深基坑工程結(jié)構(gòu)類型與安全監(jiān)測要素

車燦輝，劉 實(shí)，劉 靜

(1.安徽省地礦局第一水文工程地質(zhì)勘查院，安徽 蚌埠233000;2.安徽水文地質(zhì)工程地質(zhì)公司南京分公司，江蘇南京210019)

0 引言

為了能針對(duì)不同結(jié)構(gòu)型式的深基坑工程采取有針對(duì)性的監(jiān)測方法，能在不同施工階段、不同工況條件下進(jìn)行監(jiān)測工作，筆者根據(jù)多年來巖土工程測試的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合基坑支護(hù)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行探索，提出基坑安全監(jiān)測的原理與方法，以指導(dǎo)具有高風(fēng)險(xiǎn)的深基坑工程安全施工。

1 排樁加混凝土內(nèi)支撐體系擋土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測

此類結(jié)構(gòu)是目前我國深基坑支護(hù)工程采用較為廣泛的結(jié)構(gòu)形式。

它以排樁圍護(hù)體作為擋土的豎向結(jié)構(gòu)(圖1)，在坑內(nèi)布設(shè)內(nèi)支撐體系作為水平受力結(jié)構(gòu)，形成受力明確、整體性好、剛度大、變形控制好的圍護(hù)體系。它采用順作法施工，根據(jù)工程場地的土層結(jié)構(gòu)、基樁挖深、周邊環(huán)境特別是變形控制要求，靈活調(diào)整圍護(hù)樁的直徑、縱向受力鋼筋的配筋、砼標(biāo)號(hào)、樁間距、樁長，常采用大直徑灌注樁型式，以達(dá)到圍護(hù)樁有滿足設(shè)計(jì)要求的豎向剛度。在地下水控制設(shè)計(jì)上，常在樁外側(cè)迎土面設(shè)置隔水帷幕(亦稱止水帷幕)，以阻隔地下水和保護(hù)樁間土。水平支撐常有角撐、對(duì)撐、邊排架等分離式構(gòu)件組合形式，也有圓形、橢圓形支撐等空間受力結(jié)構(gòu)形式［1，7］。

對(duì)于排樁加支撐擋土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，其監(jiān)測的重點(diǎn)是:基坑長邊中點(diǎn)的變形監(jiān)測，包括圍護(hù)樁頂水平位移、沉降、圍護(hù)樁身內(nèi)深層水平位移、樁后土層深層水平位移等內(nèi)容的全面監(jiān)測。選擇在長邊中點(diǎn)是因?yàn)樵撎幨腔娱L邊效應(yīng)的集中點(diǎn)，也是基坑變形值最高點(diǎn)。在該部位集中布置多種監(jiān)測點(diǎn)，既可以了解樁頂水平位移，又可以了解垂直沉降變形;既可以了解樁身撓曲變形，又可以了解樁后土體的不同深度范圍的水平位移。幾種監(jiān)測結(jié)果要綜合在一起，共同分析才能得出變形的空間特征，以做出支護(hù)結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)要求和是否安全的判別。

支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測:基坑外側(cè)的側(cè)向力、土壓力由圍護(hù)樁(墻)及支撐體系共同承擔(dān)。當(dāng)實(shí)際支撐軸力與支撐在結(jié)構(gòu)體系平衡狀態(tài)和彈性受力狀態(tài)下所能承受的軸力(設(shè)計(jì)計(jì)算軸力)不一致時(shí)，則可能發(fā)生支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的失穩(wěn)。支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)布置原則是:宜布置在支撐內(nèi)力較大或在整個(gè)支撐體系中起控制作用的桿體上。如矩形基坑上邊中部的對(duì)撐排架;方形基坑角撐排架的最長邊上;監(jiān)測的截面宜選擇在兩支點(diǎn)間1/3部位，并避開節(jié)點(diǎn)位置;環(huán)形支撐重點(diǎn)是內(nèi)環(huán)受壓構(gòu)件;多層支撐結(jié)構(gòu)體系的監(jiān)測每層支撐的內(nèi)力監(jiān)測點(diǎn)不應(yīng)少于3個(gè)且各層支撐的監(jiān)測點(diǎn)宜上下對(duì)齊豎向在同一剖面上。

圖1 排樁加砼內(nèi)支撐體系擋土結(jié)構(gòu)示意圖

柱豎向位移監(jiān)測:支柱是保證水平支撐體系保持平面受力的重要豎向支承系統(tǒng)，其不但要承受砼支撐的自重荷載，還有保證在豎向承載安全條件下的偏心受壓承載力。在支撐跨度較大且支撐軸力較大時(shí)，支柱的沉降或隆起對(duì)支撐軸力的影響很大。有測試資料顯示:支柱豎向位移20～30 mm，支撐軸力會(huì)變化50% ～100%，各立柱的豎向位移如不協(xié)調(diào)，差異變形會(huì)引起支撐體系各點(diǎn)在垂直面和平面方向產(chǎn)生差異變形和位移，最終引起支撐內(nèi)產(chǎn)生較大的平面次應(yīng)力，引起結(jié)構(gòu)偏心受壓失穩(wěn)，甚至發(fā)生破壞。立柱監(jiān)測的重點(diǎn)是:立柱受力較大的部位——多根支撐交匯處;變形較大部位——基坑形態(tài)不規(guī)則陽角部位支撐下的立柱;容易發(fā)生差異沉降的部位——縱向與橫向支撐交匯處、大跨度角撐與邊排架交匯處。在立柱和立柱樁設(shè)計(jì)時(shí)雖已充分考慮了支撐體系的豎向荷載，但對(duì)軟土地質(zhì)基坑開挖后引起的坑底土體隆起、軟土蠕變、坑外沉降向坑內(nèi)土體涌入上隆等變形造成的立柱樁上浮而引起立柱上抬，此種變形難以定量分析，須通過監(jiān)測來監(jiān)控支撐體系的變形與安全。

2 地下水位控制設(shè)計(jì)與水位監(jiān)測

基坑工程的地下水控制是基坑巖土工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，許多基坑出現(xiàn)險(xiǎn)情均與基坑止水(降水)設(shè)計(jì)、施工監(jiān)測有關(guān)?；娱_挖范圍涉及到揭露了基坑周邊的孔隙潛水含水層，地下水會(huì)向坑內(nèi)側(cè)向滲透流入，因此需進(jìn)行坑周的隔水設(shè)計(jì)。在許多地區(qū)，基坑底部存在深部承壓水含水層，其水頭壓力往往高出坑底數(shù)十米，而坑內(nèi)開挖卸土至坑底后，自坑底承壓水含水層頂板殘面的土體厚度變薄，上覆土層的自重力在不足以壓住下伏承壓水含水層的水頭壓力時(shí)，坑底就會(huì)產(chǎn)生突涌而淹沒基坑，因此需要布設(shè)坑內(nèi)降壓井來降低承壓含水層水壓。［1，2］

另外，為創(chuàng)造坑內(nèi)干燥的無地下水施工環(huán)境以便于基坑土方開挖，在地下水開挖設(shè)計(jì)方面只要有地下水，均設(shè)計(jì)坑內(nèi)降水井。此類降水井分2類，一類是有止水帷幕形成周邊隔水條件下坑內(nèi)在無側(cè)向補(bǔ)給滲入時(shí)的坑內(nèi)靜儲(chǔ)量地下水的疏干降水;另一類是承壓水含水層厚度大、埋藏深，因經(jīng)濟(jì)和施工難度等因素隔水帷幕無法將承壓水含水層截?cái)喾忾]止水時(shí)，形成懸掛式半封閉止水帷幕，此時(shí)地下水降水采用的是所謂“止降結(jié)合”的綜合措施。通過坑內(nèi)降水，降低了坑內(nèi)承壓水水頭壓力，使基坑突涌穩(wěn)定性處于安全狀態(tài)，在降水過程，坑外地下水通過坑底未隔斷的承壓水含水層，沿止水帷幕繞流進(jìn)入基坑或從坑底上涌進(jìn)入坑內(nèi)。

對(duì)不同含水層結(jié)構(gòu)和不同地下水控制措施條件，基坑地下水位監(jiān)測應(yīng)采取不同的有針對(duì)性的監(jiān)控措施。

2.1 無隔水帷幕基坑敞開式降水的水位監(jiān)測

當(dāng)基坑地下水不豐富，或周邊環(huán)境相對(duì)開闊，無重要建構(gòu)筑物和地下管網(wǎng)或基坑開挖范圍內(nèi)有厚度大、強(qiáng)度高的超固結(jié)硬塑土“硬殼層”，或地下含水層滲透性差、水量小、厚度薄、埋深于局部含水層中時(shí)，往往可以采取自然放坡的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)型式，其地下水控制設(shè)計(jì)則采取坑內(nèi)外大降水，即敞開式降水(如圖2)，在坑內(nèi)布設(shè)管井或輕型井點(diǎn);放坡的坡腳或馬道上布設(shè)管井或輕型井點(diǎn);或在坡頂坑外一定范圍(基坑挖深1～2倍范圍)布置降水井等。如杭州慶春路過江隧道江南出口基坑工程，因周邊場地空曠、環(huán)境條件簡單，采用大放坡開挖，其地下水控制則為敞開式降水。

圖2 敞開式疏干降水示意圖

對(duì)于敞開型降水，工程上又稱大降水的地下水位監(jiān)測，其監(jiān)測重點(diǎn)是:一方面監(jiān)測坑內(nèi)地下水位是否已降至設(shè)計(jì)標(biāo)高以滿足坑內(nèi)土方開挖和地下室施工的要求;另一方面要監(jiān)控疏干區(qū)范圍，坑外地下水位變化性質(zhì)，防止降落漏斗的過度和失控?cái)U(kuò)大。因此，水位監(jiān)測井要在坑外一定距離內(nèi)有序布置。在有局部需要保護(hù)對(duì)象附近，應(yīng)布置監(jiān)測兼回灌井，通過監(jiān)控水位變化，決定是否進(jìn)行回灌。

2.2 封閉式止水帷幕基坑降水的水位監(jiān)測

當(dāng)基坑設(shè)置了止水帷幕，隔斷了坑內(nèi)外含水層之間水力聯(lián)系時(shí)(止水帷幕進(jìn)入坑底隔水底板)，地下水降水僅僅是疏干降水(如圖3)。降水一般在土方開挖前二周進(jìn)行預(yù)降水，以盡量降低坑內(nèi)土體的含水量5% ～10%，提高土體強(qiáng)度，便于分層開挖和臨時(shí)邊坡坡體的穩(wěn)定。

降水過程中監(jiān)測工作的重點(diǎn)是:通過坑外所有觀測井水位細(xì)微變化的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)止水帷幕存在滲漏的隱患，在開挖前及時(shí)采取坑外注漿、施打高壓旋噴樁等補(bǔ)救措施，將基坑可能發(fā)生滲漏災(zāi)害消滅于土方開挖之前。疏干降水期間，坑內(nèi)地下水位觀測井宜選擇在坑中央或兩相鄰觀測井的中間部位?？油獾叵滤槐O(jiān)測點(diǎn)應(yīng)沿基坑周邊、被保護(hù)對(duì)象與基坑之間布置，重要部位可沿其四周布置，回灌兼觀測井應(yīng)設(shè)置在被保護(hù)對(duì)象與基坑之間，井的間距宜為20～50 m，井深須超過最低降深標(biāo)高以下5 m;承壓水觀測井須將濾管埋設(shè)在所測承壓含水層之中。

圖3 全封閉型疏干降水示意圖

2.3 懸掛式止水帷幕基坑降水的水位監(jiān)測

當(dāng)含水層埋深大、厚度大，止水帷幕難以隔斷含水層的側(cè)向水力聯(lián)系時(shí)，地下水的控制特別是承壓水在坑底對(duì)基坑威脅時(shí)，地下水位的動(dòng)態(tài)控制與監(jiān)測十分重要，因隔水結(jié)構(gòu)僅在含水層上局部范圍形成，而基坑坑底無隔水底板，有如一無底的桶，地下水的通道在坑底隔水帷幕底端下仍然存在，整個(gè)基坑坑底為地下水向上涌的通道(圖4)。該種基坑工程降水難度大且降水風(fēng)險(xiǎn)大，降水設(shè)計(jì)時(shí)需要保證足夠的安全系數(shù)，通常取1.5以上。

圖4 懸掛式降水示意圖

這類止降結(jié)合的基坑工程降水，其監(jiān)測重點(diǎn)是:基坑內(nèi)、外的地下水位監(jiān)測均非常重要，保持坑底承壓水頭始終低于安全水頭限度內(nèi)，避免過大的降低承壓水頭造成過多抽排地下水，在坑外形成大范圍的降落漏斗;防止在降落漏斗地下水浸潤線區(qū)域地面建筑物發(fā)生沉降和差異沉降變形，防止道路開裂、管線破裂滲漏，防止煤氣管燃爆?？油馑槐O(jiān)測點(diǎn)除在基坑周邊有序布設(shè)外，還應(yīng)在被重點(diǎn)保護(hù)的對(duì)象適當(dāng)增密并盡可能垂直基坑向外增加觀測井。對(duì)重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象處的觀測井須按降壓井相同的井結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)施工，以保證在坑外水位下降大時(shí)觀測井可作為回灌井進(jìn)行坑外回灌。

例如南京地鐵10號(hào)線中間風(fēng)井基坑工程周邊環(huán)境復(fù)雜，對(duì)地面沉降控制要求高，且承壓含水層厚度大，隔水帷幕無法隔斷基坑內(nèi)、外地下水水力聯(lián)系，采取止降結(jié)合的地下水控制措施，同時(shí)在坑外布置回灌井，保證了基坑周邊建(構(gòu))筑物和地下管線的安全，最大沉降變形控制在3 mm以內(nèi)。

3 地下連續(xù)墻兩墻合一結(jié)構(gòu)的監(jiān)測

現(xiàn)澆地下連續(xù)墻是采用原位連續(xù)成槽澆筑砼而形成的深基坑鋼筋砼圍護(hù)墻。它具有整體性好、墻體剛度大、基坑開挖過程中變形小、基坑安全性高，墻身具有很好的抗?jié)B能力，坑內(nèi)降水對(duì)坑外影響小，可作為地下室外墻(兩墻合一)，可配合逆作法施工等優(yōu)點(diǎn)。地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往用于深大環(huán)境復(fù)雜、地下水豐富的基坑工程。在鄰近地鐵、重要建構(gòu)筑物、場地狹小、基坑挖深＞30 m時(shí)，更體現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)，許多城市地鐵車站、超深基坑、普通止水帷幕難以達(dá)到全封閉止水的大基坑常采用此結(jié)構(gòu)。

地下連續(xù)墻厚度常設(shè)計(jì)為0.8、1.0、1.2 m，嵌入土層深度在40～60 m。如南京金融城嵌入在南京河西承壓含水層之下的基巖中風(fēng)化巖層中，深度近60 m;又如天津津塔嵌入在第二承壓水底板之下以實(shí)現(xiàn)對(duì)a、b二層承壓水的全封閉，墻深近46 m。

地下連續(xù)墻的墻身變形監(jiān)測的重點(diǎn)是在較厚的墻體內(nèi)要能精確地測定墻體正截面受彎、斜截面受剪、迎坑面和迎土面受壓和受拉不同形式的變形和撓曲。因此，每一測點(diǎn)深層位移測斜管應(yīng)在地下連續(xù)墻兩側(cè)縱向鋼筋附近各布置2根，才能測出變形特征。目前各設(shè)計(jì)監(jiān)測單位只在墻厚度中心線處布置一根測斜管，這反映不出墻體受力特點(diǎn)。

另外，在主支撐處結(jié)合支撐軸力點(diǎn)的布置，在墻體內(nèi)進(jìn)行深層水平位移監(jiān)測，在立柱處進(jìn)行立柱沉降監(jiān)測。

地連墻在成槽施工過程中溝槽附近土體發(fā)生側(cè)向變形，進(jìn)而導(dǎo)致地表沉降，當(dāng)連續(xù)墻周圍有淺基礎(chǔ)建筑物、地鐵盾構(gòu)隧道時(shí)，本來設(shè)計(jì)上作為保護(hù)周邊環(huán)境的安全性好的地連墻卻在施工期間就破壞了保護(hù)對(duì)象。因此，地連墻在施工時(shí)就應(yīng)開始進(jìn)行全過程的地表、建筑物、道路、地下管網(wǎng)、鄰近地塊的沉降變形監(jiān)測。

4 水泥攪拌樁重力式圍護(hù)墻的監(jiān)測

水泥土重力式圍護(hù)墻是以水泥等材料為固化劑，采用攪拌機(jī)械通過噴漿將水泥與攪拌切割松散的土體進(jìn)行強(qiáng)制攪拌，形成連續(xù)搭接或套接的水泥土柱狀加固體，該加固體所形成的擋土墻有同于傳統(tǒng)擋土墻的設(shè)計(jì)原理，故稱為基坑支護(hù)重力式擋土墻，以區(qū)別于邊坡重力擋土結(jié)構(gòu)。

水泥土擋土圍護(hù)墻是無支撐自主式擋土結(jié)構(gòu)，它具有一定的厚度和嵌固深度，依靠墻體自主、墻底摩阻力和墻前基坑開挖面以下的土體(被動(dòng)區(qū))的被動(dòng)土壓力來抵擋墻后的水土壓力，以穩(wěn)定墻體，滿足圍護(hù)墻體的整體穩(wěn)定、抗拉穩(wěn)定、抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定和墻體自身的變形和破壞。

水泥土深層攪拌樁重力式擋土墻一般用于軟土地基、基坑開挖深度＜6.0 m的基坑。因基坑挖深越大、面積越大，墻體側(cè)向位移往往超過設(shè)計(jì)規(guī)范限定的位移值。

對(duì)水泥土重力式擋土墻基坑的監(jiān)測重點(diǎn)是:在軟土區(qū)大基坑長邊的中點(diǎn)，該點(diǎn)往往是擋土圍護(hù)墻變形最大的突破點(diǎn)，須作為重點(diǎn)監(jiān)控部位。因水泥攪拌樁在淤泥質(zhì)軟土固結(jié)周期長，強(qiáng)度提高極緩慢，監(jiān)測工作需強(qiáng)調(diào)土方開挖必須達(dá)到施工竣工后28天方可進(jìn)行施工。此外，重力式擋土墻自身重力大，在軟土區(qū)當(dāng)下臥層均為軟弱土層時(shí)，墻體會(huì)發(fā)生下沉和外傾同時(shí)發(fā)生情況，即地基穩(wěn)定性和邊坡穩(wěn)定性均有問題時(shí)，除支護(hù)結(jié)構(gòu)變形可達(dá)到數(shù)十厘米處，墻后地面會(huì)發(fā)生挖深2倍范圍內(nèi)大面積沉降，此范圍內(nèi)的道路、地下管網(wǎng)、建構(gòu)筑物均會(huì)發(fā)生變形破壞，須進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，及時(shí)報(bào)警，必要時(shí)采取搶險(xiǎn)應(yīng)急措施甚至回填基坑進(jìn)行加固補(bǔ)強(qiáng)。

5 結(jié)語

通過對(duì)深基坑工程排樁加砼內(nèi)支撐體系擋土結(jié)構(gòu)的監(jiān)測、地下連續(xù)墻兩墻合一擋土止水結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測重點(diǎn)的論述，通過對(duì)不同地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件下基坑敞開式大降水、全封閉隔水帷幕疏干降水、懸掛式止水帷幕止降結(jié)合控制地下水的水位監(jiān)測重點(diǎn)的闡述，通過對(duì)柔性易變形水泥攪拌樁重力式擋土結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測控制要素的分析，可得出以下結(jié)論:

(1)監(jiān)測工作是全過程三維空間的四度物理－力學(xué)場的變化監(jiān)控，對(duì)基坑而言，要注意長邊效應(yīng)、軟土變形的時(shí)間效應(yīng)、支撐加折撐的應(yīng)力施加和卸荷效應(yīng)、樁土共同作用的空間效應(yīng)等綜合因素在不同工程條件下變形效應(yīng)的表征。要具體分析結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和力傳遞途徑與圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系，對(duì)每一期監(jiān)測資料要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，給出正確的判釋，以指導(dǎo)信息化施工。

(2)地下水位的監(jiān)控對(duì)滲漏進(jìn)行預(yù)測，對(duì)降水疏干效果進(jìn)行控制，最重要的是監(jiān)測安全與承壓水減壓降水在懸掛式半封閉止水帷幕條件下安全水頭的控制，切實(shí)做到科學(xué)降水合理降壓，按需降水，避免降水造成周邊環(huán)境的沉降變形。

(3)對(duì)水泥攪拌樁重力式擋土結(jié)構(gòu)等柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測要針對(duì)其置身于軟土地基中地基土的壓縮變形，剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)變形，重力式墻體的傾倒變形引起墻體后較大范圍的地面沉降變形和坑內(nèi)軟土隆起變形的綜合效應(yīng)，要防止該類結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)破壞。

綜上所述，基坑工程是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，基坑安全監(jiān)測是把握好基坑施工中完整準(zhǔn)確貫徹巖土工程師的設(shè)計(jì)意圖，以科學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)督施工單位，防范各種結(jié)構(gòu)變形失穩(wěn)和地下水水患和降水引起的次生災(zāi)害，使得高危險(xiǎn)性基坑順利施工至地下室封頂回填，是化險(xiǎn)為夷的監(jiān)督者。監(jiān)測者要熟知巖土工程、結(jié)構(gòu)工程、水文地質(zhì)工程等，多了解在此領(lǐng)域的交叉——環(huán)境巖土工程，使監(jiān)測工作真正為信息時(shí)代做到信息化施工發(fā)揮重要作用。

［1］劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［2］夏明耀，曾進(jìn)倫.地下工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［3］GB 50479－2009，建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］JGJ 120－99，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［5］曹友杰，賈述望，肖光慶.鄭州鄭東新區(qū)某深基坑樁錨支護(hù)施工與監(jiān)測［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(1):53－56.

［6］杜文宇，郭行.某深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案實(shí)施過程中的優(yōu)化［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2012，39(7):67 －70.

［7］張忠苗，趙玉勃，吳世明，等.過江隧道深基坑中SMW工法加鋼支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場監(jiān)測分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29(6):1270 －1278.

［8］彭順，斷仲源，鄧天旺.緊鄰地鐵的深基坑支護(hù)施工技術(shù)［J］.巖土工程技術(shù)，2008，22(1):36－40.