水平位移變形明顯減緩，到5月26日頂板澆筑結(jié)束，變形為18.8 mm，其后一個(gè)月變形趨于穩(wěn)定，僅變形0.7 mm。

圖4 CX13測(cè)點(diǎn)深層土體水平位移

老病房大樓是本次基坑工程的重中之重，采用多種支護(hù)形式復(fù)合支護(hù)，水平位移設(shè)計(jì)值為10 mm，最終達(dá)到19.5 mm，超過(guò)設(shè)計(jì)值分析原因有二:①病房大樓荷載很大離基坑又近，基坑暴露在外時(shí)曾被雨水浸泡［5］;②基坑設(shè)計(jì)時(shí)病房大樓基礎(chǔ)雖與支護(hù)結(jié)構(gòu)植筋在一起并且設(shè)一道錨索，并未重視到病房大樓有整體向基坑內(nèi)滑移的可能性。但傳力塊澆筑后效果較好，建議今后類似工程采用內(nèi)支撐形式更為合理［6］。

2.2 周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)

圖5為基坑周邊部分建筑物及地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨施工工況的沉降變化，周邊各點(diǎn)沉降主要發(fā)生在土方開挖到底板澆筑期間，之后各點(diǎn)變形趨于穩(wěn)定。其中東南側(cè)建筑物沉降較大，達(dá)到13.3 mm，原因在于:此建筑物正好處于暗河段軟土區(qū)，土方開挖后由于軟土的流變作用，土體向基坑內(nèi)擠壓，在開挖到基底后由于基坑開挖的時(shí)空效應(yīng)，加上軟土的蠕變特性，導(dǎo)致該處沉降較大。北側(cè)道路沉降7.3 mm，沉降貫穿于整個(gè)地下室主體結(jié)構(gòu)施工過(guò)程，這是由于施工場(chǎng)地狹小，北側(cè)是現(xiàn)場(chǎng)唯一的車輛出入口，加之材料堆放，所以沉降主要由車輛動(dòng)荷載和周邊堆放荷載引起［7］。其它建筑物沉降較小，這與設(shè)計(jì)時(shí)不同段位采用不同支護(hù)結(jié)構(gòu)起到的良好支護(hù)效果分不開。

圖5 周邊建筑物沉降

3 結(jié)語(yǔ)

1)遵循“安全、可靠、經(jīng)濟(jì)”的設(shè)計(jì)原則，根據(jù)復(fù)雜的地質(zhì)條件和周邊環(huán)境條件在不同段位采取不同的支護(hù)形式是可行的。

2)基坑開挖程序必須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求施工，采取分層、分塊、對(duì)稱、平衡的開挖方式，施工過(guò)程中應(yīng)加強(qiáng)施工管理和監(jiān)督，避免由于工序安排不當(dāng)造成基坑變形過(guò)大甚至出現(xiàn)險(xiǎn)情。

3)當(dāng)后澆帶方向與混凝土橫支撐垂直時(shí)，在后澆帶中設(shè)混凝土傳力塊能很好地控制換撐前后支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

4)緊鄰非樁基建筑物基底下開挖，冠梁與基礎(chǔ)植筋加下設(shè)一道錨索對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及建筑物控制變形效果不明顯，建議今后類似工程設(shè)計(jì)時(shí)采用內(nèi)支撐形式更為合理。

5)施工中應(yīng)嚴(yán)格控制軟土區(qū)開挖后的暴露時(shí)間，及時(shí)澆筑基礎(chǔ)底板，利用自重荷載使坑內(nèi)土體反壓和支撐的剛度來(lái)降低開挖卸荷引起的土體側(cè)移和地表沉降。

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