深基坑局部豎向分段式支護(hù)結(jié)構(gòu)有效性分析

劉媛媛，郭一辰，蘇 潔，崔宇彤

(1.華北科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201；2.北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

0 引言

在城市發(fā)展建設(shè)活動(dòng)中，基坑深度的不斷加深，規(guī)模的不斷加大，對(duì)施工技術(shù)和安全的要求也不斷提高，加之基坑周邊環(huán)境的日趨復(fù)雜，使基坑施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)和事故層出。一旦發(fā)生施工事故，及時(shí)采取合理的應(yīng)急補(bǔ)救措施可有效降低事故損失至可接受程度[1-3]。不同于常規(guī)基坑支護(hù)形式，以應(yīng)急補(bǔ)救為目的的局部支護(hù)措施為了應(yīng)對(duì)不同的事故情況，通常沒有固定統(tǒng)一形式，需要基于現(xiàn)場(chǎng)允許條件做非常規(guī)的特定設(shè)計(jì)及施工考慮。結(jié)構(gòu)形式的獨(dú)特性決定了此類應(yīng)急補(bǔ)救支護(hù)形式幾乎無類似經(jīng)驗(yàn)可借鑒的特點(diǎn)，其安全性及導(dǎo)致的環(huán)境影響需要特別關(guān)注。目前城市深基坑項(xiàng)目采用的垂直支護(hù)形式通常是將鋼板樁、地連墻、灌注樁排樁中的一種結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行全深度范圍布置[4]。在以往的實(shí)際工程中，通常會(huì)盡量避免同一剖面上采用兩種或兩種以上垂直結(jié)構(gòu)形式的分段布置，主要原因是在分段處形成支護(hù)剛度的不連續(xù)，無法保證支護(hù)效果，相關(guān)分析研究也基本處于空白狀態(tài)[5-8]。但此類分段式支護(hù)形式在某些無法避免的特殊情況下，能否作為事故之后的局部部位補(bǔ)救措施，需要進(jìn)一步分析判斷。

本文結(jié)合某市商務(wù)核心區(qū)某深基坑工程案例，對(duì)作為施工事故發(fā)生后的局部補(bǔ)救支護(hù)措施的上部支護(hù)樁、下部地連墻、橫向連接圍檁的豎向分段支護(hù)形式進(jìn)行穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)變形內(nèi)力及臨近環(huán)境影響等多方面分析，并結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果及項(xiàng)目完成情況，討論了豎向分段支護(hù)形式作為局部補(bǔ)救措施的有效性，為類似工程提供重要的參考意義。

1 工程概況

本工程位于北京商業(yè)核心區(qū)，南北西分別為市政道路，東鄰商業(yè)大樓。本項(xiàng)目總占地面積16，400 m2。本項(xiàng)目塔樓共45層，結(jié)構(gòu)高度約220 m，基坑開挖深度約32 m。根據(jù)此項(xiàng)目的地勘報(bào)告[9]，在勘探深度范圍內(nèi)，本場(chǎng)區(qū)土層可劃分為人工堆積層和第四紀(jì)沉積層兩大類，并按地層巖性，進(jìn)一步劃分為21個(gè)大層及亞層。按照自上而下的順序?qū)Ω魍翆拥幕咎卣骶C述如表1。

表1 地層分布表[9]

根據(jù)水文地質(zhì)勘察和區(qū)域水文地質(zhì)資料以及本場(chǎng)地巖土勘察資料，本場(chǎng)地自然地面下約50 m深度范圍內(nèi)主要分布3組相對(duì)含水層，分別為層間水(埋深約-26.0 m)、第一承壓水層(埋深約-26.0 m，現(xiàn)已無承壓性)及第二承壓水(埋深約-28.0 m)。此三層地下水均會(huì)對(duì)本基坑開挖產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)與施工中需要考慮。

此項(xiàng)目周邊環(huán)境比較復(fù)雜，尤其是基坑的東側(cè)與北側(cè)?；?xùn)|側(cè)距離4.15 m處為一棟地上16層，地下1層的海關(guān)大樓(高度約49 m，基底相對(duì)標(biāo)高約-6.65 m)和一棟地下4層的地下車庫(kù)(基底相對(duì)標(biāo)高約-20.65 m)?；拥谋眰?cè)距離4.0 m處為城市主干道輔路，路面地下埋設(shè)大量的燃?xì)?、電力、上下水、通訊等管線設(shè)施，故在基坑的東側(cè)與北側(cè)需要特別考慮基坑開挖導(dǎo)致臨近構(gòu)筑物的不利影響。為了盡量控制由于開挖引起的地層變形，基坑?xùn)|側(cè)與北側(cè)均采用抗彎剛度較大的厚800 mm地連墻作為支護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖1(a)。地連墻除作為擋土結(jié)構(gòu)外，同時(shí)兼具止水功能，另加8道預(yù)應(yīng)力錨桿，如圖1(b)。

圖1 基坑原方案

2 施工事故背景、過程及補(bǔ)救替代措施

地連墻施工過程如下：在地面上沿著定位的軸線，在泥漿護(hù)壁條件下，用成槽機(jī)開挖出一條狹長(zhǎng)的深槽，對(duì)深槽進(jìn)行清空后，將制作好的矩形鋼筋籠吊放入槽內(nèi)，最后采用水下澆筑混凝土的方式完成地連墻墻體的澆筑，形成一個(gè)單元的槽段。如此依段施工完成每一個(gè)槽段，相鄰槽段間進(jìn)行防水加固措施，最終形成一道連續(xù)的鋼筋混凝土墻壁。地連墻施工設(shè)備較復(fù)雜，施工過程中難免發(fā)生各種類型的意外事故[10]。

本項(xiàng)目施工事故位于基坑?xùn)|邊線，如圖1(a)。當(dāng)時(shí)地連墻在地表施工，成槽機(jī)在抓B3-15號(hào)槽段至37 m深，抓斗在提升過程中至25 m深度處被側(cè)壁掉落的直徑較大的卵石卡住，經(jīng)過各種提拽措施未果，最終卡在頂部距地表26 m，底部距地表32 m的位置，無法提升及下降。B3-16號(hào)槽段在此之前已經(jīng)抓槽至槽底42 m。抓斗被卡位置如圖2所示，造成B3-15與B3-16號(hào)槽段原設(shè)計(jì)地連墻無法繼續(xù)施工完成，支護(hù)結(jié)構(gòu)需要內(nèi)移避開抓斗障礙。

圖2 抓斗被卡位置示意圖

為了解決此突發(fā)情況，支護(hù)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行緊急替換措施，將該處兩槽段下部原有地連墻位置向坑內(nèi)方向距離800 mm，采用“800 mm厚連續(xù)墻和4根錨桿”支護(hù)；上部在原有地連墻位置布置支護(hù)樁，采用“800 mm直徑咬合支護(hù)樁和5根錨桿”支護(hù)，如圖3所示。此豎向分段支護(hù)形式的擋土效果主要取決于上部支護(hù)樁及下部地連墻在橫向連接圍檁的連接下是否可以整體共同發(fā)揮作用，具有相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)受力和基坑穩(wěn)定性及變形分析。

圖3 豎向分段式支護(hù)方案示意圖

3 豎向分段式支護(hù)結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析

由于本方案中支護(hù)剖面結(jié)構(gòu)形式比較復(fù)雜，常規(guī)巖土工程軟件不能很好的模擬這些工況，現(xiàn)選用巖土工程通用有限元軟件Plaxis 2D AE對(duì)該剖面現(xiàn)狀以及后續(xù)施工工況進(jìn)行模擬。PLAXIS 2D AE程序是由荷蘭PLAXISB.V.公司推出的功能強(qiáng)大的通用巖土有限元計(jì)算軟件，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于各種復(fù)雜巖土工程項(xiàng)目的有限元分析中[11]。

3.1 數(shù)值分析模型建立

所建立的數(shù)值模型邊界的寬和深分別為250 m、100 m。模型底部固定約束，頂部設(shè)置自由邊界，側(cè)面約束水平位移。根據(jù)北京地區(qū)地質(zhì)情況以及本項(xiàng)目可能產(chǎn)生的變形量級(jí)等特點(diǎn)，模型采用小應(yīng)變硬化土模型(HS-Small model)對(duì)原狀土進(jìn)行模擬；對(duì)原海關(guān)大樓基坑影響范圍內(nèi)的回填土采用摩爾-庫(kù)侖模型(M-C model)進(jìn)行模擬；支護(hù)結(jié)構(gòu)及臨近建筑結(jié)構(gòu)材料假設(shè)為線彈性材料；臨近建筑結(jié)構(gòu)的荷載簡(jiǎn)化為線荷載直接施加于結(jié)構(gòu)底板處。所建成的初始狀態(tài)模型如圖4所示。

圖4 模型的初始狀態(tài)

對(duì)此支護(hù)部位的模擬分析，考慮相比后續(xù)拆撐過程，開挖過程所引發(fā)的基坑穩(wěn)定及地層變形更為關(guān)鍵，并且可獲得的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)僅為開挖階段，故本文中數(shù)值模擬只針對(duì)開挖過程展開具體分析。按照實(shí)際施工順序，分為包含初始狀態(tài)在內(nèi)的開挖過程中二十四個(gè)工況進(jìn)行模擬分析，見表2。其中四個(gè)關(guān)鍵工況的模型如圖5(a)～(d)所示。

表2 模型分布施工計(jì)算工況

續(xù)表

圖5 基坑開挖關(guān)鍵工況模型

3.2 模型分析結(jié)果

(1) 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圖6為各關(guān)鍵工況條件下的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移結(jié)果。左側(cè)圖為上部支護(hù)樁體的水平位移，右側(cè)圖為下部地連墻體的水平位移。計(jì)算結(jié)果顯示，外側(cè)支護(hù)樁的頂部在施工完第1道錨桿后的開挖過程中，始終表現(xiàn)為向坑外的水平變形，向坑外最大變形值為11.28 mm；而外側(cè)支護(hù)樁的下部及內(nèi)側(cè)地連墻，均為向坑內(nèi)的水平變形，向坑內(nèi)最大變形值為11.86 mm。依據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)此剖面支護(hù)體系水平位移設(shè)定的預(yù)警值與控制值為預(yù)警值為24 mm，控制值為30 mm?？梢?，模型分析所得開挖過程中最大水平變形值滿足變形要求。

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析結(jié)果

圖6 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移分析結(jié)果(續(xù))

對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析包括三部分，上部的外側(cè)支護(hù)樁、下部的內(nèi)側(cè)地連墻、及兩者之間設(shè)置在內(nèi)側(cè)地連墻墻頂?shù)膰鷻_結(jié)構(gòu)。計(jì)算模型分析結(jié)果，按規(guī)范規(guī)定，在計(jì)算構(gòu)件內(nèi)力的標(biāo)準(zhǔn)值基礎(chǔ)上乘以1.25×1.1得到對(duì)應(yīng)的內(nèi)力設(shè)計(jì)值。在所有驗(yàn)算工況中，各部分結(jié)構(gòu)的最大彎矩、最大剪力的標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計(jì)值，以及各結(jié)構(gòu)的承載力設(shè)計(jì)值，如表3所列。結(jié)果顯示，除支護(hù)樁最大剪力設(shè)計(jì)值(498 kN/m)略大于支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值(496 kN/m)外，內(nèi)力均在承載力設(shè)計(jì)值之內(nèi)，支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力基本滿足要求。

表3 模型計(jì)算內(nèi)力結(jié)果與承載力對(duì)比

(2) 對(duì)臨近建筑影響

海關(guān)大樓基底在現(xiàn)狀工況下的沉降如圖7所示?？梢钥闯觯诋?dāng)前工況下，海關(guān)大樓基底的累積附加沉降在靠近基坑邊的區(qū)域較大，在遠(yuǎn)離基坑位置較小，最大累積附加沉降為8.8 mm，最小累積附加沉降為2.0 mm?？梢耘袛?，基坑開挖至基底過程中，下海關(guān)大樓的基底附加變形對(duì)海關(guān)大樓整體傾斜方面無重大不利影響。

圖7 基坑開挖導(dǎo)致臨近海關(guān)大樓基底累積附加沉降

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析及安全性評(píng)價(jià)

如圖8，項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了豎向分段式支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工，并進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間跨度從地面開挖至下部地連墻內(nèi)部留有高度4.5 m土臺(tái)的狀態(tài)，即工況二十所代表的狀態(tài)。在此剖面第1道至第6道錨桿位置布設(shè)有深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)深度范圍為22 m；另外設(shè)置了錨桿軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖8 支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)照片

4.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖9顯示第一至第六道錨桿位置處的水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)間的變化過程。從監(jiān)測(cè)初期開始，第一道至第三道錨桿標(biāo)高處的水平變形在監(jiān)測(cè)初期基本為正，即為向坑內(nèi)的位移，在第八道錨桿施工開始持續(xù)變小，出現(xiàn)負(fù)值，即出現(xiàn)向坑外的水平位移，并維持至基坑內(nèi)塔樓結(jié)構(gòu)施工，其后負(fù)值開始持續(xù)減小，即開始向坑內(nèi)變形。截止至監(jiān)測(cè)最終日期，第三道錨桿標(biāo)高以下的支護(hù)樁體的水平變形已為正值，即為向坑內(nèi)的水平位移，而樁頂至第二道錨桿之間的支護(hù)樁體的水平變形依舊為負(fù)值，即為向坑外的水平位移。對(duì)比此項(xiàng)目的預(yù)警值和控制值可知，所發(fā)生的位移均在可接受的安全范圍內(nèi)。

圖9 支護(hù)結(jié)構(gòu)實(shí)測(cè)水平位移與時(shí)間關(guān)系圖

開挖至地連墻內(nèi)側(cè)局部土臺(tái)狀態(tài)(即模擬工況二十)時(shí)，將支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移實(shí)測(cè)值、模型預(yù)測(cè)值及預(yù)警值/控制值進(jìn)行對(duì)比，大小關(guān)系如圖10?？煽闯觯瑪?shù)值分析結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在深度方向上分布趨勢(shì)具有一定的一致性，最大的坑內(nèi)水平位移發(fā)生17 m深度處，數(shù)值約8 mm，滿足設(shè)定的24/30 mm預(yù)警/控制值的變形要求。

圖10 水平位移的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、模型計(jì)算值與限值對(duì)比

4.2 錨桿軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果

軸力監(jiān)測(cè)包含第一至第六道錨桿。監(jiān)測(cè)期間，所有錨桿軸力均持續(xù)增加，其中第一道及第五道錨桿的軸力較大。截止至監(jiān)測(cè)結(jié)束之時(shí)，錨桿的軸力基本趨于穩(wěn)定，但數(shù)值略有增大趨勢(shì)，尤其是第一道及第五道，如圖11所示。后續(xù)施工中需關(guān)注此部位的軸力變化情況。將模型計(jì)算預(yù)測(cè)值、實(shí)測(cè)值、與錨桿桿體的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值及周圍土層提供的承載力特征值進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示。相比模型計(jì)算值，實(shí)測(cè)錨桿軸力數(shù)值較大，但均小于承載力及強(qiáng)度的限值，可視為目前滿足安全要求。但第一道錨桿的軸力已很接近錨桿桿體的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，在后續(xù)施工過程中需要特別注意。

圖11 錨桿軸力隨時(shí)間變化曲線

圖12 錨桿軸力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、模型計(jì)算值與限值對(duì)比

4.3 施工安全性評(píng)估

通過對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及錨桿軸力的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，可知整個(gè)開挖至基底階段，豎向分段式結(jié)構(gòu)的水平位移、內(nèi)力及錨桿內(nèi)力均在可接受的預(yù)測(cè)范圍內(nèi)。而且，截止至本文編寫之時(shí)，此項(xiàng)目的基坑支護(hù)開挖及地下室結(jié)構(gòu)均已順利完工，建成結(jié)構(gòu)已投入使用。另外，施工過程中，未收到任何來自臨近建筑因此項(xiàng)目施工導(dǎo)致受損的通知，視為該臨近建筑物并未受到任何不可接受的不利影響。因此，通過施工監(jiān)測(cè)和項(xiàng)目完成情況，可知本項(xiàng)目由于抓斗掉落事故導(dǎo)致局部原常規(guī)支護(hù)方案無法施工的條件下，采用豎向分段式結(jié)構(gòu)支護(hù)形式作為局部特殊補(bǔ)救替代措施，效果比較理想。

5 結(jié)論

(1) 基于現(xiàn)有資料剖面目前的變形、錨桿軸力及支護(hù)體系各構(gòu)件剪力/彎矩均在預(yù)測(cè)范圍之內(nèi)，判斷滿足設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)安全的要求，基坑變形穩(wěn)定性滿足。對(duì)鄰近建筑產(chǎn)生的附加變形最大值較小，可視為無重大影響。采用豎向分段式結(jié)構(gòu)支護(hù)形式作為局部基坑支護(hù)措施的效果比較理想，可作為特殊條件下的支護(hù)形式的考慮選項(xiàng)之一。

(2) 通過有限元軟件Plaxis2D，并采用小應(yīng)變硬化土體本構(gòu)模型，對(duì)某地區(qū)的土質(zhì)條件下的復(fù)雜支護(hù)結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為一致，此模擬方法具有較高的合理可靠性。