深厚填土區(qū)深基坑施工全過程監(jiān)測與分析

吳旭彬

（1、深圳市巖土綜合勘察設(shè)計有限公司 深圳518172；2、深圳市龍崗地質(zhì)勘查局 深圳518172）

0 引言

深基坑工程作為危險性較大的分部分項工程，在開挖過程中事故頻發(fā)，基坑失穩(wěn)與傾覆往往會對周邊建筑造成嚴(yán)重破壞并形成重大安全事故，如何保證深基坑的安全和穩(wěn)定是工程中的重要課題。對于存在深厚軟弱土、深厚填土等不利地質(zhì)條件的深基坑工程，除采取穩(wěn)妥的基坑支護(hù)方案、嚴(yán)格控制施工質(zhì)量外，利用科學(xué)合理的監(jiān)測手段，形成及時有效的反饋機(jī)制，也是保證深基坑安全穩(wěn)定的重要途徑。國內(nèi)外學(xué)者針對各地區(qū)不利地質(zhì)條件下遇到的深基坑工程，深入分析基坑開挖監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時預(yù)警險情、處理問題，既保證了工程的安全又得到了很多有益的成果［1-4］。吳鋒波等人［5］對多地的基坑工程監(jiān)測問題進(jìn)行總結(jié)，提出了針對監(jiān)測控制值的建議；丁智等人［6］對浙江軟弱土地區(qū)37 個深基坑的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸納分析，提出了一種預(yù)測基坑側(cè)移曲線的方法；葉任寒等人［7］結(jié)合溫州地區(qū)一軟土基坑，探討了基坑開挖對周邊建筑物、道路沉降、支撐軸力以及地下水位等的影響。胡靜等人［8］針對天津某軟弱土地層條件下的深基坑工程，利用基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了SMW 工法在此地區(qū)的適用性。肖榮軍［9］針對一軟弱土基坑工程，提出了一種鋼管斜撐改進(jìn)設(shè)計方法，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證了改進(jìn)方法的工程實用性。吳乾坤等人［10］利用某軟弱土地區(qū)深大基坑開挖全過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，深入分析了基坑開挖不同階段的變形規(guī)律。本研究的背景是深圳地區(qū)一人工填土區(qū)域的基坑工程，基坑開挖深度為14～16 m 且開挖范圍內(nèi)幾乎全部為素填土，支護(hù)采取的形式主要為樁錨支護(hù)，針對如此深厚填土區(qū)域的深基坑進(jìn)行監(jiān)測分析在國內(nèi)外鮮有相關(guān)的經(jīng)驗。

本文結(jié)合深圳地區(qū)某開挖范圍幾乎全為填土的深基坑工程，介紹了針對其樁錨支護(hù)方式的基坑監(jiān)測方案，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移、沉降、測斜以及錨桿拉力等監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行了深入分析，揭示了基坑工程監(jiān)測指標(biāo)在施工全過程中的變化趨勢，為基坑的安全工作提供了保證，可為類似基坑工程提供參考。

1 工程簡介

1.1 工程概況

某基坑項目位于深圳市龍崗區(qū)大運(yùn)片區(qū)，周長約350 m，開挖面積約8 100 m2，場地東側(cè)、北側(cè)現(xiàn)為空地，西側(cè)為市政道路，南側(cè)為大運(yùn)中心停車場。場地規(guī)劃擬建包括1 棟20 層辦公樓（高度為100 m）、1 棟16 層辦公樓（高度為82.5 m）、1 棟14 層公寓（高度為56.7 m）以及商業(yè)裙房（高2 層），設(shè)整體地下室3 層。高層住宅結(jié)構(gòu)型式擬采用框架-核心筒、框架-剪力墻，基礎(chǔ)擬采用樁基礎(chǔ)?；娱_挖范圍內(nèi)的地質(zhì)情況主要為素填土（填土的堆填時間推測為8～10 年）、砂質(zhì)黏性土、全風(fēng)化砂巖以及強(qiáng)風(fēng)化砂巖，其物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 Physical and Mechanical Indexes of Soil Layer

1.2 支護(hù)設(shè)計方案

本項目周邊環(huán)境條件較為有利，基坑周邊無重要的建筑物，對變形控制指標(biāo)要求較低。經(jīng)建設(shè)方與周邊地塊溝通，柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)可不受用地紅線限制，存在錨索施工的有利條件。但本項目開挖范圍內(nèi)幾乎全部為素填土，錨索抗拔性能由于不利的地質(zhì)條件必然會受到影響。經(jīng)過多組錨索基本試驗驗證，最終確定了樁+錨索的支護(hù)方案（從上至下3 道錨索），選取基坑支護(hù)的典型剖面如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)典型剖面Fig.1 Typical Profile of Supporting

本基坑的主要設(shè)計方案如下：①基坑支護(hù)的最大深度為16 m 左右，周邊環(huán)境較為簡單，除一側(cè)分部有市政管線外，周邊無重要建（構(gòu)）筑物，開挖范圍內(nèi)存在深厚填土，地質(zhì)條件較差，依據(jù)開挖深度及周邊環(huán)境的破壞后果，將基坑支護(hù)的安全等級確定為二級；②支護(hù)方案為樁+錨索的形式，支護(hù)樁樁徑為1.2 m，支護(hù)樁間距為1.8 m，錨索設(shè)置3 道，支護(hù)樁長在滿足基坑整體穩(wěn)定和抗傾覆要求的前提下，根據(jù)地質(zhì)條件有所區(qū)別，由上至下設(shè)置3道預(yù)應(yīng)力錨索，錨索抗拔力根據(jù)基本試驗和計算要求綜合設(shè)置；③鑒于填土具有較強(qiáng)透水性，且基坑周邊存在市政管線及地面停車場，基坑設(shè)置全封閉止水帷幕，帷幕采用在2根支護(hù)樁中間設(shè)置1 根3 管旋噴樁的形式（樁徑為1.0 m），帷幕深度要求穿透填土地層不小于3 m以達(dá)到封閉止水的效果。④基坑布置臨時排水系統(tǒng)，包括基坑頂部及底部的排水溝和集水井等設(shè)施。

2 監(jiān)測方案設(shè)計

2.1 監(jiān)測項目

本基坑設(shè)置的具體監(jiān)測項目如表2 所示，主要包括支護(hù)樁的水平、豎向位移、測斜值、錨索應(yīng)力、地下水位以及周邊地表和管線的沉降等，監(jiān)測點(diǎn)的具體位置如圖2所示。

表2 監(jiān)測項目Tab.2 Monitoring Program

圖2 監(jiān)測點(diǎn)平面布置Fig.2 Layout Chart of Monitoring Point

2.2 監(jiān)測頻率及預(yù)警值設(shè)置

監(jiān)測頻率和和監(jiān)測預(yù)警值是基坑監(jiān)測的重要指標(biāo)，一般需要結(jié)合周邊環(huán)境、地質(zhì)情況以及基坑安全等級綜合設(shè)置?；拥谋O(jiān)測頻率在不同的施工階段有所不同，基坑未開挖之前一般只監(jiān)測周邊環(huán)境及管線情況，待基坑開挖階段開始對所設(shè)置的所有監(jiān)測項目展開監(jiān)測工作，隨著開挖深度的增加，監(jiān)測的密度逐漸增加，等開挖至基坑底并澆筑底板后，監(jiān)測頻率會稍有降低，如有內(nèi)支撐的情況，在拆撐的過程中又需要加密監(jiān)測頻率。在施工過程中如遇暴雨等惡劣天氣或出現(xiàn)變形較大超過預(yù)警值等危險情況應(yīng)加密監(jiān)測，并提供處理建議。結(jié)合本項目工程設(shè)計，監(jiān)測頻率如表3所示，監(jiān)測項目累計允許值如表4所示。

表3 監(jiān)測頻率Tab.3 Monitoring Frequency

表4 監(jiān)測項目累計值Tab.4 Aggregate-value of Monitoring Program

2.3 監(jiān)測工作完成情況

本項目于2016 年10 月正式開始進(jìn)場施工，2016年10月～2017年1月為支護(hù)結(jié)構(gòu)施工階段，2017年2 月開始布置監(jiān)測點(diǎn)并采集監(jiān)測初始值，2017 年2 月～2019 年4 月共對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了497 次變形監(jiān)測（包括豎向沉降及水平位移），地表沉降共進(jìn)行了500 次監(jiān)測，對基坑周邊管線及道路進(jìn)行了493 次變形監(jiān)測，對預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行了493次變形監(jiān)測，對水位觀測492 次，對深層水平位移進(jìn)行了490 次變形監(jiān)測，基坑于2019 年4 月回填，監(jiān)測工作結(jié)束。本項目監(jiān)測工作共持續(xù)2 年多，各項監(jiān)測指標(biāo)在監(jiān)測期間未出現(xiàn)超過預(yù)警值的情況，按時提供了監(jiān)測報告并及時提供了施工建議。

3 監(jiān)測結(jié)果及分析

3.1 水平位移監(jiān)測

水平位移監(jiān)測一般包括支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移和測斜值監(jiān)測，本項目共選取了14個支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測點(diǎn)和8 個測斜監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行水平位移監(jiān)測。圖3列舉了6個樁頂水平位移在整個基坑開挖過程中的變化過程，圖4 列舉了一個典型的支護(hù)樁深層水平位移在不同施工階段過程中的變化趨勢。

圖3的6個監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示所有的樁頂水平位移都是隨著開挖進(jìn)度逐步增大的，在基坑開挖至基坑底附近時，位移逐漸趨于穩(wěn)定，后期位移數(shù)據(jù)基本保持不變。經(jīng)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，樁頂水平位移最大為25 mm，整個施工過程中未出現(xiàn)超過預(yù)警值的情況（預(yù)警值為40 mm×80%=32 mm）。對于深厚填土條件下的深基坑施工，控制樁頂水平位移是非常重要的，在此種條件下，采用樁錨支護(hù)體系對于變形的控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如樁撐支護(hù)體系，開挖深度大于10 m 的填土區(qū)域基坑，出現(xiàn)20～30 mm 的變形是較為正常的現(xiàn)象。對于支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部有重要的建筑物或存在對變形較為敏感的管線等情況，深厚填土區(qū)域開挖基坑應(yīng)盡量選擇樁撐支護(hù)體系，以達(dá)到對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的有效控制。

圖3 水平位移監(jiān)測變化趨勢圖Fig.3 Typical Variation Trend of Horizontal Displacement of Pile Top

從圖4 分析得出，支護(hù)結(jié)構(gòu)在頂部的水平位移是最大的，隨著深度加大水平位移有逐漸減小的趨勢，這種發(fā)展趨勢在不同的施工階段基本是相似的，并且隨著時間的推移這種趨勢越發(fā)的明顯。值得注意的是，支護(hù)樁深層水平位移并非都是呈上部大、下部小的變化趨勢，其變化趨勢與支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)形式有密切的關(guān)系，如典型的有多道錨索的樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)其變形一般會呈上大下小，而采用多道內(nèi)支撐的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)則會出現(xiàn)中間大兩頭小的葫蘆型變化趨勢，并不能一概而論。

圖4 深層水平位移變化趨勢圖Fig.4 Typical Deep Horizontal Displacement of Support Pile

3.2 沉降位移監(jiān)測

沉降監(jiān)測點(diǎn)主要包括支護(hù)結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測點(diǎn)、地表沉降監(jiān)測點(diǎn)以及道路沉降監(jiān)測點(diǎn)，本項目共設(shè)置支護(hù)結(jié)構(gòu)沉降位移監(jiān)測點(diǎn)14 個，地表沉降位移監(jiān)測點(diǎn)14個，以及道路路面沉降位移監(jiān)測點(diǎn)7 個。選取了典型的沉降位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圖5 列舉了典型的支護(hù)樁沉降位移隨時間的變化趨勢，圖6 列舉了典型的地表沉降位移隨基坑開挖全過程的變化趨勢。

圖5中6個監(jiān)測點(diǎn)體現(xiàn)出的支護(hù)樁沉降位移變化趨勢基本一致，隨著基坑開挖過程的推移，沉降逐漸增大，在基坑開挖到底后，沉降位移趨于穩(wěn)定，直到基坑回填未有繼續(xù)增大的趨勢。在整個基坑開挖過程中，支護(hù)樁的沉降位移數(shù)值一直較小，最大不超過15 mm，這與支護(hù)樁端部埋深較大有密切的關(guān)系。深基坑的支護(hù)樁嵌固深度一般較大，部分甚至?xí)M(jìn)入中、微風(fēng)化巖層，因此支護(hù)樁的沉降位移一般較小。而相應(yīng)的，支護(hù)樁后側(cè)的地面沉降往往數(shù)值較大，從圖6可以看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)的地面沉降隨著開挖過程同樣逐漸增大，在后期保持穩(wěn)定，并一直持續(xù)至基坑回填，最大沉降位移約25 mm。通過對比圖5 與圖6 可發(fā)現(xiàn)，即使在同一位置，地面沉降位移相比支護(hù)樁沉降位移會大很多，因此在深基坑工程中往往會出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)地面與支護(hù)樁脫離，甚至出現(xiàn)支護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)地面開裂的情況。目前，深基坑支護(hù)項目周邊環(huán)境越發(fā)復(fù)雜，在支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部往往埋藏有大量的市政管線，在這種情況下，需要評估支護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)的地面沉降對市政管線的影響，并做好相應(yīng)的處理措施，避免導(dǎo)致事故的發(fā)生。道路沉降觀測點(diǎn)的沉降數(shù)據(jù)變化趨勢與地表沉降基本一致，且數(shù)值較小，此處不再贅述。

圖5 典型支護(hù)樁沉降位移隨時間變化趨勢Fig.5 Typical Variation Trend of Settlement Displacement of Pile

圖6 典型地表沉降位移隨時間變化趨勢Fig.6 Typical Variation Trend of Ground Settlement

3.3 錨索應(yīng)力監(jiān)測

本項目共設(shè)有錨索應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)7 個，每個監(jiān)測點(diǎn)在每層錨索均進(jìn)行了應(yīng)力監(jiān)測，由于本基坑項目施工速度較快，錨索受荷時間約為1年半，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示錨索應(yīng)力損失較小，錨索應(yīng)力減少量基本在10%～15%以內(nèi)。在錨索應(yīng)力監(jiān)測中出現(xiàn)應(yīng)力損失是常見的，但也經(jīng)常會出現(xiàn)應(yīng)力突增的情況，這與錨索的受力狀態(tài)息息相關(guān)。一般支護(hù)樁的側(cè)向位移過大往往會導(dǎo)致錨索的應(yīng)力出現(xiàn)增加的趨勢，而應(yīng)力損失，則經(jīng)常是由于雨水浸泡土體導(dǎo)致錨索注漿體與土體之間錨固力的損失。

3.4 地下水位監(jiān)測

本項目共布置了6 個水位觀測點(diǎn)，選取了2 個水位觀測點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖7所示，可以看出地下水位是逐漸下降的，累計下降值隨著基坑開挖是逐漸增大的，開挖到基坑底附近時，地下水位逐漸趨于穩(wěn)定，后期施工階段變化不大。6個水位監(jiān)測點(diǎn)顯示地下水位累計變化值最大約2 m，未超過預(yù)警值。地下水的下降與地面沉降往往是相關(guān)的，基于二者的變化關(guān)系可以得出，地下水的下降與地面沉降都是隨著基坑開挖逐漸增加，到后期逐漸趨于穩(wěn)定一直保持到基坑回填為止。為防止地下水位下降導(dǎo)致地面沉降過大，基坑周邊往往會預(yù)留回灌井進(jìn)行地下水的回灌處理，回灌井可借用水位觀測井也可重新設(shè)置，但即使采取回灌措施，在基坑開挖較深的情況下，地下水位的下降往往也是不可避免的。深基坑開挖應(yīng)做好地下水位下降導(dǎo)致地面沉降較大的應(yīng)急預(yù)案，并對基坑頂部的管線、淺基礎(chǔ)建筑物等做好相應(yīng)的評估和保護(hù)工作。

圖7 地下水位累計變化值隨時間變化的趨勢Fig.7 Typica Variation Trend of Underground Water Level

4 結(jié)論

⑴深厚填土條件下進(jìn)行基坑開挖，控制支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移非常重要，隨著基坑施工的進(jìn)行，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移逐漸增加，并且水平位移從頂部到底部有逐漸減小的趨勢。分析認(rèn)為在深厚填土區(qū)采用樁錨支護(hù)體系，對于變形的控制效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如樁撐支護(hù)體系。

⑵支護(hù)樁沉降位移隨著基坑開挖過程的推移逐漸增大，在基坑開挖到底后，沉降位移趨于穩(wěn)定，而地面沉降位移相比支護(hù)樁沉降位移會大很多，因而在深厚填土區(qū)需評估支護(hù)結(jié)構(gòu)后側(cè)的地面沉降對市政管線的影響，并做好相應(yīng)的處理措施。

⑶在錨索受荷載作用的1年半時間內(nèi)，錨索應(yīng)力損失較小，應(yīng)力減少量基本在10%～15%以內(nèi)。錨索應(yīng)力可能會出現(xiàn)應(yīng)力損失的情況，也會出現(xiàn)應(yīng)力突增的情況，這與錨索的受力狀態(tài)息息相關(guān)。

⑷在施工過程中，地下水位逐漸下降，累計下降值隨著基坑的開挖逐漸增大，開挖到基坑底附近時，地下水位趨于穩(wěn)定。在深厚填土區(qū)開挖深基坑，地下水位的下降不可避免，因此需做好地下水位下降導(dǎo)致地面沉降較大的應(yīng)急預(yù)案，并對基坑頂部的管線、淺基礎(chǔ)建筑物等設(shè)施做好相應(yīng)的評估和保護(hù)工作。