南京長(zhǎng)江漫灘區(qū)某超大深基坑支護(hù)與監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

徐 爽,李俊才,2,滕曉軍,高立權(quán)

(1.南京工業(yè)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,江蘇 南京 210009; 2.南京南大巖土工程技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210023; 3.中建八局第三建設(shè)有限公司,江蘇 南京 210046)

隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展,深基坑的規(guī)模越來越大,由于基坑工程的復(fù)雜性,基坑安全事故時(shí)有發(fā)生[1-4]。加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)選型及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是保證基坑安全的重要手段,對(duì)基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究,實(shí)施信息化施工具有重要意義[5-6]。徐飛等[7]以黃河沖積平原地區(qū)某超大深基坑為背景,研究了超大深基坑施工過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形、錨索軸力、地表沉降的變化規(guī)律。吳奇等[8]以南京河西某深基坑工程為例,基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與群井抽水試驗(yàn),通過數(shù)值模擬研究了基坑降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。李俊才等[9]以南京市某深基坑工程為背景,分析研究了相同水文地質(zhì)和施工條件下,不同支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的時(shí)空效應(yīng)。徐燕[10]通過工程實(shí)例分析,結(jié)合有限元計(jì)算,研究了坑外降水對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及周邊地面沉降的影響。錢德良等[11]以南京長(zhǎng)江漫灘區(qū)某深基坑降水工程為例,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬,總結(jié)了其在滲流作用下的變形規(guī)律。

長(zhǎng)江漫灘區(qū)地層具有典型的二元結(jié)構(gòu),上部為軟黏性土層與粉砂層互層;下部以砂、礫石層為主,一般為承壓含水層,基坑開挖時(shí)易產(chǎn)生漏水、漏砂、突涌等事故[12],該地區(qū)超大深基坑的支護(hù)設(shè)計(jì)選型至關(guān)重要,施工難度較大。本文以南京長(zhǎng)江漫灘區(qū)某超大深基坑工程為背景,通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析,研究深基坑在開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及周邊環(huán)境的變形規(guī)律,探討支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)選型要求,以便為該地區(qū)類似基坑工程支護(hù)設(shè)計(jì)與施工提供一定參考。

1 工程概況

工程位于南京市江北新區(qū),項(xiàng)目包含一棟22層酒店式公寓,多棟7～12層科研設(shè)計(jì)樓,一棟3層體育館、3層裙房及2層滿堂地下室。基坑面積約92 000 m2、周長(zhǎng)約1 250 m、開挖深度約11.0 m?；铀闹芫o鄰城市交通道路,最近距離約5 m,路面以下有大量雨污水、通訊、燃?xì)獾仁姓芫€?；影踩燃?jí)為一級(jí)。

2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)勘察揭露、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn),基坑開挖影響范圍內(nèi)土層分布及主要物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 土層分布及主要物理力學(xué)指標(biāo)

場(chǎng)地地下水類型主要為孔隙潛水,穩(wěn)定水位埋深為0.10～2.60 m,賦存于①層填土、② -1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、② -2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂、② -3層粉砂夾粉土中,主要由大氣降水和地表水滲入補(bǔ)給,以蒸發(fā)方式排泄。承壓含水層由③ -1層粉砂、③ -2層粉砂、③ -3層粉細(xì)砂及④層中粗砂混卵礫石組成,實(shí)測(cè)承壓水頭標(biāo)高為4.65～5.12 m,主要由長(zhǎng)江地下徑流補(bǔ)給,排泄以側(cè)向徑流為主。

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

3.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)選型

基坑開挖面積超大、開挖深度較深,因此本工程重點(diǎn)考慮了施工的便利性與快速性,采用了排樁加3道高壓旋噴預(yù)應(yīng)力錨索、鋼筋混凝土角撐,基坑中部間隔采用坑底被動(dòng)區(qū)土體深攪樁加固的支護(hù)方案。

以基坑北側(cè)為例,中部采用Φ1 000@1 200型(樁直徑1 000 mm、樁中心間距1 200 mm,下同)鉆孔灌注樁,樁長(zhǎng)28.3 m;豎向設(shè)置3道高壓旋噴預(yù)應(yīng)力錨索,水平間距1.2 m,豎向間距3.0 m,錨索由3根預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成,錨固段端部1.5 m范圍內(nèi)的擴(kuò)大頭直徑≥500 mm,為了有效降低群錨效應(yīng)[13]的影響,采用錨索傾角15°/20°交錯(cuò)施工,預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)見表2。基坑角部采用Φ1 100@1 300型鉆孔灌注樁和一層鋼筋混凝土角撐作為支護(hù)結(jié)構(gòu),基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖1。

表2 預(yù)應(yīng)力錨索參數(shù)

圖1 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置Fig.1 Layout of foundation pit supporting structure and monitoring points

3.2 止水與降水設(shè)計(jì)

支護(hù)樁外側(cè)均采用Φ850@1 200型三軸攪拌樁作為止水帷幕,樁長(zhǎng)約26 m。基坑內(nèi)共布設(shè)426口降水井,其中沿“坑中坑”(開挖深度約14.0 m)四周共布設(shè)50口降水井,井深26 m,濾管長(zhǎng)度約24 m,其余376口降水井在基坑開挖平面內(nèi)均勻布置,井深22 m,濾管長(zhǎng)度約20 m,濾管底部采用5 mm厚鋼板封底,濾管與井壁間采用級(jí)配良好的綠豆砂進(jìn)行充填。

3.3 被動(dòng)區(qū)加固設(shè)計(jì)

為提高被動(dòng)區(qū)土體強(qiáng)度,控制基坑變形,在錨索施工平面范圍內(nèi)采用1排Φ600@500型單管高壓旋噴樁與6排Φ850@1 800型三軸攪拌樁進(jìn)行裙邊加固,加固長(zhǎng)度約280 m,加固深度7 m,典型支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見圖2。

圖2 典型支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖(mm)Fig.2 Typical retaining structure profile (mm)

3.4 土方開挖方式

綜合考慮基坑變形控制及施工效率,將基坑分為3個(gè)施工區(qū)域同步分層、分區(qū)開挖。每層土方先開挖四周土體,為錨索提供施工作業(yè)面,錨索張拉鎖定后,再將各區(qū)土方分段開挖至下一層錨索施工作業(yè)面。為降低基坑長(zhǎng)邊效應(yīng)[14]的影響,基坑南側(cè)、北側(cè)土方開挖至第3層錨索工作面時(shí)(開挖深度8.7 m),待錨索施工結(jié)束且張拉鎖定后,采用分倉(cāng)方式跳倉(cāng)開挖最后一層土體,開挖到底后先行施工混凝土墊層和基礎(chǔ)底板,待底板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后,再開挖相鄰段預(yù)留土臺(tái)并施工剩余基礎(chǔ)底板,具體分倉(cāng)開挖平面布置見圖1。

3.5 施工工況

從基坑土方開挖至地下結(jié)構(gòu)施工完工,共歷時(shí)約8個(gè)月,實(shí)際開挖情況可分為5個(gè)施工工況,如表3所示。

工況1—3中,待各區(qū)高壓旋噴預(yù)應(yīng)力錨索達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度且施加預(yù)應(yīng)力完成后,先開挖本區(qū)錨索周邊范圍內(nèi)的土方,等所有區(qū)域錨索施工完成后,再進(jìn)行大面積土方開挖,各層錨索施工完成時(shí)間約15 d。

施工第3層錨索時(shí),基坑?xùn)|側(cè)、南側(cè)及西側(cè)錨索孔道主要穿過② -3層粉砂夾粉土,基坑北側(cè)錨索孔

表3 施工工況

道主要穿過② -2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂。錨索施工需打穿基坑外側(cè)止水帷幕,坑外水頭壓力較大,地下水涌入錨索孔道,出現(xiàn)漏水、漏砂等情況,其中東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)及北側(cè)坑角部位漏水、漏砂等情況普遍較嚴(yán)重。錨索孔道內(nèi)存在的水流易導(dǎo)致注漿不密實(shí),水泥土成型差,錨索抗拉強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮,影響錨索工作性能[15],遂需采取坑外應(yīng)急降水措施，保證錨索的正常施工。沿基坑?xùn)|側(cè)、南側(cè)、西側(cè)及北側(cè)坑角,約每隔10 m布設(shè)1口降水井,井深20 m,濾管長(zhǎng)度約18 m,將坑外水位降低至-9.7 m。

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移

圖3為支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移曲線。由圖3可知:開挖初期,各樁頂水平位移增量交錯(cuò)增加,并無明顯的空間分布特征；隨著開挖深度的增加,水平位移增量也逐漸增大;基礎(chǔ)底板施工完成后,水平位移增量逐漸趨于穩(wěn)定。角撐拆除前(工況5)水平位移增量具有明顯的空間分布特征,無論長(zhǎng)邊還是短邊都呈現(xiàn)中間部位大、坑角部位小的特點(diǎn),離坑角越近，水平位移增量越小,其中D1的水平位移增量為20.4 mm,D9的水平位移增量為28.6 mm,兩者有較大的差距,且長(zhǎng)邊的平均水平位移增量大于短邊的平均水平位移增量。由李大鵬等[16]對(duì)空間效應(yīng)的機(jī)制分析可知:在坑角部位,由于土拱效應(yīng)的“屏蔽作用”,坑角周圍土壓力減小,從而使得支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移減小,這種作用效果沿遠(yuǎn)離坑角方向逐漸減弱。

圖3 支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移曲線Fig.3 Variation curves of top horizontal displacement of retaining structure

4.2 土體深層水平位移

圖4為土體深層水平位移沿深度方向的變化曲線。由圖4可知:測(cè)點(diǎn)CX27在第3和4層土方開挖期間的水平位移最大值分別增加了9.9和9.2 mm,第4層土方開挖期間最大水平位移增量卻小于第3層土方開挖期間的最大水平位移增量,這是因?yàn)榈?層錨索施工導(dǎo)致基坑漏水、漏砂,因此采取了坑外降水措施,使基坑外側(cè)水、土壓力減小,而第4層土方采用了分倉(cāng)開挖的方式,有利于控制基坑的變形。測(cè)點(diǎn)CX6在第3和4層土方開挖期間的水平位移最大值分別增加了10.7和13.4 mm,這是因?yàn)榛颖眰?cè)漏水、漏砂情況較其他3側(cè)少,坑外降水范圍也小,因此對(duì)北側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響較小。

圖4 深層水平位移曲線Fig.4 Variation curves of deep horizontal displacement

4.3 坑外地下水位

圖5為坑外地下水位隨時(shí)間變化曲線。由圖5可知:第3層錨索施工前(工況3),水位呈逐漸下降趨勢(shì)但變化幅度較小,水位處于-1.5～0.5 m范圍內(nèi)；第3層錨索施工期間,基坑出現(xiàn)漏水、漏砂,為保證錨索的正常施工,坑外降水至-9.7 m,此階段水位迅速下降；隨著底板的澆筑完成,逐漸停止坑外降水,水位有一定的回升且逐步趨于穩(wěn)定。

圖5 坑外地下水位變化曲線Fig.5 Variation curves of underground water level outside the pit

4.4 道路沉降

圖6為道路沉降變化曲線。由圖6可知:開挖前期,道路沉降緩慢增大;施工第2層錨索時(shí),道路沉降范圍為20～28 mm,報(bào)警值為40 mm。道路沉降主要發(fā)生在坑外降水期間,為了保證第3層錨索的正常施工,坑外降水至-9.7 m,降水引起土體有效應(yīng)力增大,從而造成道路在此階段有較大的沉降。降水期間,測(cè)點(diǎn)R30累計(jì)沉降達(dá)到了209 mm,約占監(jiān)測(cè)期總沉降的86.2%;隨著底板的澆筑完成及坑外降水的逐漸停止,道路沉降逐步趨于穩(wěn)定。

圖6 道路沉降變化曲線Fig.6 Variation curves of road settlement

4.5 錨索軸力

圖7為錨索軸力變化曲線。由圖7可知:第1層錨索軸力普遍大于第2和3層錨索軸力,這是因?yàn)榈?層錨索施工期間,基坑漏水、漏砂及坑外降水導(dǎo)致錨索注漿不密實(shí),水泥土成型差,錨索強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮,基坑外側(cè)水、土壓力減小。第2層錨索軸力測(cè)點(diǎn)(MS2、MS4、MS7)在第3層錨索施工期間測(cè)得的軸力與第2層軸力相比，均出現(xiàn)了不同程度的減小,這與文獻(xiàn)[17-19]分析所得錨索軸力變化規(guī)律一致,即下層錨索預(yù)應(yīng)力的施加會(huì)使上層錨索軸力出現(xiàn)一定程度減小。第3層錨索軸力普遍變化幅度較小,且隨著底板的澆筑完成,錨索軸力趨于穩(wěn)定,說明底板對(duì)控制基坑變形起到了關(guān)鍵的作用。

圖7 錨索軸力變化曲線Fig.7 Variation curves of anchor cable axial force

經(jīng)統(tǒng)計(jì)所有測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)期內(nèi)數(shù)據(jù)可知：第1層錨索軸力變化范圍為84.0～299.7 kN,平均值為206.7 kN,該值為設(shè)計(jì)值的71.3%;第2層錨索軸力變化范圍為40.0～237.5 kN,平均值為105.7 kN,該值為設(shè)計(jì)值的27.4%;第3層錨索軸力變化范圍為47.7～181.9 kN,平均值為93.7 kN,該值為設(shè)計(jì)值的24.3%。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:第1層錨索的實(shí)測(cè)軸力最大值超過了設(shè)計(jì)值,且實(shí)測(cè)平均值達(dá)到了設(shè)計(jì)值的71.3%,施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)第1層錨索軸力的監(jiān)測(cè),防止因錨索軸力過大導(dǎo)致基坑失穩(wěn)破壞。

5 結(jié)論

1)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形具有明顯的空間效應(yīng),基坑中部支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移大于角部的水平位移?；邮┕み^程中,應(yīng)加強(qiáng)對(duì)基坑中部支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測(cè)。

2)雖然樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)具有工期短、施工方便等優(yōu)點(diǎn),但并不適用于南京長(zhǎng)江漫灘區(qū)典型二元結(jié)構(gòu)地層的超大深基坑支護(hù)中,成孔施工處理不當(dāng)易導(dǎo)致基坑漏水、漏砂,錨索注漿不密實(shí),水泥土成型差,錨索強(qiáng)度得不到充分發(fā)揮等問題,易對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重影響。

3)坑外降水雖然能夠保證錨索的正常施工,有效減小坑外的水、土壓力,對(duì)控制基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形效果明顯,但易引起基坑周邊沉降過大,造成較為嚴(yán)重的后果,在復(fù)雜敏感的周邊環(huán)境條件下應(yīng)慎用。