大型基坑開(kāi)挖支護(hù)方案設(shè)計(jì)及施工期穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)研究

趙 媛

中煤長(zhǎng)江基礎(chǔ)建設(shè)有限公司 江蘇 南京 210046

21世紀(jì)以來(lái)，隨著土地資源愈發(fā)緊張，現(xiàn)代建筑越建越高，因此也帶來(lái)了基坑越挖越深的連鎖反應(yīng)，同時(shí)復(fù)雜的周邊環(huán)境也帶來(lái)更多的不確定因素，支護(hù)結(jié)構(gòu)也越來(lái)越多樣化?，F(xiàn)代高樓深基坑的開(kāi)挖有效開(kāi)發(fā)了地下空間，由于地域和基坑場(chǎng)地、周邊環(huán)境的不同，使得基坑支護(hù)類型的選擇也各不相同，國(guó)內(nèi)外專家對(duì)此的研究成果也頗為豐富[1-4]。

丁智等[5]對(duì)杭州地鐵新塘路、景芳路交叉口工程深基坑進(jìn)行穩(wěn)定性分析，數(shù)據(jù)表明深基坑的開(kāi)挖對(duì)地下連續(xù)墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑地下水位以及周邊環(huán)境均有不同程度的影響。

尹利潔等[6]綜合考慮車站周邊環(huán)境、工程地質(zhì)以及水文條件，對(duì)蘭州地鐵雁園路站深基坑進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析，研究發(fā)現(xiàn)基坑開(kāi)挖過(guò)程中各段地下連續(xù)墻產(chǎn)生不同程度的沉降差，沉降差值過(guò)大會(huì)影響冠梁及整個(gè)內(nèi)支撐體系的安全。

葉帥華等[7]以蘭州市某復(fù)雜環(huán)境下深大基坑工程為案例，分析基坑開(kāi)挖過(guò)程中基坑變形性狀和基坑開(kāi)挖對(duì)鄰近建筑的影響，建議設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)綜合考慮基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑周圍土體和鄰近建筑三者的相互影響。

趙立中等[8]通過(guò)觀測(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合灰色模糊分析法和回歸分析法對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞進(jìn)行預(yù)報(bào)。

目前研究的主要方向都是支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性，對(duì)基坑開(kāi)挖分層穩(wěn)定性分析的研究還較少。本文基于江蘇某電力公司基坑支護(hù)工程，對(duì)基坑開(kāi)挖前支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分層穩(wěn)定性分析，同時(shí)對(duì)整個(gè)施工過(guò)程中的支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具體研究基坑開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況及周邊環(huán)境

本工程基坑圍護(hù)由江蘇省某勘測(cè)有限公司設(shè)計(jì)，位于南京市建鄴區(qū)河西新城科技園內(nèi)，北鄰?qiáng)W體大街，東鄰云臺(tái)山路，西鄰嶗山路。該工程地下室為2層，絕對(duì)標(biāo)高8.65 m，面積約22 200 m2，周長(zhǎng)約600 m，長(zhǎng)約170 m，寬約135 m。

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)文件，地下室1層底板面標(biāo)高－7.50 m，地下室2層底板面標(biāo)高－12.00 m，底板厚800 mm，承臺(tái)厚1 800 mm，故基坑開(kāi)挖面標(biāo)高為－13.90 m?，F(xiàn)自然地面為－1.40 m，基坑實(shí)際挖深12.50 m?；?xùn)|、西及北側(cè)鄰近城市道路，地下管線密集，需考慮有效的支護(hù)措施以控制基坑四周道路及地下管線的變形。

1.2 地質(zhì)條件

該地段的地基巖土上部主要由第四系全新統(tǒng)堆積的人工填土、沖積土層和第四系上更新統(tǒng)沖積土層組成；下部由白堊系上白堊統(tǒng)砂質(zhì)泥巖組成。按照地基巖土的組成、埋藏條件及其物理力學(xué)性狀，在本地段勘探深度范圍內(nèi)可將地基巖土劃分為11個(gè)巖土體單元，依次是①雜填土、②粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④粉質(zhì)黏土夾粉土、⑤粉土夾粉砂、⑥粉細(xì)砂夾粉土、⑦粉細(xì)砂、⑧粉細(xì)砂、⑨卵石、⑩砂質(zhì)泥巖、11砂質(zhì)泥巖。

根據(jù)南京地區(qū)水文地質(zhì)普查資料、水文地質(zhì)試驗(yàn)成果和鄰近工程的勘察結(jié)果，結(jié)合含水層的性質(zhì)和地下水的埋藏條件，地下水類型主要為上部第四系松散層中的孔隙潛水、孔隙微承壓水和深部基巖中的裂隙型潛水（以構(gòu)造裂隙水為主）。

上部孔隙潛水主要賦存于①層～④層，水位變化主要受地表給排水和大氣降水的影響，呈季節(jié)性變化，除雜填土外，上部地基土層主要表現(xiàn)為弱透水性；孔隙微承壓水主要賦存于⑤層～⑨層，與長(zhǎng)江有水力聯(lián)系。深部的基巖裂隙水主要賦存于⑩層、11層，一般水量較小，埋藏較深，對(duì)工程建設(shè)基本無(wú)影響。

特別要注意的是，基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)的土有較厚層的流塑狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，土質(zhì)較差，設(shè)計(jì)時(shí)需考慮采用適當(dāng)?shù)膿跬两Y(jié)構(gòu)，有效控制土方開(kāi)挖過(guò)程中基坑的變位。

2 深基坑支護(hù)方案設(shè)計(jì)

本工程基坑開(kāi)挖深度較深，荷載效應(yīng)較大，周邊環(huán)境對(duì)變形控制要求很嚴(yán)格，“樁-撐-錨”組合支護(hù)結(jié)構(gòu)可滿足上述要求，樁選取鉆孔灌注樁，可充分利用其剛度較大的特點(diǎn)，達(dá)到變形控制的目的。另外，鉆孔灌注樁加止水帷幕施工工藝成熟，施工速度快，施工質(zhì)量容易得到保證。故本設(shè)計(jì)推薦采用此工藝?；铀闹車o(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 300 mm@1 500 mm的鉆孔灌注樁作為擋土結(jié)構(gòu)（圖1），根據(jù)基坑的平面形狀，基坑四周采用邊桁架，中部采用對(duì)撐的形式。支撐的豎向布置采用2道混凝土支撐?？紤]到周邊建筑物、道路管線情況及土方開(kāi)挖量，樁頂冠梁標(biāo)高為－3.00 m，一道混凝土支撐中心標(biāo)高設(shè)置為－3.40 m。第2層支撐位置綜合考慮土方開(kāi)挖（挖掘機(jī)施工凈空＞4.0 m）、主體結(jié)構(gòu)施工以及拆撐工況等因素，確定支撐中心標(biāo)高為－8.40 m。

圖1 支護(hù)結(jié)構(gòu)平面示意

該支護(hù)方案有效地將“排樁內(nèi)支撐”和“排樁預(yù)應(yīng)力錨桿”這2種支護(hù)結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，在原有基礎(chǔ)上不僅提高了支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗變形能力，而且加大了基坑的開(kāi)挖深度?！皹?撐-錨”組合支護(hù)結(jié)構(gòu)中，內(nèi)支撐具有較強(qiáng)的控制變形的能力，預(yù)應(yīng)力錨桿可以為基坑施工提供較大的作業(yè)空間，同時(shí)具有一定的抵抗變形的能力[9-10]。

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 穩(wěn)定性計(jì)算條件

1）根據(jù)本基坑的周邊環(huán)境要求及開(kāi)挖深度確定本工程側(cè)壁安全等級(jí)取一級(jí)，重要性系數(shù)取1.1。

2）坑外迎土面的土壓力取主動(dòng)土壓力，開(kāi)挖面深度以下的土壓力按矩形分布取用?？觾?nèi)開(kāi)挖面以下背土面的土壓力取被動(dòng)土壓力。

3）土的內(nèi)摩擦角、黏聚力等均采用勘察報(bào)告提供的固結(jié)快剪指標(biāo)。根據(jù)周邊項(xiàng)目抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，粉土、粉砂層滲透系數(shù)按6.0 m/d取值，并按此參數(shù)進(jìn)行降水井設(shè)計(jì)。

4）按照朗肯土壓力計(jì)算理論作為土側(cè)向壓力設(shè)計(jì)的計(jì)算依據(jù)。計(jì)算時(shí)不考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)與土體的摩擦作用，且不對(duì)主、被動(dòng)土壓力系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，僅作為安全儲(chǔ)備處理?？紤]地下室外墻防水施工作業(yè)面，基坑內(nèi)以地下室外墻線為準(zhǔn)外延不小于1.5 m作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)邊界。

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果分析

本工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的計(jì)算，采用北京理正基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件F-SPW，嚴(yán)格按照DGJ 32/J—2005《南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》、JGJ 120—1999《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中的有關(guān)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

基坑第1輪開(kāi)挖深度至2.5 m，然后加1號(hào)支撐，內(nèi)撐水平間距1.5 m、豎向間距2 m，第2輪開(kāi)挖至7.5 m，隨后加2號(hào)支撐，內(nèi)撐水平間距1.5 m、豎向間距5 m，第3輪開(kāi)挖至12.5 m，此時(shí)開(kāi)挖位置達(dá)基坑底部。在基坑深度10.6 m處增設(shè)剛性鉸，拆除2號(hào)內(nèi)撐；在基坑深度6.1 m處增設(shè)剛性鉸，拆除1號(hào)內(nèi)撐。上述工況的土壓力、位移、彎矩及剪力均通過(guò)理論計(jì)算繪制成圖，如圖2～圖6所示。

圖2 基坑開(kāi)挖至2.5 m處及加支撐1受力

圖6 拆撐1過(guò)程受力

由圖2、圖3及圖4對(duì)比分析可知，隨著基坑開(kāi)挖深度的不斷增加，土壓力也在逐漸增加，整體結(jié)構(gòu)最大位移則體現(xiàn)在不同的土層中?；娱_(kāi)挖深度為2.5 m時(shí)，最大位移發(fā)生在1.6 m處，峰值達(dá)到5.08 mm；基坑開(kāi)挖深度為7.5 m時(shí)，最大位移發(fā)生在5 m處，最大值為11.75 mm；基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，最大位移大約發(fā)生在9 m，最大值達(dá)到21.24 mm。由上述數(shù)據(jù)分析可知，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，最大位移位置也在相應(yīng)變化，但均大約在基坑開(kāi)挖深度的2/3處。

圖3 基坑開(kāi)挖至7.5 m處及加支撐2受力

圖4 基坑開(kāi)挖至12.5 m處及加剛性鉸受力

同樣，隨著基坑開(kāi)挖深度的增加，整體結(jié)構(gòu)最大彎矩的數(shù)值也在相應(yīng)增大，產(chǎn)生最大彎矩及最大位移的位置大致一致。從圖2～圖4中的剪力圖可知，最大剪力均發(fā)生在排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的中下層。可能的原因在于：本工程區(qū)別于地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，采用鉆孔灌注樁，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體剛度較大，能有效控制變化量。

由圖4、圖5所得數(shù)據(jù)分析可知，基坑開(kāi)挖完成后，拆撐2時(shí)排樁支護(hù)整體受力無(wú)較大變化，可能的原因在于：基坑開(kāi)挖至底部以及拆撐2時(shí)均設(shè)置了剛性鉸，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性。但橫向?qū)Ρ炔饟?以及拆撐1結(jié)構(gòu)整體受力圖（圖5、圖6）發(fā)現(xiàn)，最大彎矩以及最大剪力位置發(fā)生了變化且基坑開(kāi)挖深度0～10 m變化幅度最大，影響因素可能是拆撐2的過(guò)程中，另一支撐受力顯著增加，導(dǎo)致整體受力不均勻。

圖5 拆撐2及增設(shè)剛性鉸受力

綜合上述工況受力圖分析，各工況的位移、彎矩及剪力均在安全范圍之內(nèi)，因此該工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和施工組織方案是可行的，基本滿足了支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)穩(wěn)定性要求。為進(jìn)一步驗(yàn)證理論計(jì)算的真實(shí)性及可靠性，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及其周圍環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)分析數(shù)據(jù)，確保工程的安全進(jìn)行。

3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)

3.3.1 管線水平位移和豎向位移監(jiān)測(cè)

沿基坑周邊共布設(shè)22個(gè)水平垂直監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從第1年9月18日開(kāi)始監(jiān)測(cè)至第3年6月3日結(jié)束，共觀測(cè)396次。當(dāng)?shù)叵鹿芫€變形速率大于3 mm/d、累計(jì)位移大于30 mm時(shí)，會(huì)觸發(fā)報(bào)警，管線水平及豎向位移部分監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。

圖7 22個(gè)觀測(cè)點(diǎn)下管線水平及垂直方向的累計(jì)位移量

第2年7月17日至第3年6月3日，周邊管線累計(jì)最大水平位移在GX22號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位移量為10.8 mm，累計(jì)最小位移在GX1號(hào)點(diǎn)，位移量為4.1 m，22個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的平均累計(jì)位移量為8.15 mm，第2年7月29日至第2年8月8日，變形最快，變形速率為0.06 mm/d。

第2年7月17日至第3年6月3日，周邊管線垂直方向位移量累計(jì)最大沉降在GX6號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，沉降量為22.7 mm，累計(jì)最小沉降在GX17號(hào)點(diǎn)，沉降量為6.1 mm，22個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的平均累計(jì)沉降量為12.07 mm，第2年7月18日至第2年7月29日，變形最快，變形速率為－0.15 m/d。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，基坑開(kāi)挖對(duì)其影響較小，累計(jì)變化量和變形速率在允許范圍內(nèi)。

3.3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和豎向位移監(jiān)測(cè)

沿圈梁頂面共布設(shè)30個(gè)水平垂直監(jiān)測(cè)點(diǎn)，從第1年12月16日開(kāi)始監(jiān)測(cè)，至第3年1月13日結(jié)束，共觀測(cè)364次。當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平變形速率大于3 mm/d、累計(jì)位移大于24 mm，支護(hù)結(jié)構(gòu)垂直變形速率大于3 mm/d、累計(jì)位移大于16 mm時(shí)，會(huì)觸發(fā)警報(bào)。圈梁水平及豎向位移部分監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖8所示。

由圖8水平監(jiān)測(cè)折線圖可知：圈梁累計(jì)最大水平位移在SP28號(hào)點(diǎn)，位移量10.0 mm，累計(jì)最小位移在SP17號(hào)點(diǎn)，位移量為4.3 mm，30個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均累計(jì)位移量為7.20 mm，第2年4月1日至第2年4月7日，變形最快，平均變形速率為0.23 mm/d。

由圖8垂直監(jiān)測(cè)折線圖可知：圈梁累計(jì)最大垂直位移在SP12號(hào)點(diǎn)，沉降量12.4 mm，累計(jì)最小位移在SP24號(hào)點(diǎn)，沉降量為5.0 mm，30個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均累計(jì)沉降量為7.55 mm，第2年3月15日至第2年3月20日變形最快，變形速率為－0.17 mm/d。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，基坑施工對(duì)圈梁水平及豎向位移影響較小，累計(jì)變化量和變形速率在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

圖8 30個(gè)觀測(cè)點(diǎn)下圈梁水平及垂直方向的累計(jì)位移量

3.3.3 深層土體水平側(cè)向位移監(jiān)測(cè)

深層土體水平側(cè)向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9所示。

圖9 15個(gè)觀測(cè)點(diǎn)下深層土體位移累計(jì)變化量

由監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，15個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)位移普遍呈現(xiàn)向基坑方向偏移，CX6以及CX12輕微向遠(yuǎn)離基坑方向偏移，其中觀測(cè)點(diǎn)CX7累計(jì)位移量達(dá)到最大值25.301 mm，同時(shí)變形速率最大在上部，為1.230 mm/d；觀測(cè)點(diǎn)CX12累計(jì)位移量達(dá)到反方向的最大值2.429 mm，和正方向最大值相比，遠(yuǎn)離基坑方向偏移量相對(duì)輕微，變形速率最大在上部，為－0.851 mm/d。由上述數(shù)據(jù)可知，深層土體水平變形速率未超過(guò)3 mm/d，累計(jì)位移也未超過(guò)40 mm，因此結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3.4 支撐軸力監(jiān)測(cè)

共布設(shè)36個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，第1道支撐從第1年12月14日開(kāi)始監(jiān)測(cè)，至第2年11月25日結(jié)束，共觀測(cè)346次，第2道支撐從第2年3月9日開(kāi)始監(jiān)測(cè)，至第2年8月29日結(jié)束，共觀測(cè)229次。

由混凝土支撐軸力折線圖（圖10、圖11）可知：第1道支撐累計(jì)最大變形在Z2號(hào)斷面，變化量為4 751.0 kN，累計(jì)最小變形在Z9號(hào)斷面，變化量為－593.4 kN，19個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的平均累計(jì)變化量為2 651.6 kN，第2年11月7日至第2年11月9日，變形最快，變形速率為－554.0 kN/d。至監(jiān)測(cè)結(jié)束，由于第2道支撐拆除過(guò)程中支撐軸力的不斷調(diào)整，造成第1道支撐位于基坑西北角軸力變大，第2年8月27日，Z1、Z2、Z3三點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)達(dá)到報(bào)警值并報(bào)警，直到西北角支撐全部拆除完畢，該值達(dá)報(bào)警值并未對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞。第2道支撐累計(jì)最大變形在Z14號(hào)斷面，變化量為6 180.3 kN，累計(jì)最小變形在Z10號(hào)斷面，變化量為3 263.9 kN，13個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的平均累計(jì)變化量為5 050.7 kN。第2年5月26日至第2年6月1日，變形最快，變形速率為192.8 kN/d。

圖10 第1道支撐軸力累計(jì)變化量

圖11 第2道支撐軸力累計(jì)變化量

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，基坑開(kāi)挖對(duì)其有一定影響，主要由于支撐拆除期間受力變大，但至監(jiān)測(cè)結(jié)束，未對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)江蘇某電力公司大樓基坑開(kāi)挖支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到如下結(jié)論：

1）通過(guò)“樁-撐-錨”支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論計(jì)算，表明該工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是可行的，充分證明了該支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性。

2）從周邊管線、支護(hù)結(jié)構(gòu)水平垂直位移及深層土體水平側(cè)向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，在監(jiān)測(cè)期間，上述各項(xiàng)監(jiān)測(cè)內(nèi)容的監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形速率及累計(jì)變化量在允許的范圍之內(nèi)，均未達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)警值，這一結(jié)果反映出該支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好。

3）從支撐軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看，基坑第2道支撐拆除期間，第1道支撐受力變大，部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)達(dá)到報(bào)警值，一定程度上反映了支撐拆除期間，支護(hù)結(jié)構(gòu)受到一定影響，但未造成破壞。