軟土地區(qū)復(fù)雜敏感環(huán)境下深大基坑分倉施工對(duì)格構(gòu)柱的影響與分析

□文/張秀川 李卓文 朱明華 鄭 彬 王常旭 許增攀

1 工程概況

某大型城市綜合體地處天津市商業(yè)中心區(qū)域，周邊環(huán)境復(fù)雜敏感，為地鐵上蓋工程。基坑開挖標(biāo)高為-19.060 m，基坑周長(zhǎng)約535 m，基坑面積約13 000 m2，樁筏基礎(chǔ)。

工程四周采用地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，支撐選用鋼筋混凝土支撐和鋼支撐，支撐形式為對(duì)撐及邊桁架，見圖1。為確保運(yùn)營(yíng)地鐵和臨近歷史風(fēng)貌保護(hù)建筑物安全，基坑內(nèi)部采用非永久地下連續(xù)墻進(jìn)行分倉設(shè)計(jì)，將超大基坑劃分為四個(gè)小基坑，臨近歷史風(fēng)貌保護(hù)建筑一側(cè)基坑及部分電梯坑采用高壓旋噴樁進(jìn)行地基加固。

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

2 樁基及格構(gòu)柱設(shè)計(jì)概況

鉆孔灌注樁類型主要有工程抗拔樁、工程抗壓樁、立柱樁3種，樁徑分別為800、1 000、1 400 mm。立柱樁共計(jì)2種類型，工程樁兼做立柱樁的混凝土強(qiáng)度為水下C40，保護(hù)層厚度60 mm；其余為水下C30混凝土，保護(hù)層厚度50 mm，除兼做立柱樁的工程樁外，單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值2 200 kN。格構(gòu)柱插入立柱樁內(nèi)3 m以上并與樁主筋可靠焊接，高度至第一道支撐底部，見表1-表2和圖2。

表1 立柱樁設(shè)計(jì)概況

表2 格構(gòu)柱設(shè)計(jì)概況

圖2 格構(gòu)柱節(jié)點(diǎn)

3 工程地質(zhì)條件

4 格構(gòu)柱豎向位移監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

按照GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，基坑等級(jí)為一級(jí)，屬于超深基坑。本文重點(diǎn)分析深大基坑分倉開挖對(duì)格構(gòu)柱豎向位移的影響關(guān)系，共設(shè)置21個(gè)格構(gòu)柱豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位均布置在一區(qū)和二區(qū)基坑內(nèi)部，由于監(jiān)測(cè)量比較大，故本文僅統(tǒng)計(jì)21個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終累計(jì)位移值，同時(shí)根據(jù)基坑平面布置，選取LZ1、LZ8、LZ9、LZ19、LZ13、LZ16、LZ20、LZ21等具有典型意義的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)過程分析，見圖3。

圖3 格構(gòu)柱沉降監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

5 格構(gòu)柱豎向位移影響因素分析

5.1 基礎(chǔ)形式及構(gòu)造

選取的8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，僅有LZ13樁徑為800 mm，其余立柱樁樁徑為 1 000 mm。LZ8、LZ16、LZ21為工程抗拔樁兼做立柱樁，從樁頂?shù)綐兜字鹘钜来螢?825 mm、2425 mm、1925 mm、1425 mm；LZ9為工程抗壓樁兼做立柱樁，配筋同LZ1、LZ19、LZ20立柱樁，從樁頂?shù)綐兜字鹘罟潭?614 mm不變；LZ13立柱樁從樁頂?shù)綐兜字鹘钜来螢?614 mm、814 mm，見表3。

表3 立柱樁及格構(gòu)柱型號(hào)

5.2 土方開挖及內(nèi)支撐施工

考慮周邊環(huán)境安全，充分運(yùn)用“時(shí)空效應(yīng)”，各區(qū)域分倉進(jìn)行土方開挖，大開挖前先完成首道撐施工，面積較大的一區(qū)、二區(qū)基坑不同時(shí)施工。優(yōu)先施工遠(yuǎn)離地鐵的一區(qū)，然后依次進(jìn)行二區(qū)、三區(qū)及四區(qū)的土方開挖。各區(qū)域開挖方式為分層、分塊對(duì)撐開挖，一區(qū)、二區(qū)采用分層、分塊開挖工藝，見圖4和表4-表5。

5.3 地下結(jié)構(gòu)施工及內(nèi)支撐拆除

開挖至坑底后，進(jìn)行基坑墊層、底板及地下主體施工，與內(nèi)支撐拆除穿插進(jìn)行，見表6和表7。

圖4 一區(qū)、二區(qū)土方開挖步序

表4 各區(qū)域土方開挖工況

表5 一區(qū)、二區(qū)內(nèi)支撐施工工況

表6 一區(qū)、二區(qū)結(jié)構(gòu)施工工況

表7 一區(qū)、二區(qū)內(nèi)支撐拆除工況

6 格構(gòu)柱豎向位移隨施工時(shí)間推移的變化與分析

施工過程中，按照規(guī)范及設(shè)計(jì)要求完成土方開挖階段格構(gòu)柱豎向位移的定期監(jiān)測(cè)，完成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匯總分析，見圖5和圖6。

圖5 一區(qū) LZ1、LZ8、LZ9、LZ19豎向位移監(jiān)測(cè)曲線

圖6 二區(qū) LZ113、LZ116、LZ120、LZ121豎向位移監(jiān)測(cè)曲線

圖5為一區(qū)自第一次觀測(cè)至土方開挖完成期間各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變化量，在6.4～21.2 mm之間，最大累計(jì)變化量為21.2 mm，產(chǎn)生在LZ19號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域；在進(jìn)行基坑墊層、底板、地下結(jié)構(gòu)、支撐拆除等施工作業(yè)期間，支撐立柱豎向位移呈一定量的上升趨勢(shì)，截至最后一次監(jiān)測(cè)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的累計(jì)變化量在14.9～33.7 mm之間，最大累計(jì)變化量為33.7 mm，產(chǎn)生在LZ9號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域?？梢悦黠@看出，緊鄰二區(qū)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)LZ9在一區(qū)土方開挖完成后，2014年12月3日—2015年1月14日期間豎向位移產(chǎn)生較大變化，累計(jì)變化量為11.1 mm。

圖6為二區(qū)自第一次觀測(cè)至土方開挖完成期間各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變化量，在19.1～24.4 mm之間，最大累計(jì)變化量為24.4 mm，產(chǎn)生在LZ13號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域；在進(jìn)行基坑墊層、底板、地下結(jié)構(gòu)、支撐拆除等施工作業(yè)期間，支撐立柱豎向位移呈一定量的上升趨勢(shì)，截至最后一次監(jiān)測(cè)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的累計(jì)變化量在20.0～25.3 mm之間，最大累計(jì)變化量為25.3 mm，產(chǎn)生在LZ13號(hào)監(jiān)測(cè)區(qū)域。

科技創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力，不僅可以直接轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，而且可以通過科技的滲透作用放大各生產(chǎn)要素的生產(chǎn)力，提高社會(huì)整體生產(chǎn)力水平?；浉郯拇鬄硡^(qū)目前已成為引領(lǐng)技術(shù)變革和帶動(dòng)全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要增長(zhǎng)極，未來將統(tǒng)籌利用全球科技創(chuàng)新資源，優(yōu)化跨區(qū)域合作創(chuàng)新發(fā)展模式。賀州市必須借力粵港澳大灣區(qū)，提高自主創(chuàng)新能力，為高質(zhì)量發(fā)展插上科技創(chuàng)新的翅膀。

結(jié)合土方開挖工期及工況分布，對(duì)上述監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)。

1）分區(qū)土方開挖對(duì)格構(gòu)柱豎向位移的影響。隨著基坑內(nèi)土方開挖深度的增加，基坑內(nèi)土體卸載造成基坑坑底隆起，支撐立柱出現(xiàn)上升趨勢(shì)；隨著基坑墊層、底板及地下主體施工期間荷載的不斷增加，上升趨勢(shì)逐漸減弱并進(jìn)入穩(wěn)定期，如監(jiān)測(cè)點(diǎn)LZ1，所處位置底板率先完成，豎向位移變化值較早進(jìn)入平穩(wěn)期；在基坑土方開挖及后續(xù)施工過程中，基坑支撐立柱豎向位移累計(jì)變化量較大，但相鄰格構(gòu)柱之間的差異沉降量較小。應(yīng)用非永久地下連續(xù)墻進(jìn)行分倉施工后，在二區(qū)基坑開挖期間，隨開挖深度加大，二區(qū)基坑土應(yīng)力得到釋放，坑底土體隆起對(duì)非永久地下連續(xù)墻產(chǎn)生向上的摩阻力，經(jīng)對(duì)距離非永久地下連續(xù)墻8.57 m的LZ9點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，該點(diǎn)位在二區(qū)進(jìn)行第三步、第四步土方開挖時(shí)，豎向位移發(fā)生較明顯上浮，而距離最遠(yuǎn)的LZ1受影響最小。由此可以驗(yàn)證，分區(qū)后，后施工區(qū)域會(huì)對(duì)前施工區(qū)域格構(gòu)柱豎向位移產(chǎn)生影響，影響程度與靠近非永久地下連續(xù)墻的距離成反比，即距離越遠(yuǎn)，影響越小；距離越近，影響越大。

2）基礎(chǔ)形式及構(gòu)造對(duì)格構(gòu)柱豎向位移的影響。綜合圖5和圖6可知，所選格構(gòu)柱豎向位移最終上浮均值保持在23.50 mm左右，但數(shù)據(jù)離散性較大。由圖5可知，LZ9為工程抗壓樁兼做立柱樁，樁內(nèi)主筋的數(shù)量及直徑遠(yuǎn)小于抗拔樁，樁底深度最深，達(dá)到-58.01 m，受土體回彈影響樁側(cè)摩阻力最大，故其豎向位移最大。由圖6可知，LZ16、LZ21為工程抗拔樁兼做立柱樁，樁內(nèi)主筋的數(shù)量及直徑遠(yuǎn)大于立柱樁，其格構(gòu)柱豎向位移上浮相比立柱樁較小，直徑800 mm的工程抗壓樁兼做立柱樁LZ13與直徑1 000 mm立柱樁豎向位移接近，即樁徑對(duì)豎向位移影響不明顯。

3）內(nèi)支撐及結(jié)構(gòu)施工階段格構(gòu)柱豎向位移影響。通過對(duì)圖5和圖6分析，結(jié)合深大基坑分倉施工工況，可明顯發(fā)現(xiàn)內(nèi)支撐施工后，由于荷載增加，在基坑開挖周期內(nèi)立柱樁間歇出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。土方開挖完畢，由于基礎(chǔ)底板施工后荷載增加，格構(gòu)柱豎向位移變化趨勢(shì)減緩，一定期間內(nèi)出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。

隨著支撐拆除，基坑內(nèi)荷載減少，格構(gòu)柱豎向位移繼續(xù)增長(zhǎng)。結(jié)構(gòu)施工階段，由于結(jié)構(gòu)墻柱及梁板施工完畢后荷載增加，一定期間內(nèi)出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。即底板澆筑完成后，地下結(jié)構(gòu)施工及內(nèi)支撐拆除階段格構(gòu)柱豎向位移交錯(cuò)變化，總體變化幅度較小。

4）季節(jié)因素對(duì)格構(gòu)柱豎向位移的影響。一區(qū)基坑工程施工周期為2014年7月3日—2014年10月28日，二區(qū)基坑工程施工周期為2014年9月6日—2014年12月27日。天津市雨期為每年6月初至8月底，冬期為每年11月中旬至3月中旬。雨期主要施工內(nèi)容為一區(qū)的第一步、第二步土方開挖，由圖7可知，受地下水位上升影響，土中有效自重應(yīng)力減少，隨坑外水頭增大，坑內(nèi)外水位差增大，格構(gòu)柱豎向位移變化較大。

冬期主要施工內(nèi)容為二區(qū)的第三步、第四步土方開挖，分析圖7可知，一區(qū)土方開挖完成時(shí)基坑內(nèi)部格構(gòu)柱豎向位移均值為12.725 m，二區(qū)土方開挖完成時(shí)基坑內(nèi)部格構(gòu)柱豎向位移均值為21.9 m，即冬期施工期間，大氣溫度較低，土體在低溫下凍結(jié)，發(fā)生凍脹隆起現(xiàn)象，樁側(cè)摩阻力增大，導(dǎo)致冬期施工期間土方開挖引起格構(gòu)柱豎向位移大于非冬期施工期間格構(gòu)柱豎向位移。

圖7 一區(qū)、二區(qū)土方開挖完成時(shí)格構(gòu)柱豎向位移

從上述分析可得，內(nèi)支撐及結(jié)構(gòu)施工、季節(jié)施工均是格構(gòu)柱的豎向位移的影響因素，基礎(chǔ)形式及構(gòu)造并未產(chǎn)生明顯影響，而土方開挖直接影響基坑內(nèi)開挖面以下的土層隆起變形，引起樁身側(cè)摩阻力變化，立柱樁及其上部的格構(gòu)柱產(chǎn)生明顯的上浮，即土方開挖引起的基坑隆起是影響格構(gòu)柱豎向位移的主要因素。故本文接下來對(duì)格構(gòu)柱位移隨開挖深度影響關(guān)系進(jìn)一步分析。

7 格構(gòu)柱位移隨開挖深度的數(shù)值變化與分析

本工程進(jìn)行分倉設(shè)計(jì)，將超大基坑劃分為4個(gè)小基坑后，一區(qū)和二區(qū)小基坑開挖深度及開挖歷時(shí)一致，開挖面積接近。經(jīng)過對(duì)施工過程數(shù)據(jù)的分析與整理，研究格構(gòu)柱豎向位移隨開挖深度的數(shù)值變化，從-0.6 m標(biāo)高開挖，見表8和圖8-圖9。

圖8 LZ1、LZ8、LZ9、LZ19 豎向位移監(jiān)測(cè)曲線

圖9 LZ13、LZ16、LZ20、LZ21豎向位移監(jiān)測(cè)曲線

表8 一區(qū)土方開挖參數(shù)

結(jié)合圖8和圖9，可以分析出如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1）各區(qū)域各監(jiān)測(cè)點(diǎn)格構(gòu)柱豎向位移隨土方開挖的變化趨勢(shì)是基本一致的；

2）后期開挖區(qū)域的格構(gòu)柱豎向位移變化速率普遍大于先期開挖的圍護(hù)墻。

8 結(jié)論

1）基坑土方開挖過程是土體卸載的過程，格構(gòu)柱隨土方開挖上浮，上浮速率與開挖深度成正比，基坑開挖至設(shè)計(jì)面標(biāo)高，進(jìn)行墊層及底板施工后，格構(gòu)柱豎向位移有所減緩，在基坑底板、墊層、地下結(jié)構(gòu)、支撐拆除等施作業(yè)期間變化相對(duì)平緩。

2）開挖過程中應(yīng)充分考慮“時(shí)空效應(yīng)”，盡量縮短開挖時(shí)間、降低開挖面積，以更好的控制格構(gòu)柱的豎向位移變化值。

3）基坑采用分倉施工時(shí)，先開挖基坑施工完畢后，緊鄰后開挖基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的摩阻力減少，后開挖基坑施工時(shí)格構(gòu)柱豎向位移變化速率較快。同時(shí)后開挖基坑施工階段，分倉用臨時(shí)地連墻及先開挖基坑內(nèi)鄰近格構(gòu)柱上浮。

4）內(nèi)支撐施工及基礎(chǔ)底板施工均會(huì)減緩格構(gòu)柱上浮速率，甚至出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。基礎(chǔ)形式及構(gòu)造、地下結(jié)構(gòu)施工對(duì)格構(gòu)柱豎向位移無明顯影響。

5）雨期土方開挖期間，受地下水位上升影響，土中有效自重應(yīng)力減少，隨坑外水頭增大，坑內(nèi)外水位差增大，格構(gòu)柱豎向位移變化較大，即雨期施工期間要嚴(yán)格控制地下水位標(biāo)高。冬期土方開挖期間，大氣溫度較低，土體在低溫下凍結(jié)，發(fā)生凍脹隆起現(xiàn)象，樁側(cè)摩阻力增大，導(dǎo)致冬期施工期間土方開挖引起格構(gòu)柱豎向位移變化較大。

6）工程樁入土深度及直徑較大，工程樁兼做立柱樁不但降低工程造價(jià)，同時(shí)有助于減少格構(gòu)柱豎向位移，降低對(duì)基坑變形的不利影響。

7）軟土地區(qū)土方開挖時(shí)，基坑隆起效應(yīng)明顯，為確?；蛹爸苓叚h(huán)境安全，需加強(qiáng)格構(gòu)柱、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移監(jiān)測(cè)。

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