復(fù)雜周邊環(huán)境深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計及監(jiān)測探究

戚愛玲(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266061)

0 引言

在項目施工之前都會對基坑周邊環(huán)境進行認真勘查，然后制定相應(yīng)的設(shè)計方案。地下的管線工程項目數(shù)量隨著城市的規(guī)劃改造在不斷增多，而大多高層建筑的深基坑位置一般都位于密集的建筑群中，由于所處環(huán)境較為復(fù)雜，所以要想確保土方挖掘的便利性，不會對周圍環(huán)境造成破壞，相關(guān)單位需要按照科學(xué)合理的設(shè)計原則，進行深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)項目工程的實際情況，選取科學(xué)合理的施工技術(shù)，同時加大基坑施工的監(jiān)測力度，只有施工與監(jiān)測兩者相結(jié)合，嚴格把控，才能保障工程項目的支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。

1 工程案例

1.1 項目基本情況

本案例是155 m×92 m的長方形高層建筑項目，地處某市區(qū)人口密集、交通便利的中心地段，周邊的建筑環(huán)境比較復(fù)雜。其中，該項目地上建筑高度為，占地面積為10 922～4m2，新建面積為50 636 m2，地上連體高樓建筑面積為34 948 m2，地上高度20層、地下兩層的建筑總面積為15 792 m2。此外，該建筑項目的深度為13.56 m，周長為315 m，總占地面積達到4 875 m2。該建筑項目處于市中心地段，所以其周邊環(huán)境較為復(fù)雜，地下室周邊敷設(shè)了各種通訊、污水、燃氣等地下管線；該項目周邊的交通便利，屬于城市的主要交通干道，該地段的地下管線不容被破壞；工程項目周邊還有各種綜合體商業(yè)大廈、基礎(chǔ)建筑樓、醫(yī)院辦公大樓等建筑。因此，在實施深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計時，要全面、充分地考慮到這些影響因素。

1.2 項目施工環(huán)境

1.2.1 工程地質(zhì)條件

該建筑工程項目所處的地質(zhì)條件可以分成7個層次，且各層地基土又包含每個層不同的亞層結(jié)構(gòu)。而該工程深基坑中涉及的土層結(jié)構(gòu)，則屬于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。

1.2.2 水文環(huán)境

該建筑工程項目所在位置地下水的類型主要以淺層的孔隙潛水為主，其地下水位會隨著大氣降水的變化而變化，但是水位能控制在1.00～1.50 m范圍內(nèi)。經(jīng)過測定，該工程地形水位穩(wěn)定性處在0.60～1.90 m之間，在進行深基坑支護施工時，該工程的持力層是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，因為其滲水系數(shù)高的特性，所以在挖坑時可加入適量水加快施工進度[1]。

2 深基坑支護結(jié)構(gòu)施工特點及設(shè)計原則分析

2.1 施工特點

該工程項目的所屬區(qū)域有7個層次，相對其他地方復(fù)雜一些。由于這些土層成分及功能特性等各有不同，為了避免在深基坑支護施工中不會因土質(zhì)條件的復(fù)雜性而影響支護結(jié)構(gòu)設(shè)計的穩(wěn)定性，施工單位在施工的過程中，可能會遇到一些外界因素而導(dǎo)致的質(zhì)量問題，因此，必須采取切實有效的施工策略把控施工的各個細節(jié)，從而保證工程的順利開展。第二，該工程項目的基坑深度13 m，甚至部分電梯井深度更深，按照相關(guān)標準評定屬于深基坑結(jié)構(gòu)，再加上周邊各種復(fù)雜建筑物，地下敷設(shè)的管線等因素，增加了基坑的開挖難度。施工人員要考慮支護結(jié)構(gòu)的平衡性，才能進一步確保其穩(wěn)定性。第三，該工程的地理位置是城市的中心，其周邊是琳瑯滿目的高樓大廈，而且處于城市的主要交通干道，周邊地下敷設(shè)了很多市政管線，四周有居民樓、綜合商業(yè)樓、醫(yī)院等建筑體，施工的基坑開挖，需要綜合考慮到這些因素以及基坑變形問題，避免后期出現(xiàn)問題。第四，該工程項目因其地理位置的特殊性，重要系數(shù)較高，根據(jù)基準要求規(guī)劃為一級基坑工程項目。

2.2 設(shè)計原則

一個工程項目的首要任務(wù)是要有堅實的地基基礎(chǔ)，因此，深基坑支護結(jié)構(gòu)的堅實與穩(wěn)定尤為重要。在選擇合理的地基處理方案時，應(yīng)考慮工程項目所在地及相鄰建筑物的地下水位情況；周圍有建筑物時，還應(yīng)考慮相鄰建筑物的基礎(chǔ)埋深的深度對該工程基礎(chǔ)埋深的影響；同時，還應(yīng)選擇科學(xué)合理的基礎(chǔ)連接方法和施工工序。在施工階段，一方面要采取措施確保施工內(nèi)部環(huán)境的安全，另外，要盡最大可能地減少因施工帶給周邊的環(huán)境影響。在工程項目設(shè)計方案的制定期間，必須確保方案內(nèi)容能夠保證基坑施工的便捷性和效率性，能夠在減少工期的基礎(chǔ)上最大化降低工程成本，實現(xiàn)利益最大化。

3 支護方案設(shè)計要點分析

結(jié)合該工程項目深基坑的開挖深度、周長及周圍環(huán)境等情況，相關(guān)設(shè)計人員經(jīng)過與施工技術(shù)人員、監(jiān)理人員以及項目經(jīng)理的共同協(xié)商后，最終確定基坑支護方案設(shè)計應(yīng)按照“二墻合一”設(shè)計方案要求來進行，具體如下：

將支護結(jié)構(gòu)設(shè)計成厚度為800 mm。地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)可作為切實可行的方案。依照基坑結(jié)構(gòu)靈活布設(shè)要求，鋼筋混凝土具備較強的剛度，因此可在地下連續(xù)墻里進行布設(shè)，提升整體的剛度。合理選擇連接方式，例如，針對建筑的主體結(jié)構(gòu)，則可以選擇連接底板邊梁、樓層梁柱、樓板等部件。針對地下室的特殊性，可以選擇十字鋼板用于地下的連續(xù)墻結(jié)構(gòu)[2]。地下室相對于地上的空間會比較濕冷，在地下連續(xù)墻內(nèi)部再增加設(shè)置一道內(nèi)襯墻，保證地下室的干燥性，還可以作為排水和集水的主要處理場所，節(jié)省地下空間面積。地下連續(xù)墻底部所處的位置，其土層特性具備穿透性低、性質(zhì)較好，連續(xù)墻的預(yù)埋件容易遭到腐蝕。鑒于此，為了防止這類問題的出現(xiàn)影響到施工質(zhì)量，可采取如下的措施：在連續(xù)墻鋼筋籠內(nèi)敷設(shè)一定數(shù)量的注漿管，并選擇在符合要求的特定壓力的作用下均勻注漿，以避免注漿過程對混凝土產(chǎn)生的影響，待注漿完成后，就可以永久密封，不僅解決了預(yù)埋件腐蝕問題，還提升了連續(xù)墻體的整體承載能力，承載能力的提高意味著穩(wěn)定性也會提高[3]。

該工程設(shè)計方案的優(yōu)勢：一是該工藝技術(shù)較為成熟，具有較高的防水能力和擋土能力以及剛度；二是施工周期、穩(wěn)定性和可靠性都能得到很大程度的提升；三是該支護結(jié)構(gòu)的靈活性較為明顯，全面優(yōu)化設(shè)計內(nèi)容，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形現(xiàn)象；四是該設(shè)計方案的運用可以減少鋼筋使用量，縮短基坑暴露周期，并且能夠為后續(xù)基坑開挖施工提供極大的便利條件，提高空間利用率。因此，采用連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)是目前眾多方案中較為可行的方式。

4 深基坑支護開挖施工的監(jiān)測點布置方案及相關(guān)數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)測點布置方案

按照該工程項目中深基坑開挖施工技術(shù)要求以及相關(guān)施工標準要求，布置施工現(xiàn)場基坑監(jiān)測點，應(yīng)考慮以下幾方面的問題：

4.1.1 坑頂水平方向位移情況監(jiān)測點布置

一般情況下，按照國家現(xiàn)行規(guī)范和相關(guān)技術(shù)標準要求，針對深基坑坑頂水平方向位移情況的監(jiān)測點布置，還應(yīng)嚴格控制監(jiān)測點數(shù)量及其間距制，不得超過20 m。考慮到該工程項目中基坑周圍復(fù)雜的環(huán)境因素，所以在布置監(jiān)測點時，就要對監(jiān)測點數(shù)量進行適當(dāng)增加，并合理縮短節(jié)點之間的間距，這樣才能更好地對基坑頂部所發(fā)生的變形情況進行監(jiān)測。該工程項目中，將13個間距在8 m左右的水平方向位移的監(jiān)測點均布置在深基坑冠梁的上部，命名為Wy1-Wy13，其中Wy9-Wy13監(jiān)測所得的數(shù)據(jù)將作為主要研究對象。

4.1.2 深基坑樁身變形情況監(jiān)測點布置

深基坑開挖施工過程中，施工人員要特別注意施工的質(zhì)量，若稍有不慎，極有可能會出現(xiàn)基坑支護結(jié)構(gòu)位移問題，嚴重時還會導(dǎo)致基坑周圍的土體發(fā)生不同程度沉降的現(xiàn)象。為了確保工程的質(zhì)量，全面考慮到樁身變形情況，避免施工過程中出現(xiàn)的基坑支護結(jié)構(gòu)位移、沉降等問題，在做基坑支護時通常將測斜管放置到各支護樁內(nèi)。在該工程項目中，基于實際施工情況，施工人員在基坑南邊一側(cè)樁中共設(shè)置了3根型號為ZB3 -ZBS的測斜管，且各管間距保持在12.5 m范圍內(nèi)。

4.1.3 基坑支護結(jié)構(gòu)中錨索監(jiān)測點布置

在開挖深基坑的過程中，一旦出現(xiàn)了基坑挖填土體臨空的現(xiàn)象，原有土體特別是基坑外圍土體的作用力就會隨之大幅度降低，且外圍土體會逐漸向基坑內(nèi)移動，會對該工程基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和安全性造成直接影響。在該工程中，尤其是深基坑南邊一側(cè)出現(xiàn)此現(xiàn)象較為明顯。究其原因，主要是因為該部位自帶一個高邊坡所致。因此，在布置監(jiān)測點時，要將深基坑南邊一側(cè)錨索的拉力作為重點監(jiān)測目標。為確保所檢測數(shù)據(jù)的最終效果，將ML3-MLS三個錨索拉力計按照12.5 m間距設(shè)計，分別安裝在基坑南邊一側(cè)高邊坡附近的錨索上。

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.2.1 深基坑坑頂水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖1中的數(shù)據(jù)是坑頂水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對基坑南側(cè)高邊皮監(jiān)測點一側(cè)監(jiān)測得到的實際數(shù)據(jù)。初期開始監(jiān)測時間段內(nèi)，深基坑開挖施工工作也開始實施開展，基坑內(nèi)的土體變化幅度不大，并且由于開挖土量小，挖填土出現(xiàn)臨空現(xiàn)象的幾率很少，在這種情況下，坑頂水平位移變化的速度就會相對緩慢。但在監(jiān)測周期達到10天以上時，通過施工過程中監(jiān)測到的實際數(shù)據(jù)可得出，坑頂?shù)乃轿灰崎_始發(fā)生變化，而且支護樁的結(jié)構(gòu)也開始隨之發(fā)生改變。從圖1曲線圖可以看到，Wy9、Wy10、Wy11這3個監(jiān)測點的水平位移速度最快的周期在2016年4月1日至5月18日時間段內(nèi)。究其原因，主要是因為深基坑開挖施工工作的開始時間早于錨索施工所致。而這3個監(jiān)測點的水平位移幅度分別達到20 mm、13 mm、6 mm。

而在5月18日以后，這種水平位移情況開始逐漸下降。由此表明，錨索對深基坑南邊一側(cè)高邊坡頂水平位移變化有著良好的控制作用。隨著施工進度的逐步開展，坡頂?shù)乃轿灰谱兓诔掷m(xù)增加，尤其在7月9日至17日期間，增加幅度十分明顯。相關(guān)工作人員通過將Wy10、Wy11監(jiān)測數(shù)據(jù)與WY9數(shù)據(jù)進行對比分析發(fā)現(xiàn)，這種情況的誘因主要是深基坑周圍環(huán)境過于復(fù)雜，從而使得周邊土體荷載過重，此外基坑在開挖程的中，未能及時對錨索進行支護，也是導(dǎo)致Wy9的位移高于Wy10監(jiān)測數(shù)據(jù)變化的重要原因。

圖1 Wy9-Wy13坑頂水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

4.2.2 深基坑附近樁身變形數(shù)據(jù)分析

在該工程深基坑開挖工作持續(xù)1個月后，其樁身位移變化的速度始終處于平穩(wěn)狀態(tài)，這種情況下，基坑外圍土體對支護結(jié)構(gòu)的作用力不大，且開挖施工的速度始終處于可控范圍之內(nèi)。當(dāng)連續(xù)開挖2個月后發(fā)現(xiàn)，ZBS監(jiān)測點開始和最初的位置發(fā)生的偏差高達到24 mm的位移，且隨著后續(xù)工作的進行，其偏差也在不斷增大，同時又出現(xiàn)了樁身位移速度以及深基坑周圍土體對支護結(jié)構(gòu)的作用力也越來越明顯[4]。由于當(dāng)?shù)貧夂虿环€(wěn)定，在這時間段內(nèi)，有幾次較大的強降雨天氣，使得深基坑南側(cè)一邊高邊坡的抗剪能力大大降低，這在某種程度上就會促進整個坡體變形情況越來越突出。由于基坑南邊一側(cè)高邊坡附近的錨索上安裝有錨索拉力計，所以即便錨索的張拉力未達到規(guī)定強度，也會對樁身變形的現(xiàn)象產(chǎn)生一定的約束作用。

4.2.3 深基坑錨索附近監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在該工程深基坑開挖工作實施開展階段，深基坑南邊一側(cè)高邊坡附近的錨索拉力也會出現(xiàn)不同程度的變化。根據(jù)監(jiān)測得到的實際數(shù)據(jù)，在首次測得ML3-ML5數(shù)據(jù)時，即2016年6月30日至31日，錨索張拉力并未到相應(yīng)的規(guī)定強度。而在二次獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)后，即7月份，錨索張拉力值才出現(xiàn)逐步上升的趨勢。由此可見，在監(jiān)測初期，深基坑開挖速度始終處于平緩狀態(tài)，并且基坑支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也與相應(yīng)的設(shè)計要求相吻合。在7月以后，由于基坑開挖速度逐步加快，再加上基坑周圍堆載的材料下降，使得深基坑南側(cè)一邊高邊坡的坡體出現(xiàn)較為明顯的偏移現(xiàn)象。當(dāng)深基坑開挖工作持續(xù)到8月21日時，ML3-ML5監(jiān)測數(shù)據(jù)已清晰地顯示錨索張拉已無任何約束作用。監(jiān)測人員通過對ML5、ML3以及ML4的拉力測試的結(jié)果進行分析對比后發(fā)現(xiàn)：深基坑開挖速度和錨索使用壽命的影響成正比；深基坑周圍的負載、臨空面暴露時間，均為錨索拉力增加的原因。

5 結(jié)語

綜上所述，通過實際工程案例的分析和平時經(jīng)驗可以證明，在地下連續(xù)墻做支護結(jié)構(gòu)對基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有很大提高，能夠確保整個工程項目的順利進行。通過對施工現(xiàn)場監(jiān)測到的實際數(shù)據(jù)進行科學(xué)的分析對比可得出如下結(jié)論：在開挖深基坑過程中，基坑周圍土體的載重、臨空面暴露時間以及基坑開挖速度等都會對錨索張拉力起到一定的約束作用。因此，只有在施工過程中對該工程深基坑地基進行科學(xué)合理的加固處理，在基坑周圍外側(cè)相應(yīng)位置處設(shè)置排水溝，這樣才能便于基坑開挖，工程項目的整體穩(wěn)定性和安全性才能得到保證。