北京某深基坑樁錨支護結構監(jiān)測與分析*

閆 建，張 武，姚曉旭，張 波

(中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

由于當前城市建設用地的局限性、周邊環(huán)境的嚴峻性以及深基坑在開挖過程中所涉及場地地質(zhì)條件的復雜性和不確定性，深基坑工程仍然是一項極具挑戰(zhàn)性、高風險性、高難度的巖土工程技術熱點課題。一方面，因其復雜的城市環(huán)境條件，深基坑開挖除要保證自身的安全、穩(wěn)定之外，還必須保證臨近建筑設施的安全和正常運營，對基坑支護設計的要求較高，稍有不慎可能釀成工程事故。另一方面，又往往存在夸大基坑工程對周邊環(huán)境影響程度，使得基坑工程的設計異常保守，導致工程造價嚴重偏高。而采用信息化施工和動態(tài)設計，對支護結構的變形、受力等進行全程監(jiān)控，可隨時掌握其工作狀態(tài)。其意義不僅表現(xiàn)在確保工程的安全上，更重要的是通過實測數(shù)據(jù)的不斷積累，對支護結構的受力、變形規(guī)律進行總結，為理論分析和設計計算提供依據(jù)。

在北京地區(qū)，樁錨體系是深基坑工程中常用的支護形式。以北京某深基坑工程為背景，該基坑在開挖完成后長期處于停工狀態(tài)，樁錨支護結構跨越多個冬季溫度的季節(jié)性變化，通過長期原位監(jiān)測和對比分析，研究支護體系實際受力和理論計算結果的差異，研究結論為類似工程設計提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該基坑工程位于北京市東城區(qū)朝陽門北大街東側，基坑南北寬約55.0m，東西長約140.0m，開挖深度約18.0m，地下4層?；硬捎脴跺^支護，支護樁直徑800mm，間距1.6m，錨桿3～4道，在相鄰辦公樓的C區(qū)設計3道錨桿，其余的A區(qū)、B區(qū)、D區(qū)均設計4道錨桿，錨桿水平間距1.6m，基坑安全等級為1級。

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)本工程巖土工程勘察報告，地層按成因類型、沉積年代劃分為人工堆積層和第四紀沉積層兩大類，地層基本物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 地層分布及物理力學參數(shù)

1.3 基坑支護設計

基坑支護設計方案根據(jù)基坑開挖深度以及基坑周邊環(huán)境，將基坑支護結構劃分為A區(qū)(1—1剖面)、B區(qū)(2—2剖面)、C區(qū)(3—3剖面)和D區(qū)(4—4剖面)4個區(qū)段，其中，典型支護結構剖面如圖1所示。根據(jù)基坑不同支護剖面圖，各區(qū)段剖面設計參數(shù)如表2所示。

圖1 典型支護結構剖面

表2 基坑支護設計參數(shù)

2 監(jiān)測方案

為保證基坑施工順利進行和確?；又苓吔ㄖ锇踩鶕?jù)本工程所采用的支護形式、施工特點和周邊環(huán)境等因素，主要設計4個監(jiān)測剖面。監(jiān)測內(nèi)容由支護結構變形監(jiān)測及周圍環(huán)境監(jiān)測兩部分構成，監(jiān)測項主要包括：①支護結構水平位移和豎向位移；②支護樁深層水平位移；③錨桿軸力；④周邊建筑物、道路和地下管線等變形。4個監(jiān)測剖面的部分監(jiān)測點平面位置如圖2所示。

圖2 監(jiān)測斷面平面位置

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

將基坑的施工步驟分為5個階段，第1階段為第1道錨桿張拉鎖定前；第2階段為第2道錨桿張拉鎖定前；第3階段為第3道錨桿張拉鎖定前；第4階段為第4道錨桿張拉鎖定前；第5階段為基坑開挖完成處于停工狀態(tài)至回填階段。

3.1 水平位移監(jiān)測

在基坑各邊延長線上設置2個工作基點，同時在施工影響范圍以外且能通視的地帶布置基準點，基準點采用有強制歸心的監(jiān)測點，采用TOPCON-GTS-102N儀器監(jiān)測?；又苓吽轿灰票O(jiān)測點共計28個，監(jiān)測點編號為WY1～WY28，基坑開挖至第5階段監(jiān)測數(shù)據(jù)中除C區(qū)3—3剖面測得的水平位移最大值達到14.8mm外，其余均小于10mm，其中A區(qū)1—1剖面(WY1～WY9)最大值為4.8mm、B區(qū)2—2剖面(WY10～WY14)最大值為4.9mm和D區(qū)4—4剖面(WY24～WY28)最大值為5.6mm，各監(jiān)測點均顯著小于設計設定的水平位移控制值(25.0mm)。基坑水平位移-時間關系曲線如圖3所示。

圖3 基坑水平位移-時間關系曲線

從圖3中可以看出，4—4剖面監(jiān)測點WY25～WY27的水平位移曲線較有規(guī)律，在第1道錨桿未發(fā)揮作用前，即基坑開挖至第1階段，水平位移隨著開挖深度的增加而增大，在第1道錨桿鎖定后進入第2階段，隨著下一步的開挖，水平位移小幅度變化，位移曲線變化較為緩和。WY18～WY20(3—3剖面)監(jiān)測點在第1道錨桿未發(fā)揮作用前，水平位移隨著開挖深度的增加也在增大，但其增加速率要大于其他剖面監(jiān)測點，這是由于3—3剖面在辦公樓附近，相對于其他支護剖面錨桿少1道，開挖至-8.500m位置才施工第1道錨桿。

3.2 周邊建筑沉降監(jiān)測

在施工影響范圍以外穩(wěn)定的建筑物上設置3個水準基點，并做好保護措施。水準基點埋設后，采用DS05精密水準儀對其進行聯(lián)測，平差計算后得出高程作為沉降監(jiān)測點的起始高程。周邊建筑沉降監(jiān)測點共計12個，監(jiān)測點編號分別為JC1～JC12，周邊建筑沉降典型時程曲線如圖4所示。

圖4 周邊建筑沉降量-時間關系曲線

從圖中可以看出，周邊建筑監(jiān)測點沉降曲線類似，各監(jiān)測點均為負位移，即周邊建筑物下沉，但數(shù)值變化較為平緩。從基坑開挖至基底回填，即從第1階段至第5階段基坑施工全過程，JC2監(jiān)測點沉降最大，沉降量為2.60mm，由于監(jiān)測周期較長，考慮人為和儀器誤差等因素，周邊建筑沉降量微小，周邊建筑監(jiān)測點的豎向位移發(fā)展相對穩(wěn)定，該基坑開挖對周邊建筑物的影響很小。

3.3 支護樁變形監(jiān)測

采用CX-801A型數(shù)字測斜儀以埋設至穩(wěn)定土層的測斜管低端為基準，每往上0.5m測讀1次數(shù)據(jù)，得到每0.5m處相對于管底的傾斜量，基坑施工過程中通過每期觀測值與初始值的變化量，計算出每期支護樁不同深度的位移量。在4個監(jiān)測剖面分別設有支護樁深層水平位移監(jiān)測點，監(jiān)測點編號分別為CX1～CX4，各監(jiān)測點支護樁的深層水平位移均小于10mm，并且顯著小于控制值(20mm)。選取監(jiān)測點CX2(B區(qū))和CX3(C7區(qū))進行具體分析，支護樁樁身實測位移-深度關系曲線如圖5所示。

圖5 支護樁樁身實測位移-深度關系曲線

從CX2和CX3兩根支護樁的深層水平位移曲線可以看出，盡管兩根支護樁所處的位置不同，在第1階段基坑開挖時，水平位移逐漸增加，變形曲線近似直線，最大位移在樁頂。在第2，3階段，隨著基坑開挖深度的增加，CX2和CX3樁體水平位移最大值的位置也發(fā)生變化，基坑開挖深度越深，CX2樁體水平位移最大值距離開挖面的距離也在加大，變形曲線近似拋物線，而CX3樁體水平位移最大值的位置距離開挖面的距離較近。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，隨著基坑開挖的進行，支護樁整體水平位移在增加，開挖過程中水平位移的變化量與開挖深度成正比，支護樁體的變形大小與樁體部位有關，從第1至第5階段，樁底基本無變形發(fā)生。通過CX2支護樁的深層水平位移歷時曲線可以看出，第1道錨桿施工完成后，支護樁水平位移呈現(xiàn)緩慢增長，并趨于穩(wěn)定，隨著基坑的開挖，支護樁最大深層水平位移點隨基坑開挖深度的增加而逐漸下移，最大位移距樁頂約12.0m，說明第1道錨桿是控制樁頂水平位移的關鍵。圖5中理論計算曲線為基坑開挖至第4階段設計標高，CX2和CX3兩根支護樁的深層水平位移理論計算結果，對比理論計算曲線和實測結果發(fā)現(xiàn)，理論計算支護樁深層水平位移的發(fā)展趨勢與實測結果相吻合，但理論計算值要大于實測值。

4 錨桿軸力監(jiān)測

樁錨支護體系中預應力錨桿的作用十分關鍵，預應力錨桿工作正常與否關系到樁錨支護體系的安全與穩(wěn)定。錨桿施工完成后，采用TRC09振弦式傳感器讀數(shù)儀對壓力傳感器進行測試，取下一層土方開挖前連續(xù)2d獲得穩(wěn)定測試數(shù)據(jù)的平均值作為初始值。在4個監(jiān)測剖面分別設置錨桿軸力監(jiān)測點，監(jiān)測點共計15個，各監(jiān)測點錨桿軸力值匯總如表3所示。

由表3可以看出，將預應力錨桿初始值(鎖定后的初始監(jiān)測值)與鎖定值(設計要求鎖定值)比較，錨桿張拉鎖定時的預應力損失十分明顯，為10%～30%，這主要是由施工工藝、張拉鎖定設備和地質(zhì)條件等因素造成的。在開挖過程中錨桿軸力增加不明顯，由于基坑開挖完成后第5階段的停工時間較長，季節(jié)交替產(chǎn)生溫度變化，對支護結構產(chǎn)生一定影響，但增加量<5%。錨桿軸力監(jiān)測最終穩(wěn)定值與初始值相比有增大也有減小，長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，錨桿穩(wěn)定后的軸力減少為5%～10%，說明錨桿軸力隨時間變化很小，總體保持相對穩(wěn)定，最大變化率不到10%，這與支護結構其他監(jiān)測指標也較小是相符的。錨桿軸力監(jiān)測典型時程曲線如圖6所示。

表3 錨桿軸力值 kN

圖6 實測錨桿軸力-時間關系曲線

從圖6中可以看出，在預應力錨桿鎖定以后，各道錨桿的軸力均未隨時間和土方的開挖發(fā)生明顯變化，基本維持在一個較穩(wěn)定的數(shù)值。當基坑開挖至設計標高的第4階段時，A區(qū)1—1剖面第1，2道錨桿軸力監(jiān)測值分別為120.2kN和265.3kN，僅為設計值的60.1%和63.2%；B區(qū)2—2剖面第2，3，4道錨桿軸力監(jiān)測值分別為281.8，359.6，316.8kN，僅為設計值的68.7%，57.9%和54.6%；C區(qū)3—3剖面第2，3道錨桿軸力監(jiān)測值分別為341.9，353.6kN，僅為設計值的61.1%和66. 7%；D區(qū)4—4剖面第1，2道錨桿軸力監(jiān)測值分別為145.7，335.7kN，僅為設計值的52.1%和57.9%。以上結果表明錨桿軸力監(jiān)測值僅為設計值的1/2～2/3，由此推測，實際作用于支護結構上的土壓力遠比土壓力理論值小。

各道預應力錨桿鎖定后，測得的錨桿軸力變化很小，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，不同階段在全程監(jiān)測周期近800d內(nèi)，不同工況下的錨桿軸力有所增加也有減少，但增加和減少量都不大，錨桿軸力監(jiān)測值小于設計值并且變化量較小。綜合各項監(jiān)測指標顯著小于控制值的特點，說明樁錨支護結構能夠有效控制基坑變形，同時反映出該基坑支護設計偏于安全，并沒有充分發(fā)揮支護結構的性能。在保證基坑安全穩(wěn)定的前提下，應綜合考慮監(jiān)測數(shù)據(jù)及經(jīng)驗，對類似樁錨支護設計方案進行優(yōu)化。

5 結語

以北京某深基坑樁錨支護工程為背景，進行支護結構的水平位移、豎向位移、支護樁深層水平位移、錨桿軸力和周邊建筑物沉降等多項監(jiān)測，監(jiān)測周期跨越多個冬季溫度的季節(jié)性變化，通過長期原位監(jiān)測和對比分析，得到以下結論。

1)樁錨支護結構能有效地控制基坑的水平位移及基坑周邊建筑的沉降，受施工工藝、張拉鎖定設備和地質(zhì)條件等因素的影響，錨桿張拉鎖定時的預應力損失十分明顯，為10%～30%。

2)基坑開挖過程中，錨桿軸力增加不明顯，增加量<5%，錨桿軸力值變化較小，長期的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示錨桿穩(wěn)定后的軸力變化范圍在5%～10%。

3)基坑支護樁深層水平位移隨開挖深度的增大而增加，支護樁深層水平位移最大值所處的位置與樁深、工況及錨桿設計條件等因素有關。

4)錨桿軸力的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，錨桿軸力監(jiān)測值僅為設計值的1/2～2/3，實際作用于支護結構上的土壓力遠比理論值小，考慮眾多影響因素，在類似基坑支護的設計時，應結合以往工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)及經(jīng)驗，進行綜合優(yōu)化設計。