大型深基坑變形分析及綜合控制技術(shù)

深圳市建筑工務(wù)署 深圳 518006

深基坑的穩(wěn)定性研究和支護(hù)技術(shù)日趨成熟，行業(yè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)逐步完善[1-3]，但由于諸多因素的影響，深基坑位移變形時(shí)有發(fā)生，甚至于超出設(shè)計(jì)警告值，使得工程建設(shè)處于被動(dòng)局面。根據(jù)深圳某工地的深基坑變形引起的災(zāi)害預(yù)警，根據(jù)機(jī)制分析，采取了應(yīng)急對(duì)策和長(zhǎng)效措施等綜合技術(shù)，成功控制了深基坑的變形，為工程的順利開展消除了隱患。

1 工程概況

背景工程位于深圳市濱海大道北面，白石路東側(cè)，工程主體為44 層的外筒鋼結(jié)構(gòu)加內(nèi)筒鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)，高度202 m。場(chǎng)地大致呈正方形，原為深圳灣后海海域，后經(jīng)填海而成。地面標(biāo)高4.00～6.00 m，場(chǎng)地南側(cè)距離濱海大道十余米，西側(cè)和北側(cè)分別與其他在建項(xiàng)目基坑相通，東側(cè)緊鄰一市政道路?；娱_挖深度16 m，周長(zhǎng)270 m，其中基坑中間布置有一個(gè)低于基坑坑底標(biāo)高4 m的內(nèi)坑（電梯基坑）。安全等級(jí)為一級(jí)，設(shè)計(jì)使用期限為12 個(gè)月，屬于大型深基坑。

1.1 工程地質(zhì)條件

地質(zhì)報(bào)告揭示基坑深度范圍內(nèi)土層構(gòu)成為：①人工雜填土，厚4.7～7.8 m，主要為黏土、石英質(zhì)砂混碎塊石、混凝土塊、磚塊等建筑垃圾及少量生活垃圾等；②第四系全新統(tǒng)海積層，厚0.5～2.4 m，淤泥呈灰黑、黑色含少量機(jī)質(zhì)，局部含少量石英砂巖；③第四系全新統(tǒng)沖洪積層，厚1.5～3.0 m，礫砂主要成分為石英質(zhì)，混少量黏性土；④第四系中更新統(tǒng)殘積層，厚16～46 m，礫質(zhì)黏性土，褐黃、灰白、褐紅等色，由粗?；◢弾r風(fēng)化殘積而成，含20%～30%的石英砂礫，稍濕-濕，可-硬塑，遇水浸泡易軟化，局部夾有強(qiáng)化巖塊。場(chǎng)地內(nèi)地下水有兩種類型：一是松散土層空隙水，二是基巖裂隙水。

1.2 基坑支護(hù)方案

根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合場(chǎng)地周邊環(huán)境，本工程主要采取排樁與預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)體系。樁間距2.0 m，支護(hù)樁徑1.2 m，成孔方式為沖孔灌注樁；錨索3 道，長(zhǎng)度約20～26 m，錨固體強(qiáng)度為30 MPa。錨索長(zhǎng)度分別有23 m、24 m、26 m，設(shè)計(jì)承載力分別為500 kN、500 kN、350 kN。

1.3 水位控制對(duì)策

采用樁間旋噴樁止水帷幕與西側(cè)北側(cè)在建工程止水帷幕形成全封閉止水體系。三重管旋噴樁止水帷幕有效直徑1.1 m，抗壓強(qiáng)度不小于1 MPa，樁端入基坑底不小于2 m；明溝排水排出地表水及坑內(nèi)積水，臺(tái)風(fēng)暴雨期間，有組織地表排水，安排足夠排水設(shè)備對(duì)匯集的地表水進(jìn)行抽排疏導(dǎo)，避免大量地表水匯入坑內(nèi)。

2 基坑變形警報(bào)與變形分析

2.1 基坑變形警報(bào)

基坑支護(hù)工程于2011年5月份完工后進(jìn)入服務(wù)期，項(xiàng)目開展基坑內(nèi)的樁基工程施工。建設(shè)完成的基坑安全經(jīng)歷了深圳的第一個(gè)雨季年度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，基坑超期使用前應(yīng)進(jìn)行安全評(píng)估，加強(qiáng)了位移變形監(jiān)測(cè)。2012年7月，臺(tái)風(fēng)“韋森特”襲擊深圳，連續(xù)數(shù)日暴雨，基坑西南側(cè)出現(xiàn)超過警報(bào)值40 mm的較大變形。

2012年7月22日對(duì)基坑進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化量有增大的趨勢(shì)（圖1、圖2）。在現(xiàn)場(chǎng)巡視過程中發(fā)現(xiàn)基坑西南方位的圍墻上有寬約15 mm的裂縫豎向貫穿整個(gè)圍墻。

圖1 坡頂沉降變化曲線

圖2 坡頂水平位移曲線

2012年7月25日上午對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)成果數(shù)據(jù)表明：本次觀測(cè)位移量最大為22.22 mm（W6），最大變化速率7.41 mm/d；沉降最大變化量為－5.13 mm，最大變化速率為－1.71 mm/d。各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化量在本次加密過程中有明顯的增大趨勢(shì)。其中位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)W6位移速率達(dá)到了7.41 mm/d，累計(jì)變化量達(dá)到43.13 mm，已經(jīng)超過設(shè)計(jì)預(yù)警值40 mm。在現(xiàn)場(chǎng)巡視過程當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，平行于基坑西南方坡頂位置的裂縫有明顯的增長(zhǎng)和增大現(xiàn)象，裂縫最寬處達(dá)到了7～8 mm，長(zhǎng)度達(dá)到25 m左右。位于基坑西南側(cè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)W6附近處有一條平行于基坑長(zhǎng)約21.6 m、最寬處達(dá)5 mm的裂縫，且連續(xù)幾天有明顯的增長(zhǎng)和增大現(xiàn)象，錨索及錨桿孔隙一直在出水，第1排和第2排錨索由西往東數(shù)第20條和第7條有漏水現(xiàn)象且水量較大。

隨后的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繼續(xù)隨時(shí)間推移而增大，最大累計(jì)位移量達(dá)100.12 mm（W6）。

2.2 變形分析

2.2.1 基坑超期服務(wù)

基坑設(shè)計(jì)使用期限為12 個(gè)月，樁錨支護(hù)的設(shè)計(jì)參數(shù)按基坑的服務(wù)時(shí)限取值設(shè)計(jì)。該基坑于2011年5月份完工，至基坑發(fā)生超警報(bào)變形時(shí)，基坑已經(jīng)超期服務(wù)。

2.2.2 地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和錨索的銹蝕使承載力大幅喪失

由于地下水和海水有水力聯(lián)系，水質(zhì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有微-弱腐蝕性、對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具微腐蝕性。至基坑服務(wù)期限，對(duì)錨索經(jīng)過抽檢，9 根錨索（占抽檢總數(shù)的75%）檢驗(yàn)抗拔力均不能達(dá)到設(shè)計(jì)抗拔力的1.2 倍，已不能滿足設(shè)計(jì)要求。其中檢驗(yàn)抗拔力最低者只能達(dá)到125 kN，為設(shè)計(jì)抗拔力的25%。由于鋼絞線腐蝕嚴(yán)重，加載未達(dá)到設(shè)計(jì)抗拔力的1.2 倍之前，有5 根錨索出現(xiàn)錨索桿體拉斷情況，其中錨索桿體拉力最低者（位于南側(cè)第3排右3#）只能達(dá)到錨索桿體拉力標(biāo)準(zhǔn)值的25%；有4 根錨索桿體抗拉能力在375～500 kN之間，3 根為500 kN，僅達(dá)到錨索桿體拉力標(biāo)準(zhǔn)值的48%。在進(jìn)行檢測(cè)加載時(shí)，尚有4 根被拉出。在抽檢的錨桿頭過程中，有錨頭松動(dòng)，夾片缺失、鋼絞線斷絲、錨頭嚴(yán)重腐蝕、鋼絞線松散等現(xiàn)象。

2.2.3 臺(tái)風(fēng)暴雨的影響

臺(tái)風(fēng)暴雨首先使得基坑外側(cè)土方含水量增大，荷載加大；另一方面，連續(xù)暴雨使基坑外側(cè)土體部分液化、土粒喪失，水壓增大導(dǎo)致止水帷幕出現(xiàn)大量出水現(xiàn)象，局部出現(xiàn)因土體掏空而坍塌的險(xiǎn)情。兩方面雙重作用使已超期服務(wù)的基坑不堪重負(fù)而產(chǎn)生較大變形。

3 技術(shù)對(duì)策[4-8]

根據(jù)基坑變形特點(diǎn)和上述變形分析，采取應(yīng)急對(duì)策和長(zhǎng)期加固相措施結(jié)合的方案，達(dá)到穩(wěn)坡目的。

3.1 應(yīng)急對(duì)策

3.1.1 有組織疏排水

在樁間增加長(zhǎng)1.5 m、Φ50 mm的PVC泄水管，泄水管中尾端約1.0 m做成花管，花管外包無紡?fù)凉げ迹顾芩介g距為樁間距，豎向間距為2.0 m，泄水管尾端與地下室外墻之前應(yīng)保持不小于30 cm的安全距離。樁面掛Φ6 mm鋼筋網(wǎng)@200 mm×200 mm，噴射C20混凝土厚100 mm。

3.1.2 充填掏空區(qū)

西南角樁間已塌空的位置，采用砂袋填滿，表面掛Φ6 mm鋼筋網(wǎng)@200 mm×200 mm，噴射C20混凝土厚100 mm。對(duì)基坑頂部已塌空的位置，用C15素混凝土填充，素混凝土填充分層填充，西南側(cè)回填土部分流空的位置用C15混凝土進(jìn)行地面硬化，厚200 mm。

3.1.3 卸載加反壓

西南側(cè)坑底約30 m堆填土臺(tái)進(jìn)行反壓，土臺(tái)尺寸為高4 m、頂寬3 m、放坡坡率1∶1；南側(cè)坑頂卸載，沿基坑卸土高2.0 m，寬6.0 m。

3.2 長(zhǎng)效措施

長(zhǎng)效措施控制基坑變形，基坑補(bǔ)強(qiáng)滿足其服務(wù)時(shí)限，樁基驗(yàn)收和地下室尚未開展施工，基坑服務(wù)時(shí)限尚需延長(zhǎng)。因此，在應(yīng)急對(duì)策的基礎(chǔ)上，確?；舆吰碌姆€(wěn)定性，必須對(duì)基坑進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

3.2.1 對(duì)變形最大區(qū)段增加鋼角撐

基坑變形最大測(cè)點(diǎn)在西南角，最大位移量超過設(shè)計(jì)控制值50 mm；最大沉降量超過設(shè)計(jì)預(yù)警值32 mm。在基坑西南角加1 道鋼角撐，角撐分別支撐在相鄰基坑支護(hù)樁冠梁和該基坑支護(hù)第1道腰梁上（圖3）。鋼管角撐材料采用Q235級(jí)鋼，鋼結(jié)構(gòu)連接均采用現(xiàn)場(chǎng)焊接，角撐預(yù)加軸力采用2 只千斤頂同時(shí)進(jìn)行，預(yù)頂力為180 kN，預(yù)加應(yīng)力時(shí)，對(duì)支護(hù)樁進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)，防止樁產(chǎn)生過大的向外位移造成腰梁的松脫，導(dǎo)致錨索預(yù)應(yīng)力損失。

圖3 鋼角撐支護(hù)補(bǔ)強(qiáng)

3.2.2 增加錨索補(bǔ)強(qiáng)

根據(jù)實(shí)測(cè)變形監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，結(jié)合基坑發(fā)生險(xiǎn)情的區(qū)域，有針對(duì)性地對(duì)基坑進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，對(duì)1j-1j剖面，在原第3道錨索上1.5 m處加1 道錨索，錨索間距2.0 m，在原第3道錨索下2.0 m和原第2道錨索上1.5 m處各加1 道錨索，錨索間距4.0 m（圖4）；對(duì)2j-2j剖面，在原第3道錨索上1.5 m處和下2.0 m處各加1 道錨索，錨索間距分別為2.0 m和4.0 m（圖5）。對(duì)錨頭松動(dòng)和夾片缺失的錨桿進(jìn)行重新張拉鎖定。

圖4 1j-1j剖面

3.3 變形控制效果

應(yīng)急和長(zhǎng)效綜合對(duì)策同時(shí)進(jìn)行，并在基坑西側(cè)增加3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，南側(cè)西部增加1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。應(yīng)急措施完成后，基坑變形已經(jīng)得到有效控制，9月30日測(cè)得的一周來的最大位移速率為0.091 mm/d?；游髂蟼?cè)的角撐施工完成后，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)顯示基坑位移已經(jīng)得到全面控制?；拥腻^索補(bǔ)強(qiáng)施工于11月份施工完成后，地下室主體工程開展施工，至2013年4月份3 層地下室主體施工完成，基坑一直處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，幾乎無變形。主體結(jié)構(gòu)施工到10 層時(shí)，基坑回填于2013年7月份完成。

圖5 2j-2j剖面

4 結(jié)語

深基坑的安全穩(wěn)定性對(duì)于工程建設(shè)至關(guān)重要，該基坑的位移變形引起的安全隱患使該項(xiàng)目的施工建設(shè)非常被動(dòng)。本次基坑經(jīng)過監(jiān)測(cè)報(bào)警后的變形機(jī)制分析，應(yīng)急和長(zhǎng)效措施，扭轉(zhuǎn)了工程施工局面，使項(xiàng)目得以順利進(jìn)展。對(duì)于類似項(xiàng)目，首先應(yīng)充分研究和論證基坑的服務(wù)時(shí)限，使之滿足工程進(jìn)展需要；其次要分析基坑穩(wěn)定性的主控因素，全面考慮其影響因素，如臺(tái)風(fēng)暴雨、地下室的腐蝕性、地質(zhì)條件和周邊環(huán)境的關(guān)系等。該基坑的應(yīng)對(duì)措施經(jīng)驗(yàn)，取得了良好的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益，可為同類工程提供借鑒。