臨近淺基礎(chǔ)建筑單層地下室基坑變形控制研究

袁子琦 崔允亮

(1.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州 311122；2.浙江大學(xué)城市學(xué)院 工程學(xué)院，浙江杭州 310015)

0 引言

基坑開挖會對周圍環(huán)境造成影響，該問題日益突出，在基坑開挖時如何保護(hù)周邊的環(huán)境受到廣泛討論[1-3]。在基坑工程的設(shè)計階段，不僅需要考慮到基坑自身的穩(wěn)定性，也需將基坑周邊環(huán)境的保護(hù)納入考慮的范圍。開挖基坑越深則對臨近建筑物產(chǎn)生的影響越大，只有在開挖階段對周圍建筑進(jìn)行一定的保護(hù)才能避免其產(chǎn)生破壞。國內(nèi)外現(xiàn)階段研究[4-6]均著眼于基坑周邊地表沉降量來判斷基坑開挖是否會對周邊建筑物造成破壞，尤其是開挖影響范圍內(nèi)的差異性沉降，被認(rèn)為是造成基坑周邊建筑物破壞的主要原因。

為保護(hù)臨近建筑物，國內(nèi)外學(xué)者對臨近建筑物基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究[7-9]。常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)有鉆孔灌注樁支護(hù)、SMW工法樁、沉井、地連墻、雙排樁等[10]。解決對臨近建筑物的影響問題，以往的研究技術(shù)思路為增大支護(hù)結(jié)構(gòu)剛度、增加橫向支撐、對臨近建筑物進(jìn)行預(yù)先加固等。這些解決方法經(jīng)濟(jì)成本高，施工耗時長，施工效率低，對工程施工進(jìn)度和投資成本影響大。本文從新的技術(shù)思路出發(fā)，針對臨近淺基礎(chǔ)建筑物的變形特點(diǎn)，在單層地下室基坑內(nèi)設(shè)置被動樁，被動樁與支護(hù)樁之間在基坑底部設(shè)置傳力連梁，形成新的支護(hù)結(jié)構(gòu)，在基坑頂部設(shè)置內(nèi)支撐并在頂板澆筑時不拆除內(nèi)支撐；通過技術(shù)措施解決不拆除支撐澆筑頂板的技術(shù)問題，將該新型支護(hù)技術(shù)在工程中成功應(yīng)用，并對基坑和臨近淺基礎(chǔ)建筑進(jìn)行監(jiān)測和分析，可為之后類似工程應(yīng)用提供借鑒。

1 工程概況

本項(xiàng)目依托工程為永嘉縣上塘中學(xué)地下停車場建設(shè)工程和永嘉縣體育場地下停車場建設(shè)工程，兩工程均位于老城區(qū)，建設(shè)場地緊鄰周邊居民樓、辦公樓等，均為老舊淺基礎(chǔ)建筑物，對地基變形十分敏感。建設(shè)場地存在厚度較深的淤泥質(zhì)軟土，局部為軟塑、高壓縮性，因此基坑開挖和周邊建筑物保護(hù)難度較大。擬建永嘉縣上塘中學(xué)地下停車場位于永嘉縣環(huán)城北路與上塘街交界的西北側(cè)?；铀闹軋龅馗叱倘?.6 m，承臺高800 mm，底板厚500 mm，底板面標(biāo)高2.15 m，素砼墊層150 mm，碎石墊層200 mm，承臺底挖深5.60 m。

2 變形控制技術(shù)開發(fā)

針對臨近淺基礎(chǔ)建筑開挖單層地下室基坑的情況，采用三軸水泥攪拌樁止水帷幕+被動區(qū)的土體加固+施工鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)+坑內(nèi)被動樁等深基坑變形控制措施，該技術(shù)具有一定的創(chuàng)新性。內(nèi)支撐設(shè)置在支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部，在頂板澆筑之前不拆支撐，保障淺基礎(chǔ)建筑物安全，并開發(fā)支撐下施工頂板的技術(shù)措施；基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置被動樁，被動樁與支護(hù)樁之間在坑底設(shè)置傳力連梁，不影響基坑施工空間的同時控制支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。臨近淺基礎(chǔ)建筑軟土深基坑變形控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，具體工藝流程如圖2所示。傳統(tǒng)工藝在澆筑地下車庫時通常要進(jìn)行換撐，換撐容易造成基坑變形，本技術(shù)將支撐設(shè)置在基坑頂部，在澆筑頂板時不拆撐。支撐設(shè)置在頂部時，面臨兩個問題：(1)軟土深基坑頂部位移雖然被控制，但深層位移容易過大；(2)頂板接近內(nèi)支撐梁，龐大的鋼筋混凝土內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)下方形成隱蔽部位，難以進(jìn)行鋼筋綁扎和澆筑施工。針對上述問題，本研究開發(fā)了被動樁與傳力梁新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，在基坑內(nèi)底部設(shè)置被動樁，支護(hù)結(jié)構(gòu)受力通過傳力梁傳遞給被動樁，形成了雙排樁結(jié)構(gòu)，但不占據(jù)施工空間，以解決深層位移過大的問題；同時開發(fā)了長臂鋼筋綁扎器和隱蔽部位振搗器，以實(shí)現(xiàn)鋼筋綁扎和澆筑施工。

圖1 臨近淺基礎(chǔ)建筑軟土深基坑變形控制結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 工藝流程圖

2.1 水泥攪拌樁止水帷幕和被動區(qū)加固施工

施工前做到精確定位，包括樁機(jī)鉆桿的定位以及測量放點(diǎn)的樁位。根據(jù)坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)及設(shè)計圖紙進(jìn)行現(xiàn)場測量放線，確定中心點(diǎn)位置坐標(biāo)，利用全站儀精準(zhǔn)放出樁位中心線，并引測護(hù)樁加強(qiáng)保護(hù)。然后根據(jù)設(shè)計圖紙和樁位中心線放出具體的樁位，樁位的平面偏差控制在5 cm之內(nèi)，樁徑的偏差控制在4%之內(nèi)，攪拌樁垂直度精度控制在1/200之內(nèi)。控制好施工時的注漿壓力及升降速度，以確保樁身均勻和強(qiáng)度滿足。

2.2 鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)和被動樁施工

被動樁設(shè)置在基坑內(nèi)部，不影響基坑施工，被動樁與支護(hù)樁之間設(shè)置連梁?；娱_挖時先開挖臨近淺基礎(chǔ)處土體，小面積開挖避免影響周邊建筑，澆筑好連梁后再開挖大面積基坑。鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)和坑內(nèi)被動樁樁型均為鉆孔灌注樁，護(hù)筒為鋼管，要保證鋼管圓心與樁位點(diǎn)中心距誤差小于5 cm，結(jié)合土層的物理指標(biāo)設(shè)計埋設(shè)深度。支護(hù)樁成孔采用“跳二打一”的施工步驟，避免因孔間距過小而產(chǎn)生塌孔現(xiàn)象。被動樁樁位與支護(hù)樁每隔一根樁相對應(yīng)，被動樁平面布置如圖3所示。施工時應(yīng)嚴(yán)格控制被動樁的樁位，樁身混凝土澆筑應(yīng)控制好樁頂高程，并超灌一定高度。

圖3 被動樁與坑底支撐梁平面布置示意圖

2.3 坑頂內(nèi)支撐梁施工

第一層支撐梁即坑頂支撐梁，其高程與支護(hù)樁冠梁齊平，改變傳統(tǒng)做法，在頂板澆筑之間不拆除支撐，這樣可以保障淺基礎(chǔ)變形受控制。坑頂內(nèi)支撐梁平面布置和吊環(huán)設(shè)置如圖4所示。

圖4 支撐梁平面布置和吊環(huán)設(shè)置示意圖

施工方法為：基坑開挖至第一層支撐梁底，澆筑100 mm C15細(xì)石砼墊層找平，該找平層做支撐梁底模，模板使用膠合板，膠合板厚度18 mm。矩形截面鋼筋混凝土支撐梁澆筑時，每段支撐梁互相搭接，在平面上呈三角形布置?；炷翝仓r要振搗密實(shí)，并應(yīng)做到“快插慢拔”，以排出混凝土中空氣，振搗密實(shí)。每段支撐梁左右兩側(cè)在頂部均預(yù)埋1個吊環(huán)，每個支撐梁搭接節(jié)點(diǎn)頂部呈三角形布置預(yù)埋3個吊環(huán)。

2.4 坑底傳力梁施工

(1)僅在被動樁與支護(hù)結(jié)構(gòu)之間的范圍內(nèi)開挖基坑至坑底，保留其他區(qū)域土體暫不開挖。開挖到坑底傳力梁的位置時，截除被動樁超灌樁頭。截除時樁頭時在樁頂預(yù)留鋼筋，在被動樁樁頂施工被動樁冠梁和坑底內(nèi)支撐梁，綁扎坑底支撐梁鋼筋籠，并且在對應(yīng)鉆孔灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行植筋，通過植筋將傳力梁與支護(hù)樁連接在一起。

(2)根據(jù)設(shè)計圖紙確定植筋位置進(jìn)行放線標(biāo)記，將需植筋樁基側(cè)面區(qū)域基面清理干凈，使用電鉆在點(diǎn)位處打孔，打孔完成檢查合格并清灰；調(diào)制好結(jié)構(gòu)膠并在清孔后注入，鋼筋隨之插入，植筋完成之后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，之后連接植筋與坑底支撐梁鋼筋，澆筑坑底支撐梁。

2.5 地下室頂板澆筑

(1)澆筑地下室頂板時不拆除坑頂支撐梁，地下室頂板距離坑頂支撐梁底面僅15～20 cm。支撐梁截面較大，尤其是支撐梁搭接節(jié)點(diǎn)面積更大，支撐梁的存在給地下室頂板施工帶來較大困難：梁底鋼筋難以綁扎，混凝土澆筑和振搗均受到支撐梁限制。因此在支撐梁搭接節(jié)點(diǎn)下難以綁扎鋼筋的部位采用預(yù)綁扎好的鋼筋網(wǎng)片拼接頂板鋼筋籠，鋼筋網(wǎng)片拼接時采用長臂鋼筋綁扎器伸入到支撐梁搭接節(jié)點(diǎn)下部綁扎拼接部位鋼筋。長臂鋼筋綁扎器通過輕質(zhì)長柄手動控制夾具夾住鋼絲綁扎鋼筋，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 長臂鋼筋綁扎器示意圖

(2)澆筑混凝土?xí)r澆筑位置振搗手安排應(yīng)定人、定機(jī)、定好位置、定好質(zhì)量，使用振動棒應(yīng)快速插慢速拔，插點(diǎn)排列均勻，按順序進(jìn)行移動振搗。在支撐梁搭接節(jié)點(diǎn)下難以振搗混凝土的部位采用改進(jìn)式隱蔽部位振搗器，伸入到支撐梁搭接節(jié)點(diǎn)下部振搗混凝土。改進(jìn)式隱蔽部位振搗器在振搗棒端部增設(shè)一個豎向振動端，可用于豎向插入混凝土，振搗棒尾部通過硬質(zhì)塑料管增加伸長距離，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 隱蔽部位振搗器示意圖

2.6 支撐梁拆除

地下室澆筑完成并達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后拆除基坑內(nèi)支撐梁，采用靜態(tài)破碎劑預(yù)裂切割吊除的方式，避免常規(guī)破碎拆除法對地下室頂板的擾動，以及噪音和粉塵污染。拆除支撐梁時在支撐梁段兩端鉆灌注孔，孔徑40 mm，孔間距25 mm，孔排距25 mm，在每段支撐梁的兩端設(shè)置兩到三排灌注孔。打孔不穿透，底部保留1～2 cm。根據(jù)建議說明配方配置好靜態(tài)破碎劑，攪拌好之后緩慢倒入預(yù)打孔至密實(shí)，在灌入靜態(tài)破碎劑10 h左右，支撐梁的兩端產(chǎn)生局部破碎，采用氣割割除破碎處支撐梁內(nèi)部鋼筋，用吊機(jī)通過吊環(huán)吊走支撐梁和搭接節(jié)點(diǎn)。

3 基坑變形監(jiān)測

3.1 監(jiān)測方法和設(shè)備

深層水平位移采用鉆孔測斜儀進(jìn)行，本次使用北京某公司的CX-06A型鉆孔測斜儀，測試精度0.01 mm/50 cm。測試時，先將測斜儀放入測斜管底一段時間，等溫度平衡后再進(jìn)行測量。豎向位移觀測采用日本某公司生產(chǎn)的SDL30電子水準(zhǔn)儀，儀器標(biāo)稱精度1 mm/km。觀測時，對各觀測點(diǎn)進(jìn)行測量，首次觀測獨(dú)立測量兩次，其成果均在限差范圍內(nèi)時取其均值作為首次成果，其余各次分別與上次成果和首次成果比較，以得到本次位移量和累計沉降量。

3.2 測點(diǎn)布置

(1)深層土體水平位移點(diǎn)

測斜管布設(shè)方法：放樣定位 → 鉆機(jī)鉆孔 →埋置測斜管 → 校對測斜管方位 → 中粗砂密封孔洞 → 進(jìn)行孔洞保護(hù) → 讀取初始值。

(2)坑外土體豎向位移

為及時監(jiān)控基坑周邊土體的豎向位移情況，在預(yù)設(shè)位置使用壓力法測量。

(3)基坑周邊房屋豎向位移

對本工程基坑周邊房屋進(jìn)行監(jiān)測，布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)60處，以房屋沉降釘打在建筑的樁體上。

各測點(diǎn)布置如圖7所示。

圖7 監(jiān)測點(diǎn)位布置圖

4 基坑變形分析

4.1 深層土體水平位移分析

深層土體位移曲線見圖8，可以看出，累計水平位移隨著開挖施工的進(jìn)行而變大，即開挖程度越大，水平位移越大。

圖8 深層水平位移曲線

不同階段水平位移與深度之間的變化規(guī)律呈現(xiàn)出較大差異，開始階段二者的關(guān)系接近線性關(guān)系，之后隨著開挖的進(jìn)行，曲線呈現(xiàn)“魚肚”形?？傮w來說，基坑在開挖過程、拆撐過程中土體位移變化不大，沒有出現(xiàn)報警情況，累計位移量也沒有超過設(shè)定預(yù)警值。說明基坑在開挖、拆撐的施工中是安全可控的?？拥滋幬灰戚^小，說明坑底被動樁和傳力梁起到了較好的控制基坑變形的效果。

4.2 坑外土體豎向位移分析

由圖9坑外土體豎向位移曲線可以看出：土體豎向位移觀測點(diǎn)CJ10的累計量最大，為-3.3 mm，未超過報警值(±35 mm)，土體豎向位移未出現(xiàn)報警情況；整體來看，坑外土體豎向位移在施工期間呈持續(xù)平穩(wěn)小范圍下降趨勢，說明此階段因土方的開挖，外側(cè)土體和支護(hù)結(jié)構(gòu)變形不大。

4.3 周邊房屋沉降分析

由基坑周邊房屋的沉降曲線(見圖10)可知，房屋豎向位移觀測點(diǎn)J06的累計量最大，為-3.5 mm，沒有超過報警值(±30 mm)；從房屋沉降累計量-時間曲線圖來看，在基坑施工期間，周邊房屋豎向位移變化均勻，沒有出現(xiàn)單次報警情況，累計變化量也沒有超過預(yù)警值，說明基坑施工對這些房屋影響較小。

圖10 房屋沉降曲線

5 結(jié)論

(1)針對軟土地基臨近淺基礎(chǔ)建筑的單層地下室基坑，開發(fā)了坑內(nèi)被動樁+傳力梁新型支護(hù)結(jié)構(gòu)并在工程中成功應(yīng)用，有效控制了基坑深部變形。

(2)針對軟土地基臨近淺基礎(chǔ)建筑的單層地下室基坑，內(nèi)支撐設(shè)置于基坑頂部，并在澆筑頂板時不拆撐、不換撐，通過技術(shù)措施解決頂板施工問題。通過不拆撐、不換撐施工有效保障了臨近淺基礎(chǔ)建筑物安全。

(3)經(jīng)監(jiān)測可知隨著施工開挖，基坑深層土體水平位移曲線呈現(xiàn)“魚肚”形，且基坑在開挖過程、拆撐過程中土體位移變化不大，深層土體水平位移、坑外土體豎向位移及周邊房屋沉降均未超過報警值，驗(yàn)證了新技術(shù)的有效性和可行性。