南京下關(guān)軟土深基坑施工引起的變形及控制研究

趙 翔 ， 劉祖春， 王道華

(1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局八〇七隊(duì)，江蘇 南京 210007； 2.南京勘察工程有限公司，江蘇 南京 210007)

南京下關(guān)軟土深基坑施工引起的變形及控制研究

趙 翔1， 劉祖春2， 王道華2

(1.江蘇省有色金屬華東地質(zhì)勘查局八〇七隊(duì)，江蘇 南京 210007； 2.南京勘察工程有限公司，江蘇 南京 210007)

及時(shí)有效地預(yù)測基坑施工所引起的變形和對周邊環(huán)境的影響，總結(jié)基坑變形控制技術(shù)、措施并驗(yàn)證其實(shí)施效果，對于軟土地區(qū)深基坑的設(shè)計(jì)與施工具有重要指導(dǎo)意義。結(jié)合南京下關(guān)大唐南京發(fā)電廠生產(chǎn)科研及調(diào)度指揮綜合樓基坑項(xiàng)目的工程實(shí)踐,采用理論分析、數(shù)值模擬和施工監(jiān)測等方法，對軟土地區(qū)深基坑開挖引起的變形及變形控制方法進(jìn)行了研究。

軟土； 深基坑； 數(shù)值模擬； 變形控制

0 引言

隨著城市建筑密度的增加，軟土地區(qū)建筑群也日益增多，基坑施工受到嚴(yán)格的環(huán)境制約[1]。及時(shí)有效地預(yù)測基坑施工所引起的變形和對周邊環(huán)境的影響[2-3]，總結(jié)基坑變形控制技術(shù)、措施并驗(yàn)證其實(shí)施效果，對于軟土地區(qū)深基坑的設(shè)計(jì)與施工具有重要指導(dǎo)意義。

南京下關(guān)，瀕江而居，自古為江南漕運(yùn)、貢運(yùn)、軍運(yùn)之中心，是華東地區(qū)重要的物資集散地，素有“金陵北大門”之稱。根據(jù)南京市把濱江地帶打造成“南京浦東”的要求，下關(guān)地區(qū)的各大建筑企業(yè)進(jìn)駐，帶來了大量的配套地下工程項(xiàng)目。河漫灘地貌的濱江帶基坑支護(hù)及開挖過程中的變形如何進(jìn)行控制，如何確保建(構(gòu))筑物的安全及周邊環(huán)境不受影響。為此，本文以下關(guān)中山碼頭附近的大唐電廠項(xiàng)目為依托，對軟土地區(qū)深大型基坑穩(wěn)定性及支護(hù)效果進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

大唐南京發(fā)電廠生產(chǎn)科研及調(diào)度指揮綜合樓工程位于中山北路和唐山路交會處西南側(cè)(圖1)。主樓25層(局部24層)、裙房2～4層，設(shè)有3層地下室，地下室開挖深度16.4 m，電梯坑處深度20.6 m。主樓、裙房均為框架結(jié)構(gòu)，最大柱網(wǎng)8.0m×38.7m，柱下最大軸力為19700 kN，設(shè)計(jì)擬采用鉆孔嵌巖灌注樁基礎(chǔ)方案。室外設(shè)計(jì)±0.00標(biāo)高為9.40 m。

圖1 深基坑周邊環(huán)境圖

超深基坑周邊環(huán)境及地下管線情況敘述如下。

北側(cè)：中山北路，側(cè)壁距路邊約23 m。

南側(cè)：準(zhǔn)備拆遷的2層民宅數(shù)幢，側(cè)壁距民宅最近約4 m；另有一幢5層民宅，側(cè)壁距該民宅19 m。

西北側(cè)：公交31、34路汽車站及2層站房，基坑側(cè)壁距站房約27 m。

西南側(cè)：中國人民解放軍七三八五七部隊(duì)營區(qū)施工區(qū)(主體已竣工)。

東側(cè)：唐山路，基坑側(cè)壁距路邊約7 m。

基坑北、東側(cè)的道路下均有地下管線(燃?xì)夤艿?、通訊光纜、自來水)分布。

綜上所述，超深基坑工程周邊環(huán)境復(fù)雜，需保護(hù)的對象多，如發(fā)生基坑環(huán)境效應(yīng)問題，其損失、影響都無法估計(jì)。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用的土層參數(shù)見表1。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用?1100@1300鉆孔灌注樁，嵌固深度21～22 m。其中南側(cè)樁長間隔增加2 m，加長樁嵌固深度23～24 m。樁身主筋為24?25三級鋼。采用單排?650@900三軸水泥土深層攪拌樁作止水帷幕，樁長24.0 m。支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置詳見圖2。采用3道混凝土內(nèi)支撐，中心標(biāo)高分別為-1.95 m、-8.95 m、-12.95 m；由于基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，僅唐山路與中山北路有出入口，且基坑深度較大，因此，在第一道支撐位置設(shè)置了L型棧橋，確保了整個(gè)基坑施工的高效性[4]。

表1 基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)土層參數(shù)表

注：c、φ指標(biāo)為標(biāo)準(zhǔn)值，其它為平均值。

圖2 基坑支護(hù)及監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖

在勘察深度內(nèi)未出現(xiàn)承壓水層，且超深基坑深度范圍主要為粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，透水性較弱。因此，在超深基坑內(nèi)每隔25 m設(shè)置一個(gè)疏干井，計(jì)14口。

2 數(shù)值模擬驗(yàn)證[5]

由于超深基坑開挖區(qū)域地層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，且超深基坑周圍情況復(fù)雜，分布有建筑物和道路。開挖作業(yè)可能會引起超深基坑本身和周邊結(jié)構(gòu)物較大變形。因此，針對該超深基坑采用有限元方法進(jìn)行分析，以得到復(fù)雜條件下的變形情況，對復(fù)雜條件下的超深基坑的設(shè)計(jì)進(jìn)行論證。

本文采用Plaxis巖土分析軟件對該超深基坑建立有限元分析模型。由于該超深基坑長和寬的尺寸都很大，滿足平面應(yīng)變的條件，因此本有限元模型按照平面應(yīng)變條件建立。按照最危險(xiǎn)的原則，計(jì)算選取的是該超深基坑的南北方向剖面，其中基坑南面分布有建筑物，而基坑北面為中山北路。模擬結(jié)果如圖3、圖4(開挖至坑底工況)。

圖3 整體網(wǎng)格變形圖

圖4 水平位移云圖

圖4為兩側(cè)墻體在各開挖階段的水平位移沿深度分布的趨勢。支護(hù)體水平位移沿深度呈拋物線形狀分布，在支護(hù)樁底部水平位移已經(jīng)很小，說明鉆孔灌注樁的深度達(dá)到要求，不會由于土體卸載作用而發(fā)生整體平移影響基坑的安全性。南側(cè)的地下支護(hù)樁水平位移略大于北側(cè)，這主要是由于南側(cè)的民宅荷載要大于北側(cè)的道路荷載，且民宅距超深基坑的距離要小于道路距超深基坑的距離。隨著開挖的進(jìn)行，支護(hù)結(jié)構(gòu)位移平穩(wěn)增加，但并未出現(xiàn)突變的現(xiàn)象，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性較高，圍護(hù)功能好。

圖5為圈梁水平位移隨開挖深度的變化規(guī)律，可以看出，圈梁水平位移隨著開挖深度基本呈線性增長，當(dāng)達(dá)到開挖深度時(shí)，水平位移值均<40 mm。

圖5 圈梁水平位移隨開挖深度的變化圖

圖6為3道支撐的軸力隨開挖深度變化的規(guī)律。由圖6可見，在3道支撐當(dāng)中，第二道支撐處于基坑開挖深度的中部，這一范圍內(nèi)基坑的變形趨勢最大，因此其軸力也相應(yīng)最大。第三道支撐軸力次之，第一道支撐軸力最小?；娱_挖完成時(shí)，3道支撐的軸力均達(dá)到最大值，且均小于報(bào)警值(分別為9657、11656和10529 kN)[6]。

圖6 支撐軸力隨開挖深度變化圖

圖7為超深基坑的豎向位移云圖，從圖7可以看出，最大沉降出現(xiàn)在民宅處。隨著超深基坑的開挖，沉降量迅速累計(jì)。至開挖完畢時(shí)，民宅累計(jì)沉降大約100 mm。因此在進(jìn)行該超深基坑開挖時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)對周邊沉降進(jìn)行觀測，并提前做好補(bǔ)強(qiáng)處理措施[7-8]。

圖7 超深基坑豎向位移云圖

3 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控措施

3.1 對敏感環(huán)境保護(hù)措施[9-10]

超深基坑開挖前，采取以下預(yù)控措施。

(1)針對南側(cè)有數(shù)幢2層民宅，基坑側(cè)壁距民宅最近約4 m，民樓鄰近深基坑，須嚴(yán)格控制該區(qū)段土體由深基坑施工引起的變形——地面沉降、水平位移，因此采用了2～3排注漿孔進(jìn)行預(yù)加固，其中最近一排孔邊緣距深層攪拌樁外邊緣15 cm?？组g距0.5 m,梅花型布置，深度10 m。

(2)針對西北側(cè)公交31、34路汽車站及2層站房位置，采用雙排樹根樁+蓋板進(jìn)行變形預(yù)控，樹根樁?300@500，排距3.0 m，頂部設(shè)置20 cm厚蓋板。

3.2 施工變形控制措施[11]

施工包括支護(hù)結(jié)構(gòu)施工、降水井施工、開挖、換撐與支撐拆除等，科學(xué)、合理的施工有助于變形的控制，否則會加速變形的發(fā)生。

開挖階段，環(huán)境變形量迅速遞增，是整個(gè)施工的關(guān)鍵。整個(gè)開挖過程遵循時(shí)空效應(yīng)原理，制定了切實(shí)可行的施工方案，內(nèi)支撐設(shè)置了十字型對撐加4個(gè)角支撐的形式，以控制超深基坑的變形；在第一層支撐梁上設(shè)置了棧橋，確保渣土車能從自然地面經(jīng)支撐梁到操作平臺，在操作平臺上可同時(shí)從4個(gè)方向進(jìn)行土方開挖外運(yùn)，加快了開挖速度，解決了土方外運(yùn)的困難。

4 現(xiàn)場測試結(jié)果及分析[12-13]

監(jiān)測工作貫穿整個(gè)地下室支護(hù)及地下結(jié)構(gòu)施工至±0.00階段，監(jiān)測點(diǎn)布置參見圖2。

4.1 道路沉降結(jié)果分析

整個(gè)施工過程時(shí)間較長，開挖過程中基坑長時(shí)間暴露，封底較慢；地下水的流失也導(dǎo)致了道路沉降；另外基坑開挖過程中大部分立柱上浮，說明坑底存在隆起現(xiàn)象，也是道路沉降的原因之一。地下室主體結(jié)構(gòu)施工過程中，道路沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

最后一次監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，沉降點(diǎn)除R9未超報(bào)警外，其它沉降點(diǎn)累計(jì)沉降量均超報(bào)警值，最大累計(jì)沉降量為141.36 mm(R20)。

4.2 建筑物沉降結(jié)果分析

本工程基坑影響范圍內(nèi)的民宅均采用天然地基，基坑開挖后對其影響較大。南側(cè)建筑物最大累計(jì)沉降量為145.68 mm(C15)，南側(cè)5層樓差異沉降最大為1.9‰(C15、C18)，地下室差異沉降最大為2.4‰(C49、C50)。導(dǎo)致其建筑物沉降的原因有：土體的挖除破壞了原有的平衡狀態(tài)，樁體向基坑內(nèi)位移，必然導(dǎo)致樁后土體應(yīng)力釋放，土體取得新的平衡，影響周邊土體產(chǎn)生從而地面沉降；土體工程性質(zhì)較差，土層孔隙比大，壓縮性及靈敏度較高，導(dǎo)致該土體受到荷載(建筑物)壓縮后土體蠕變，導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)沉降；另外該土層滲透性差導(dǎo)致其土體重新固結(jié)時(shí)間較長；水位的下降也是影響建筑物下降的原因之一。 為此，采取以下措施：混凝土墊層下鋪設(shè)30 cm厚碎石墊層；混凝土墊層厚度由10 cm加厚至15 cm。 4.3 支撐軸力結(jié)果分析

從圖8～10可以看出，受力最大的為二層支撐，符合支護(hù)受力特點(diǎn)。隨著土方開挖加深支撐軸力逐漸增大，基坑施工過程中每層支撐軸力最大值均沒有超過設(shè)計(jì)報(bào)警值。底板施工結(jié)束后支撐軸力趨于平穩(wěn)，過程中受溫度影響軸力曲線呈“鋸齒”狀。

以一層支撐軸力為例，一層支撐軸力在二層支撐施工至底板施工結(jié)束期間，未出現(xiàn)軸力突變情況，受荷載、溫度影響曲線呈上下波動狀，最大軸力為6000 kN左右。當(dāng)進(jìn)行第三層、第二層支撐拆除，一層軸力有所增加，在整個(gè)基坑施工過程中一層支撐最大軸力為8238.98 kN(ZC10)。

圖8 第一層支撐軸力-時(shí)間曲線圖

圖9 第二層支撐軸力-時(shí)間曲線圖

圖10 第三層支撐軸力-時(shí)間曲線圖

5 結(jié)論

(1)深基坑工程變形和受力的控制總體上達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，支護(hù)結(jié)構(gòu)有效地起到了擋土止水的作用。施工過程中，在監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采取了有針對性的地基加固措施，超深基坑開挖施工未對周邊產(chǎn)生破壞性的影響。

(2)受力最大的為二層支撐，符合支護(hù)受力特點(diǎn)。隨著土方開挖加深支撐軸力逐漸增大，基坑施工過程中每層支撐軸力最大值均沒有超過設(shè)計(jì)報(bào)警值。

(3)在深基坑施工過程中，施工單位要堅(jiān)持日常巡視的制度，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并與監(jiān)測單位密切配合協(xié)作。即使已對周邊地層進(jìn)行了加固，但由于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜性，在超深基坑開挖時(shí)，仍可能對敏感環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

(4)充分發(fā)揮基坑安全監(jiān)測在類似基坑工程中的指導(dǎo)作用。基坑監(jiān)測能夠全面反映基坑安全狀況，最大限度的保障工程施工安全，減免不必要的經(jīng)濟(jì)損失。施工過程中，各參建單位應(yīng)繼續(xù)保持對實(shí)行信息化施工的高度重視，特別需要強(qiáng)調(diào)監(jiān)測工程的指導(dǎo)意義，在施工流程安排、施工工藝實(shí)施、施工變更等過程中，均應(yīng)參考監(jiān)測數(shù)據(jù)。

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Study on Deformation Caused by Deep Foundation Pit Construction in Soft Soil of Nanjing Xiaguan District and the Control Method/

ZHAOXiang1，LIUZu-chun2,WANGDao-hua2

(1.Jiangsu East China Mineral Exploration and Development Bureau 807 Team, Nanjing Jiangsu 210007, China; 2.Nanjing Exploration Engineering Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 210007, China)

With the increase of the urban building density, the building groups in soft soil area are also increase, the foundation pit construction is restricted by the strict environments. Timely and effectively predicting the deformation caused by foundation pit construction and the impact on the surrounding environment, summarizing foundation pit deformation control technologies and the measures and verifying the implementation effects have important guiding significance for the design and construction of deep foundation pit in soft soil areas. Combined with the engineering practice of a foundation pit project in Nanjing, by means of theoretical analysis, numerical simulation and construction monitoring, the deformation caused by deep foundation pit excavation in soft soil area and the control methods are studied.

soft soil; deep foundation pit; numerical simulation; deformation control

2016-09-19;

2016-12-14

趙翔，男，漢族，1981年生，碩士，從事基坑設(shè)計(jì)、基坑監(jiān)測、地基處理方面的工作，江蘇省南京市秦淮區(qū)石門坎102號華鑫大廈12樓，531241110@qq.com。

TU441+.6;TU473.2

A

1672-7428(2017)04-0061-05