深基坑雙排樁支護的設計與變形監(jiān)測研究

蔣宏鳴 劉春林

（1.上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司, 上海 200125；2.華南理工大學土木與交通學院, 廣東廣州 510641）

0 引言

城市化進程不斷推進，毗鄰既有建筑物和道路管線而建的工程項目越來越多，基坑開挖對周邊環(huán)境的影響越加受到重視[1-3]?；又ёo結構形式的選取受到周邊環(huán)境條件的約束，支護結構的設計方案既要考慮安全性和經濟性，也要考慮施工操作的適用性[4]。

雙排樁支護結構已有十余年的發(fā)展歷史[5-8]，隨著雙排樁計算理論研究成果的不斷積累[9-11]，雙排樁支護結構的設計理論已足夠成熟，全國各地使用該種支護形式的成功案例越來越多[12-14]。相比傳統(tǒng)的單排樁懸臂支護形式，雙排樁支護在頂部連梁、冠梁的連接作用下形成了空間剛架體系，具有更大抗側剛度和整體穩(wěn)定性，雙排樁可以被使用在更深的基坑工程中，也更能在軟土地區(qū)使用。相比樁撐支護形式，雙排樁支護結構由于屬于懸臂支護形式，具有更便利的開挖方式，施工速度更快，施工周期更短。由于雙排樁在基坑外側可不設置錨桿，沒有支護結構超出紅線范圍的可能，不會侵入后方建筑物和管線的豎直影響范圍，因此與樁錨支護形式相比，雙排樁的布置更有靈活性，也能滿足當下日趨嚴格的用地保護要求。

本文以深圳地區(qū)某毗鄰既有建筑物的雙排樁基坑為研究對象，介紹了雙排樁支護方案的設計過程，統(tǒng)計了雙排樁支護結構和毗鄰建筑物的變形監(jiān)測數據，并分析了雙排樁的變形規(guī)律，初步得出支護結構變形與坑外地表、毗鄰建筑物沉降的內在關系，證明設計方案的可行性與安全性。所得研究結果可為此類基坑工程的設計工作提供一定的經驗性參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

項目位于深圳市光明區(qū)，包括3 棟6～8 層的地上建筑和1 個大型地下室。地下室的西側1/3 范圍為地下一層，東側2/3 范圍為地下二層?；有螤畛什灰?guī)則矩形，東西向較狹長，基坑面積約為1.85×104m2，周長約為700 m；由于坑頂地勢略有起伏，因此基坑開挖深度為8.70～12.55 m，基坑挖深最大處位于南側中部位置?；幽蟼韧獠看嬖诩扔薪ㄖ铮髂蟼群湍蟼葹? 層小學和幼兒園教學樓，框架結構體系，淺基礎形式；該處建筑均距離基坑邊較近，距離為13.1～14.5 m?；訓|南側為當地居民自建住宅建筑，層數為6～14 層，結構體系包括框架結構和剪力墻結構，大部分建筑為淺基礎，東南側局部2 棟層數為13 層和14 層的建筑采用了樁基礎；該處民宅建筑較為密集，與基坑邊最近的距離為16.6 m。通過與相應位置的基坑深度進行比較，南側各建筑與基坑邊的距離基本滿足大于1 倍基坑挖深并小于2 倍基坑挖深；基坑邊與用地紅線之間存在一定距離，最近處大于5.7 m?；訕烁咭约爸苓叚h(huán)境見圖1。

圖1 基坑標高及周邊環(huán)境圖（單位：m）

1.2 工程地質與水文條件

項目場地地貌單元為沖洪積階地，地形略有起伏，整個場地北高南低，基坑南側地面高程為25.5～28.5 m，最大高差為3.0 m，南側小學和幼兒園地面之間高差存在已建擋墻分隔，東南側民宅區(qū)域高差存在自然坡降。根據巖土工程勘察報告，場地地層分布從上至下依次為第四系人工填土層（①層土）、第四系全新統(tǒng)坡洪積層（②、③、④層土）、第四系殘積土層（⑤、⑥層土）、燕山四期早白堊世混合花崗巖（⑦層土），其中除③、④層土僅在場地東南側局部位置分布外，其余土層均為全場地范圍分布，地層連續(xù)且未見缺失。各土層物理力學指標見表1。場地地下水分為第四系孔隙水及基巖裂隙水，孔隙水主要賦存于人工填土層，其次賦存于坡洪積、殘積層和全風化巖層中，主要接受大氣降水及地下水側向補給；基巖裂隙水主要賦存于強風化巖節(jié)理、裂隙內，受節(jié)理、裂隙發(fā)育程度控制，具有微承壓性，主要接受基巖裂隙水的側向滲流補給，以滲流方式向低洼處排泄。場地土層除③、④層土為強透水性土，其余土層均為弱透水性土，⑦層土為中等透水性基巖。

表1 土層物理力學指標

2 基坑支護方案

2.1 雙排樁支護方案

經過初步的方案論證和比較，在考慮了經濟性、安全性和適用性條件后，基坑設計方案確定為北側采用放坡土釘墻的形式，基坑南側設計方案確定為雙排旋挖灌注樁懸臂式支護結構，基坑南側支護形式平面分段見圖2。經計算，在滿足規(guī)范[15]變形和穩(wěn)定性的要求下，確定南側雙排樁支護方案見表2，其中支護結構的混凝土強度等級為C30，配筋采用三級鋼。雙排樁頂冠梁標高設計成統(tǒng)一標高，坑頂至冠梁頂采用放坡加土釘噴錨，設計止水帷幕采用φ1000 高壓旋噴樁，布置于前排樁之間，由于勘察揭露東南角的支護EF 段存在③、④層強透水土，因此增加一排φ1000 高壓旋噴樁并與樁間旋噴樁搭接0.2 m，以保證其止水性。支護典型剖面見圖3。

圖3 雙排樁支護典型剖面圖（單位：mm）

表2 南側雙排樁支護方案

圖2 南側雙排樁支護分段平面圖

2.2 雙排樁支護變形計算結果

根據現行基坑設計軟件理正深基坑的計算結果，雙排樁支護的水平位移均小于規(guī)范要求的位移限值，排樁變形呈現出典型的懸臂支護變形特點，支護結構的最大水平位移值出現在前排樁頂部。各段雙排樁支護結構計算得到的最大水平位移見表3，支護結構的水平位移均滿足規(guī)范[15]的變形限值要求。

表3 雙排樁支護結構最大水平位移計算結果

3 雙排樁支護監(jiān)測

3.1 監(jiān)測方案

設計要求南側雙排樁支護結構在施工開挖期間進行樁頂水平位移、支護樁深層水平位移、地表沉降、南側基坑外建筑物沉降的監(jiān)測。由于場地和成本的原因，現場最終實現有效監(jiān)測的支護樁頂水平位移測點共10 個，為WY1-WY10；支護樁深層水平位移監(jiān)測點共3 個，分別為CX1-CX3；地表沉降監(jiān)測點共3 組，每組4 個點位從后排冠梁邊向坑外延伸布置，分別為CJ1-CJ3；建筑位移監(jiān)測點共7 個，分別為FW1-FW7。有效監(jiān)測點的平面布置見圖4。

圖4 監(jiān)測點平面布置圖

3.2 基坑開挖周期

基坑工程施工工序時間大致為3月底開始施工支護結構；支護結構經檢測滿足設計要求后，5月初開挖第一皮土方，開挖順序為由西端和東端向中間推進，為保護后方建筑，南側中間段基坑挖深最大處為最晚開挖區(qū)域，約為5月底動土；7月初開始施工地下一層區(qū)域底板，7月下旬完成全部地下一層區(qū)域底板的澆筑，并開始東端地下二層底板的施工，8月底完成全部地下室結構底板的澆筑。

整個基坑自開挖起至完成底板澆筑共歷時3 個月，其中各圍護段的開挖施工期歷時約60 天，由于項目工期較緊，基坑開挖后出土作業(yè)晝夜連續(xù)進行直至挖到坑底，基坑深度始終處于動態(tài)變化過程中?；娱_挖期間正值廣東地區(qū)的雨季，據監(jiān)測報表粗略統(tǒng)計，開挖期間的降雨頻率約為12～15 天/月。施工期間監(jiān)測頻率為1 次/天。

3.3 基坑監(jiān)測結果和分析

水位監(jiān)測數據顯示基坑開挖過程中坑外地下水位基本處于坑底標高±0.5 m 范圍內，可見地下水的影響較小。本項目地層分布均勻，場地內⑤層土較厚，坑底均為⑤層土，因此地層變化的影響也較為有限。

整個基坑自土方開挖開始至底板澆筑一周結束期間的雙排樁樁頂水平位移時程曲線見圖5。

圖5 雙排樁頂水平位移時程曲線

由圖可知： WY1、WY2、WY8、WY9、WY10 曲線在5月5日至5月25日期間的斜率較陡，6月之后曲線斜率逐漸變緩，7月以后曲線更為平緩，僅有小幅上升；WY6、WY7 曲線在5月30日至6月20日期間的斜率較陡，之后曲線斜率也逐漸減小，7月底以后曲線變得平直；WY3、WY4、WY5 曲線的上升段呈臺階式，5月5日至5月25日期間曲線出現一次顯著上升，6月4日至6月底曲線再次出現一次顯著上升，且兩段上升曲線的斜率相當，7月底以后WY3 基本不再增加，曲線較平緩，而WY4、WY5 在7月底至8月中旬又出現了一段小幅增長，8月中旬之后曲線漸趨平緩。通過比較各條曲線的上升時間與開挖施工的時間，發(fā)現雙排樁樁頂水平位移在開挖前期增加最為顯著，由于土方開挖是由東西兩端向中部逐漸開展，因此各條曲線的顯著增加時間有先后差別；開挖以后的前20 天為樁頂水平位移增加最快的時期，隨著開挖施工的進行，位移增加速率逐漸減小，地下室底板澆筑后，樁頂水平位移基本不再增長。值得注意的是，WY3、WY4、WY5 曲線的變化特點與其他曲線略有不同，3 條曲線不僅出現了2 次顯著上升段，且WY4、WY5 曲線在7月底地下二層底板澆筑后依然有小幅增加，原因是WY3、WY4、WY5 所在區(qū)域處在前期開挖和后期開挖的過渡位置，該區(qū)域的大面積開挖施工被分成2 次進行，且WY4 和WY5所在支護段為南側雙排樁支護的大陽角位置，變形較為敏感，底板成型前樁頂水平變形始終在緩慢增加。各測點開挖后各施工階段雙排樁頂水平位移值見表4，WY3、WY4、WY5 不具備代表性，排除統(tǒng)計。由表4可見，施工各階段樁頂水平位移值基本與開挖深度成正比，WY1 和WY2 的數值較小，原因是基坑東南區(qū)域實際場地標高有一定起伏，設計挖深按照最高點計算，但實際現場部分區(qū)域開挖深度僅約9.05 m。表5所示為各施工階段雙排樁頂的水平位移值與位移終值的比值。由此可見，基坑開挖后的前20 天（約為開挖施工期的前1/3 階段）為雙排樁支護頂部水平位移增加較快的時期，分別刪除各列的最高值和最低值并計算平均值，得到開挖后前20 天內雙排樁頂水平位移平均占總位移60.7%，開挖20 天后至底板澆筑完成期間的水平位移平均占總位移35.4%，而底板澆筑后一周內的水平位移平均占總位移3.9%?？梢妼τ陔p排樁支護結構，基坑開挖施工期的前1/3 階段是控制基坑變形的關鍵時期。

表4 各施工階段雙排樁頂水平位移值 mm

表5 各施工階段雙排樁頂水平位移值與位移終值的比值%

比較表3、表4數據發(fā)現，監(jiān)測得到的樁頂水平位移最終值均小于計算所得位移值，原因是設計計算并未計及樁間φ1000 高壓旋噴樁對雙排樁樁間土的加固作用；如前文所述，由于考慮加強止水效果，基坑東南角支護EF 段設置了兩排旋噴樁，而該處測點WY1 和WY2 的樁頂水平位移值也顯著小于其他測點，由此可見，雙排樁樁間土的加固將顯著改善雙排樁的剛度，可作為控制雙排樁基坑變形的有效措施。

分別統(tǒng)計CX1、CX2、CX3 在7月30日與8月30日的前排樁深層水平位移值（見圖6）。不同位置的雙排樁呈現出不同的側向變形特征：支護EF 段（CX1）的雙排樁表現出頂部被約束的單支點式變形特點，支護樁的最大側向位移出現在坑底附近，且2個時間節(jié)點所表現出的特征相同；支護DE 段（CX2）的雙排樁則完全不同，2 個時間節(jié)點的支護結構均表現出典型的懸臂式變形特點，支護樁的水平位移最大值出現在支護樁的頂部；支護BC 段（CX3）的雙排樁在2 個時間節(jié)點上表現出不一致的變形特點，7月30日的支護樁呈現出懸臂式變形特征，而8月30日則呈現出單支點式特征。

圖6 雙排樁前排樁深層水平位移值

總結出現這些特征的原因如下：（1）相比其它支護段只設置了樁間旋噴樁，支護EF 段在外側增設了一排φ1000@800 的旋噴樁，現場查看EF 段雙排樁冠梁結構時發(fā)現由于一排旋噴樁的注漿加固作用，前排冠梁與連梁交接處與水泥土凝固成了一塊，效果如同加寬了前排冠梁并顯著增加了前排冠梁和連梁的剛度，從而顯著增加了樁頂的約束，致使該段支護結構呈現出單支點式的變形；（2）由于支護DE 段的底板施工要早于支護BC 段，8月以后支護DE 段在坑底附近的水平位移被有效約束，而支護BC 段挖深最大，底板封閉最晚，自5月中下旬開挖后支護樁的深層側向變形始終在逐漸增加。由此可見，雙排樁頂部剛架結構的剛度、開挖深度和施工工序都影響著它的變形特征，由于冠梁和連梁有效約束了前排樁頂部的位移，若深層水平位移不能被有效約束，隨著開挖深度的增加，深層水平位移便會逐漸超過樁頂處的位移，出現“鼓肚式”的變形特征。

另一方面，基坑設計軟件得到的雙排樁變形均為典型的懸臂式變形，現行設計軟件不能準確反映雙排樁支護結構變形特征的變化性。雙排樁支護結構后方的地表沉降監(jiān)測結果見圖7。通過觀察發(fā)現，CJ1 曲線的最大值出現在距后排樁4.0 m 左右的位置上，2 個時間點的沉降曲線均呈“凹槽形”曲線；CJ2 和CJ3 曲線的最大值均出現在緊鄰后排樁的位置上，且2 個時間點的沉降曲線形態(tài)也表現一致，均呈“三角形”曲線。根據研究結果[4]顯示，“凹槽形”沉降曲線通常由“鼓肚式”支護樁變形造成，主要出現在單或多支點的支護結構上，與CJ1 最近的CX1深層水平位移曲線也證實了這種經驗性判斷；而另一方面，“三角形”沉降曲線被證明通常為懸臂式支護結構的變形特征，由于懸臂式支護結構的最大側向變形出現在樁頂，因而它的最大沉降也出現在支護樁邊。由此判斷，CJ1 所在的支護EF 段雙排樁表現為單支點式變形，而CJ2 和CJ3 所在的支護AB 段雙排樁表現為懸臂式支護變形，再次表明雙排樁支護結構與單排樁懸臂支護結構不同，它的變形特征介于單支點支護和懸臂式支護之間，具有一定變化性。

圖7 支護結構后方地表沉降值

由于FW4-FW7 測點得到的建筑物沉降數值均較小并可作忽略，因此僅統(tǒng)計FW1-FW3 的小學建筑沉降值并繪制沉降時程曲線（見圖8）。觀察沉降時程曲線發(fā)現：若不考慮開挖初期的擾動影響，FW1 和FW2 曲線上升段的起點約為5月25日左右，FW3 曲線上升段的起點約為6月20日左右?？梢?，相比支護樁側向位移顯著增加時間為開挖后的前20 天內，即施工開挖期的前1/3 階段，建筑沉降出現顯著增長的時間均在相應支護段開挖施工的20 天后，即施工開挖期的后2/3 階段，這表明建筑物的沉降變形有一定的滯后現象。各測點得到的建筑物沉降值均小于沉降控制值18 mm，且基坑深度越大，建筑物沉降越大。FW1 和FW2 測點處的挖深為8.7 m，相應的建筑物最大沉降值分別為4.0 mm 和4.1 mm；FW3 測點處基坑挖深為12.55 m，該測點的最大沉降值為6.8 mm。根據CX3 的數據，FW3 測點附近雙排樁結構的深層水平位移最大值為13.28 mm，最大沉降值約為雙排樁側向位移最大值的50%。

圖8 建筑物沉降時程曲線

4 結論

（1）基坑開挖施工期的前1/3 階段為雙排樁支護結構頂部水平位移增加最快的時期，該時期發(fā)生的樁頂水平位移達到總位移的60.7%。對于保護要求較高的項目，應重視雙排樁基坑開挖初期的變形控制。

（2）雙排樁樁間土的加固能夠顯著提高支護結構的剛度，有效減小支護結構的變形。在雙排樁的樁間布置高壓旋噴樁既可以止水，又能增加雙排樁結構剛度，減少支護結構變形。

（3）雙排樁前排樁的側向變形形態(tài)介于懸臂式和單支點式之間。當頂部連梁剛度較大、基坑較深且底板封閉較晚時，前排樁的變形趨近于單支點式，樁身深層水平變形超過樁頂，坑外的地表沉降呈“凹槽形”。

（4）雙排樁支護后方建筑物的沉降變形主要出現在施工開挖期的后2/3 階段，明顯滯后于支護樁的顯著變形階段。監(jiān)測數據顯示建筑物的最大沉降約為支護樁最大側向位移的50%。