常州潤(rùn)華環(huán)球中心深基坑支護(hù)效果分析

宋 珪，張海豐

(1．江西省地質(zhì)工程〈集團(tuán)〉公司，江西 南昌330029;2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢430074)

1 項(xiàng)目概況

常州潤(rùn)華環(huán)球中心項(xiàng)目地處江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)，場(chǎng)地東臨湖塘河，基坑呈南北向“梯”形，南北長(zhǎng)約303 m，東西長(zhǎng)邊約140 m，短邊約120 m。基坑一區(qū)開(kāi)挖深度18.0 m，二區(qū)、三區(qū)開(kāi)挖深度12.0 m。場(chǎng)地地貌單元隸屬長(zhǎng)江三角洲沖湖積平原地貌，勘察深度內(nèi)覆蓋層主要為粘性土，夾有砂性土，呈交錯(cuò)沉積或互層狀。本工程的特點(diǎn)是:(1)開(kāi)挖深度大，平面規(guī)模大，屬特大特深基坑;(2)基坑范圍內(nèi)(－5～－10 m)包含透水性很強(qiáng)的粉土夾粉質(zhì)粘土層，滲透系數(shù)達(dá)422×10－6cm/s，止水要求嚴(yán)格。

2 基坑支護(hù)方案

2．1 支護(hù)方案介紹

基坑支護(hù)方案重點(diǎn)考慮止水帷幕、支護(hù)體系、降水方案的選擇。

止水帷幕:潤(rùn)華環(huán)球中心基坑工程需要隔斷的地下水主要為④層粉土夾粉質(zhì)粘土中的地下水以及防止湖塘河內(nèi)河水的滲漏，選擇豎直向止水帷幕。選用三軸深層攪拌法，三軸攪拌樁直徑為850 mm。攪拌樁插入⑤層粉質(zhì)粘土為不透水層(滲透系數(shù)0.02×10－7cm/s)，該層厚度達(dá)到8 m，可以考慮作為基坑地下水隔水頂板。

支護(hù)體系:常見(jiàn)基坑支護(hù)形式有放坡開(kāi)挖、懸臂支護(hù)、重力壩支護(hù)、土釘墻、內(nèi)支撐和土錨支護(hù)結(jié)構(gòu)。其中前3種支護(hù)類型適用于淺基坑。土釘墻結(jié)構(gòu)適用于開(kāi)挖深度＜15 m的基坑。內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)和土錨支護(hù)結(jié)構(gòu)適用于深基坑，共同的優(yōu)點(diǎn)是安全可靠，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是成本高、施工周期長(zhǎng)，土錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是錨固力有限。根據(jù)該基坑特點(diǎn)，一區(qū)超深基坑選用內(nèi)支撐+排樁擋土結(jié)構(gòu)，以基坑安全為主要目標(biāo);二、三區(qū)基坑選用復(fù)合土釘墻結(jié)構(gòu)。

降水方案:基坑范圍內(nèi)含水層主要為③層粉質(zhì)粘土夾粉土和④層粉土夾粉質(zhì)粘土。由于先施工的止水帷幕形成了封閉的隔水墻，這兩層的含水量相對(duì)較少，降水的主要目的是為挖土提供方便，選用管井井點(diǎn)降水方案。

2．2 支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算

潤(rùn)華環(huán)球中心基坑工程支護(hù)的難點(diǎn)是一區(qū)深基坑，這里僅介紹一區(qū)深基坑設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容，并與下文監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比。一區(qū)深基坑采用900 mm鉆孔灌注樁+2道鋼筋混凝土內(nèi)支撐+850 mm三軸水泥土攪拌墻帷幕。一區(qū)基坑實(shí)際施工順序和時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 一區(qū)基坑施工順序和對(duì)應(yīng)時(shí)間

一區(qū)內(nèi)支撐計(jì)算分析采用Z_soil軟件。模型采用考慮土體剪脹特性的冒蓋塑性模型。為了計(jì)算方便，不考慮地層的變化，將所有地層的參數(shù)都設(shè)為粘聚力 c=0 kPa，內(nèi)摩擦角 φ =30°，膨脹角 ψ =0°。三軸排水實(shí)驗(yàn)割線剛度和固結(jié)實(shí)驗(yàn)切線剛度取E=1.0×104kPa，其他參數(shù)取默認(rèn)值。將地層對(duì)墻體的作用簡(jiǎn)化為等效彈簧，圍護(hù)墻劃分為梁?jiǎn)卧?，支撐為僅承受軸力的桿單元。圍護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)挖階段計(jì)算時(shí)計(jì)入結(jié)構(gòu)的先期位移值以及支撐的變形，按“先變形、后支撐”的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并計(jì)算內(nèi)部結(jié)構(gòu)回筑階段各工況的內(nèi)力組合，最終的位移及內(nèi)力值是各階段之累計(jì)值。下面給出2道內(nèi)支撐的位移云圖。

第一道支撐位移云圖(圖1)顯示，位移最大的位置在一區(qū)的最寬處的拐角附近，局部最大位移達(dá)到了16.4 mm，達(dá)到該位移的區(qū)域較小;大多數(shù)區(qū)域的位移約為9.8 mm。仔細(xì)觀察位移的分布規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)在圖中的下部(一區(qū)基坑最寬處)的兩端，位移矢量圖大體呈圓弧形分布(圖中附加的兩條黑線)，整體成“倒心型”分布。這是因?yàn)?，一區(qū)基坑在水平剖面上有4道支撐，其中2道與基坑的長(zhǎng)度方向正交，也即與水平向土壓力(圖中FH方向)平行;另外2道支撐與水平向土壓力(圖中FH方向和FV方向)斜交。由于FH和FV都是水平向土壓力，F(xiàn)H和FV的合力F合垂直于斜支撐的方向。由于支撐的軸向方向并不平行于土壓力的作用方向，內(nèi)支撐承受土壓力作用較好的軸向支撐作用并沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)。這就導(dǎo)致內(nèi)支撐效果的削弱，在該部位產(chǎn)生較大的位移。

圖1 第一道支撐位移圖

與第一道內(nèi)支撐位移和受力相比，第二道支撐的位移云圖在分布規(guī)律上與第一道支撐是相同的，第二道支撐受到的位移場(chǎng)略小于第一道支撐(圖2)。

圖2 第二道支撐位移圖

3 水平位移和豎直位移監(jiān)測(cè)分析

本工程監(jiān)測(cè)主要針對(duì)一區(qū)深基坑位置［1－3］，基坑坡頂(支護(hù)樁)的水平位移測(cè)點(diǎn)為SP1～SP27，基坑坡頂(支護(hù)樁)的垂直沉降位移測(cè)點(diǎn)為C1～C27，監(jiān)測(cè)平面圖見(jiàn)圖3。

一區(qū)基坑工程施工后期(2011年11月以后)，隨著基坑開(kāi)挖和支護(hù)工作的持續(xù)進(jìn)行，基坑頂部的水平位移和豎直位移隨時(shí)間增長(zhǎng)的速率逐漸減小。2012年5月9日基坑開(kāi)挖支護(hù)施工完成后基坑頂部的水平位移已達(dá)到穩(wěn)定，基坑頂部豎向沉降達(dá)到25 mm，基坑頂部朝向基坑內(nèi)側(cè)的水平位移達(dá)到40 mm。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案安全可靠。

3．1 基坑坡頂(支護(hù)樁)沉降位移監(jiān)測(cè)

圖3 基坑監(jiān)測(cè)平面圖

沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)C1～C10位于臨河側(cè)，C11～C27位于非臨河側(cè)，圖4給出了具有代表性的C5、C10、C15、C18和C21的監(jiān)測(cè)結(jié)果。監(jiān)測(cè)時(shí)間為2011年8月13日到2011年11月13日，歷經(jīng)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的第二次基坑開(kāi)挖(至－5.2 m)、施工第一道支撐、第三次開(kāi)挖(至－12.1 m)、施工第二道支撐和第四次開(kāi)挖(至－16.25～－19.25 m)。

圖中標(biāo)注為⑤的點(diǎn)的沉降值是－3.5 mm，大于前一次和后一次監(jiān)測(cè)值(－2.0 mm)，該點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)正在進(jìn)行第三次基坑開(kāi)挖。由于該點(diǎn)與整體趨勢(shì)相差較大，認(rèn)定為異常點(diǎn)，且對(duì)分析基坑開(kāi)挖引起的基坑變形沒(méi)有影響，故將該點(diǎn)舍去不做分析。根據(jù)曲線的斜率變化拐點(diǎn)將監(jiān)測(cè)曲線劃分為①、②、③和④共4段。其中，第三次開(kāi)挖過(guò)程中，沉降曲線包括①和②段，沉降速率經(jīng)過(guò)1個(gè)拐點(diǎn)，沉降速度增加;施工第二道支撐過(guò)程中，沉降曲線包括②、③和④段，含2個(gè)拐點(diǎn)，沉降速度先增加后降低;第四次開(kāi)挖過(guò)程中，沉降曲線包括④，含1個(gè)拐點(diǎn)，沉降速度基本不變。②和③段之間的沉降速度變化十分顯著，在此點(diǎn)之前，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本重合，差異較小。此點(diǎn)之后，各點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)始出現(xiàn)分化。該點(diǎn)位于第三次開(kāi)挖即將結(jié)束的時(shí)候，開(kāi)挖標(biāo)高至－12.1 m，距離第一道支撐6.9 m，此時(shí)第二道支撐正在施工，尚未形成對(duì)圍護(hù)樁的支撐。由于第二道支撐尚未形成對(duì)側(cè)向土體的支撐，在側(cè)向土壓力作用下，鉆孔灌注圍護(hù)樁向基坑內(nèi)側(cè)位移，前期預(yù)計(jì)位移量最大值為59.1 mm，最大值發(fā)生在豎直標(biāo)高為－11 m處，如圖5。鉆孔灌注圍護(hù)樁向基坑內(nèi)側(cè)位移后，圍護(hù)樁后面出現(xiàn)空隙，周圍的土體向空隙處位移并填補(bǔ)空隙，這一過(guò)程導(dǎo)致地表產(chǎn)生沉降［4－6］。

圖4 基坑頂部豎直沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5 基坑開(kāi)挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移

由于第二道基坑支撐并不及時(shí)，導(dǎo)致在該支撐施工過(guò)程中，基坑頂部的豎直位移發(fā)生了較大的增長(zhǎng)，從 －2.5 mm快速增加到 －8.0 mm，增加了2倍，而歷時(shí)僅為7天。如果能在基坑開(kāi)挖至－11.7 m的以上部位進(jìn)行第二道支撐，將有效控制基坑頂部的豎向位移。在第二道支撐逐漸構(gòu)起和土體抗剪強(qiáng)度及灌注樁的圍護(hù)作用逐漸調(diào)動(dòng)起來(lái)后，在2011年9月20日前后，基坑表面豎直沉降速度有所降低。但仍然大于第三次開(kāi)挖過(guò)程中的基坑豎直沉降速度。表明后期第二道支撐阻礙了土體的基坑頂部的豎直沉降，起到了支護(hù)作用。在第二道支撐形成后的第四次開(kāi)挖過(guò)程中(－16.25～－19.25 m，開(kāi)挖深度5.65 m)，基坑頂部的豎直沉降速率較第二道支撐施工后期的沉降速率略低。

對(duì)比圖4中的5條曲線，可以看出在第三次開(kāi)挖截止后(②段后)C10和C15的沉降值已顯著大于C5、C18和C21，尤其是C15。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于內(nèi)支撐采用了三角形的造型(如圖1)。在C15測(cè)點(diǎn)處圍護(hù)樁并未受到垂直于基坑側(cè)壁的支撐，而圍護(hù)樁受到的基坑側(cè)壁側(cè)向土壓力是垂直于基坑側(cè)壁的，因此當(dāng)內(nèi)支撐橫梁受到相同的應(yīng)變量時(shí)，斜向的內(nèi)支撐在垂直于基坑側(cè)壁方向上提供的反力較小，支撐效果較差。另外該處的內(nèi)支撐梁的密度也較低，提供的反力較小。

3．2 基坑坡頂(支護(hù)樁)水平位移監(jiān)測(cè)

與基坑頂部豎向位移的分析類似，將基坑頂部水平位移監(jiān)測(cè)成果繪制在圖6中。SP5、SP10位于臨河側(cè);SP15、SP18、SP21位于非臨河側(cè)?；禹敳克轿灰票O(jiān)測(cè)中未出現(xiàn)異常點(diǎn)。第三次開(kāi)挖過(guò)程包括①段和②段;第二道支撐階段包括②和③段;第四次開(kāi)挖過(guò)程包括③和④段。各段的交界處對(duì)應(yīng)的時(shí)間略晚于垂直位移監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖6 基坑頂部水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

第三次基坑開(kāi)挖即將完成后(2011年9月18日施工完成)的2011年9月19日，基坑頂部的水平位移也出現(xiàn)了位移速率的增加，如圖中標(biāo)注的②和③段分界限，水平位移速率增加值沒(méi)有豎直沉降速率增加值大。在第四次開(kāi)挖中期，2011年10月11日，基坑水平位移速率快速增加，該時(shí)刻水平位移增加速率，大于豎直沉降增速?；禹敳克轿灰圃鏊俚淖兓突禹敳控Q直沉降增速的變化保持相同的步調(diào)，因?yàn)閮烧叨际怯捎诨酉虏块_(kāi)挖處鉆孔灌注圍護(hù)樁的側(cè)向位移導(dǎo)致的下部土體體積損失引起的，區(qū)別在于一個(gè)是水平位移，一個(gè)是豎直位移。另外，基坑下部鉆孔灌注圍護(hù)樁發(fā)生側(cè)向變形導(dǎo)致的土體體積損失首先由上部的土體向下沉降填充，而基坑地表的水平向位移主要由鉆孔灌注圍護(hù)樁上部的側(cè)向位移導(dǎo)致?；禹敳康乃轿灰坪拓Q向沉降有關(guān)聯(lián)但也有顯著區(qū)別。這綜合表現(xiàn)在兩者的變化在時(shí)間上是同步和協(xié)調(diào)的，區(qū)別在于增量的變化率的大小并不相同。

對(duì)于基坑頂部的水平位移來(lái)說(shuō)，控制基坑鉆孔灌注圍護(hù)樁整體的側(cè)向變形和兩道內(nèi)支撐的位移(圖1和圖2)有直接關(guān)系［7，8］。圖6中鉆孔灌注樁的最大水平位移是25 mm，圖1第一道和圖2第二道支撐的最大水平位移是16 mm。圖6中基坑第四次開(kāi)挖完成后監(jiān)測(cè)的最大值是15～20 mm，這與鉆孔灌注圍護(hù)樁計(jì)算得到的水平位移值較為吻合，但需要注意的是隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加，實(shí)測(cè)水平位移值可能會(huì)進(jìn)一步的增大，超出計(jì)算值，也即計(jì)算值偏于不安全。

基坑頂部水平位移增速在第三次開(kāi)挖截止后，第二道支撐支座完成之前出現(xiàn)也表明第二道支撐并不及時(shí)，應(yīng)該提前進(jìn)行第二道支撐的施工。在第四次開(kāi)挖過(guò)程中，上述5個(gè)水平監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值開(kāi)始出現(xiàn)分化，SP5和SP15的水平位移較大。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因也是由內(nèi)支撐的形狀和支護(hù)效果決定的。

4 總結(jié)

常州潤(rùn)華環(huán)球中心深基坑工程施工過(guò)程中對(duì)基坑頂部沉降位移和水平位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。基坑頂部的沉降位移和水平位移由基坑圍護(hù)樁和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)變形引起的基坑周圍土體位移導(dǎo)致。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，常州潤(rùn)華環(huán)球中心深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)符合工程要求，但第二道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置的并不及時(shí)，提高第二道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的位置有利于減小基坑頂部的沉降位移和水平位移。

［1］ 車燦輝，劉實(shí)，劉靜．深基坑工程結(jié)構(gòu)類型與安全監(jiān)測(cè)要素［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(4):60 －64．

［2］ 葉強(qiáng)，吳慶令．某深基坑工程的監(jiān)測(cè)分析與變形特性［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(2):541 －544．

［3］ 戚慶學(xué)，彭波，董宜輝．內(nèi)支撐基坑支護(hù)體系施工過(guò)程的監(jiān)測(cè)及分析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2013，40(10):68 －73．

［4］ Cho J，Lim H，Jeong S，et al．Analysis of lateral earth pressure on a vertical circular shaft considering the 3D arching effect［J］．Tunnelling and Underground Space Technology，2015，48:11 －19．

［5］ Terzaghi K．Theoretical soil mechanics［M］．New York:Wiley，1943．

［6］ 虞利軍，王茸，陳敏軍．排樁內(nèi)支撐基坑典型失穩(wěn)原因及處理對(duì)策分析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2014，41(6):77 －79．

［7］ 高文華，楊林德．軟土深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的三維有限元分析［J］．工程力學(xué)，2000，17(2):134 －141．

［8］ 劉杰，姚海林，任建喜．地鐵車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬［J］．巖土力學(xué)，2010，(2)．

［9］ 李芳，李強(qiáng)，于元峰，等．樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)分析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015，42(4):53 －57，62．