復(fù)雜周邊環(huán)境下深基坑開挖監(jiān)測與變形特性分析

蔣興祥，吳 勇，張向陽

（1.云南建投物流有限公司，云南 昆明 650501；2.云南省建筑科學(xué)研究院有限公司，云南 昆明 650223）

0 引言

隨著我國城市升級改造，新建場地面臨周邊環(huán)境復(fù)雜、基坑開挖與支護(hù)技術(shù)難度大等問題［1-3］，地下空間的利用程度不斷增大，尤其在一線城市中超大、超深基坑隨處可見［4-6］。在建基坑周邊已是高樓林立，深基坑的開挖必然造成應(yīng)力分布變化，引起嚴(yán)重變形和開裂，甚至導(dǎo)致高層建筑倒塌。相鄰深基坑相互影響也是十分明顯，不同深度、不同時期開挖、不同支護(hù)形勢等迫使基坑發(fā)生水平變形、豎向變形、深部水平位移［7-10］。如何才能快速有效地掌握深基坑變形特征和力學(xué)特征，當(dāng)變形、應(yīng)力達(dá)到預(yù)定的閥值時，進(jìn)行預(yù)警工作，成為建筑工程界首要解決的問題之一［11-13］，進(jìn)而控制周邊高層建筑的變形量、避免道路塌陷、影響相鄰深基坑支護(hù)，因此，變形速率預(yù)警值（監(jiān)控值）是基坑工程安全監(jiān)測重要的控制性技術(shù)。

本文結(jié)合昆明某大型深基坑工程開展了現(xiàn)場監(jiān)測工作，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和變形特性研究。

1 工程概況

擬建場地位于昆明市主城區(qū)北部，地塊形狀呈“L”形，現(xiàn)紅線內(nèi)除局部零星分布有簡易磚房外，大部分為平地，場地標(biāo)高在 1 902.64～1 904.32 m，地面高差平均約 1.68 m，地形較平緩。

根據(jù)開挖施工圖，基坑為地下兩層，用途為地下車庫，深度約 10.0 m。占地面積約 22 894 m2，基坑周長約 800 m，覆蓋紅線內(nèi)的大部地段，基坑邊線距紅線 6.0～8.0 m。東北邊長約 246 m，距離永久性建筑物的距離約 21.5 m；東南邊長約 52 m，距離小康大道約 3.2 m，小康大道人行道下分布有密集的城市地下管網(wǎng)；南面東部總長約 250 m，距離永久性建筑物最小距離約 15.0 m，且緊鄰紅線的區(qū)內(nèi)道路下管網(wǎng)密集；南側(cè)西部總長約 94 m，距離永久性建筑物約 10 m，區(qū)內(nèi)道路下有密集的管網(wǎng)；西南側(cè)總長約 100 m，距離市政道路約 3.5 m，且道路下分布有管線，紅線內(nèi)側(cè)分布有高壓線；西北側(cè)總長 153 m，距離在建基坑約 7.0 m（見圖 1）。

1.1 工程地質(zhì)概況

基坑位于昆明沉積盆地北部邊緣區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造上，地形總體向南緩傾，地面坡降總體＜5 ‰，地勢開闊。場地范圍內(nèi)以第四紀(jì)覆蓋層為主，場地內(nèi)原為種植水稻、蠶豆等的耕地，城市擴(kuò)建后填土填平為待建城市建設(shè)用地，地基土劃分為 3 個主層（人工活動層、沖洪積層和沖湖積層），土層參數(shù)詳如表 1 所示。土層壓縮性為中壓縮性，屬于Ⅱ類場地土，昆明地區(qū)的抗震設(shè)防烈度為 8 度，設(shè)計基本地震加速度值為 0.20g。

層號 土層 層厚/m重度/（kN·m-3）浮重度/（kN·m-3）黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/°1 雜填土 0.70 18.0 12.00 5.00 2 素填土 1.80 18.9 19.20 8.00 3 黏性土 3.50 19.5 9.5 28.07 13.37 4 粉砂 2.00 20.2 10.2 9.20 18.10 5 黏性土 2.20 19.6 9.6 28.10 14.00 6 圓礫 6.30 20.0 10.0 8.00 28.00

1.2 水文地質(zhì)概況

區(qū)域水系均屬金沙江水系，滇池流域，場地地表水體較發(fā)育，構(gòu)成以滇池為中心的向心狀水文網(wǎng)系統(tǒng)，場地內(nèi)無河流、水塘等地表水體分布。地表水的補給以大氣降水為主，部分為城市生活用水補給，由抽水試驗，基坑的涌水量約為 4 344 m3/d。

1.3 基坑支護(hù)形式

基坑周邊圍護(hù)體采用雙排樁+斜拋撐，單排裝+錨索，上層采用放坡掛網(wǎng)噴漿+鋼管土釘，灌注排樁采用長螺旋鉆孔灌注樁和旋挖鉆孔灌注樁兩種形式，止水采用長螺旋水泥土置換樁及高壓旋噴。

2 基坑監(jiān)測方法和監(jiān)測點布置

2.1 監(jiān)測方法和內(nèi)容

在基坑施工及使用期間（至回填），對基坑各項參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測，掌握施工前后基坑變形情況及周邊建筑豎向位移變化情況，通過對基坑及其周邊建筑物的變形監(jiān)測來反饋信息，及時地發(fā)現(xiàn)危及基坑支護(hù)安全及基坑周邊建（構(gòu)）筑物的隱患，并能夠指導(dǎo)施工程序，充分體現(xiàn)科學(xué)的信息化施工（見表 2）。

1）圍護(hù)墻（邊坡）頂部豎向、水平位移監(jiān)測。在基坑頂部土體埋設(shè)觀測標(biāo)志，通過觀測各點的單次位移量、位移速率和累積位移量、位移速率變化，分析基坑的變形情況。

2）基坑深層水平位移監(jiān)測。在支護(hù)外 2 m 處埋設(shè)測斜管，通過對基坑周邊土體內(nèi)部深層水平位移的監(jiān)測，得以掌握支護(hù)內(nèi)部的變形情況，發(fā)現(xiàn)潛在滑動面，為支護(hù)穩(wěn)定性分析和判斷提供依據(jù)。

序號 監(jiān)測項目 方法、設(shè)備與型號 數(shù)量 精度 速率預(yù)警 累計值預(yù)警1 坡頂水平位移 視準(zhǔn)線法、小角法，萊卡 TCR1201+ 型全站儀 77 ≤1.5 mm 2 mm/d 25 mm 2 坡頂豎向位移 DiNi12T 精密水準(zhǔn)儀及銦鋼尺 78 ≤0.3 mm 2 mm/d 10 mm 3 錨索內(nèi)力 測力計、鋼筋應(yīng)力計、應(yīng)變計 36 0.5 % F·S 承載力設(shè)計值的 70 %4 深層水平位移 測斜管 30 ≤0.25 mm/m 2 mm/d 45 mm

3）錨索內(nèi)力監(jiān)測。通過采用應(yīng)力計、應(yīng)變計和測力計測量錨索內(nèi)力，掌握隨著基坑的不斷開挖后支撐結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化，進(jìn)一步驗證變形與內(nèi)力的關(guān)系。

2.2 監(jiān)測點布置

本次坡頂水平位移監(jiān)測共布設(shè) 77 個監(jiān)測點，編號分別為 C1～C28、C29-1～C39-2、D1～D27；坡頂豎向位移監(jiān)測共布設(shè) 78 個監(jiān)測點，編號為 C1～C29、C29-1～C39-2、D1～D27；基坑錨索內(nèi)力監(jiān)測共布設(shè) 36 個監(jiān)測點，編號為 M1-M36；土體深層水平位移監(jiān)測共布設(shè) 30 個監(jiān)測孔，編號為 CX1-CX30，如圖 2 所示。

圖2 監(jiān)測點布置圖

3 監(jiān)測結(jié)果分析與變形特性

本次基坑開挖監(jiān)測自開挖至基坑填埋結(jié)束，監(jiān)測時間長達(dá) 125 余天，本次監(jiān)測采用每天固定時間讀取 3 次數(shù)據(jù)，采用變化量的平均值作為當(dāng)天有效記錄值。貫穿基坑開挖、地下工程施工全過程，監(jiān)測應(yīng)力—變形為項目順利完成基礎(chǔ)工程提供了科學(xué)依據(jù)，更好地為控制周邊建筑變形提供了理論數(shù)據(jù)。

3.1 坡頂水平位移

從坡頂水平位移累計位移量來看（見圖 3），變化規(guī)律十分明顯，當(dāng)基坑開挖 20 d 至 4.0 m 時，基坑周邊土體擠壓都向基內(nèi)收斂；當(dāng)做完第一道內(nèi)支撐，基坑向內(nèi)收斂的變形得到明顯改善，數(shù)值減?。划?dāng)繼續(xù)向下開挖基坑，土體卸荷不斷加大，特別 C37-1 點，周邊 11 層 32.2 m 的高樓影響，出現(xiàn)累計最大位移量為 24.00 mm，當(dāng)基坑開挖 45 d 時，做完第二道內(nèi)支撐，土體再次出現(xiàn)向基坑外側(cè)的變形，由于不同的位置，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整支護(hù)強度和施加的應(yīng)力強度，變形得到了更好控制，但 C14、C21 點前期變化量較小，隨后續(xù)持續(xù)增加，水平位移變化累計量接近預(yù)警值。

圖3 坡頂水平位移累計位移量

3.2 坡頂豎向位移

如圖 4 所示，本次根據(jù)布置的 78 個監(jiān)測點，提取代表性的 16 個監(jiān)測點繪制坡頂豎向位移累計沉降量圖，整體來看，各點的沉降規(guī)律基本相似，豎向上的沉降量緩慢增加，但 C33-2 受周邊高層影響變化明顯加快和 D17 受相鄰基坑開挖的相互作用下也加快沉降的速度。

圖4 坡頂豎向位移累計沉降量

3.3 錨索內(nèi)力

如圖 5 所示，為基坑監(jiān)測周邊的錨索內(nèi)力累計變化量圖，從圖上可以看出，當(dāng)錨索安裝后，不斷受張拉應(yīng)力的影響，數(shù)值不斷增加，隨著支護(hù)和第一道內(nèi)支撐完成，應(yīng)力逐漸變小，接近初始的預(yù)應(yīng)力。開挖繼續(xù)，這種平衡很快被打破，錨索內(nèi)力再次受到張拉應(yīng)力的影響，第二次的內(nèi)支撐對錨索內(nèi)力改善不明顯。M16 接近主要交通道路和相鄰基坑，受力明顯。

圖5 錨索內(nèi)力累計變化量

3.4 深層水平位移

如圖 6 所示，從圖上監(jiān)測的 15 點周邊土體深層水平位移來看，變形曲線基本呈上升趨勢，在第二次內(nèi)支撐前，深層水平位移值的變化有明顯增加較快，后期曲線緩慢收斂，最終未達(dá)到設(shè)定的預(yù)警值。

圖6 周邊土體深層水平位移

4 結(jié)論

本文對某大型深基坑進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和預(yù)警值設(shè)定，從變形特性研究得出以下結(jié)論。

1）基坑坡頂水平位移的累計位移量，得出基坑周邊向坑內(nèi)變形的位移量，特別是高層建筑和后期變形持續(xù)增加的監(jiān)測點，對基坑開挖有較好的指導(dǎo)意義和內(nèi)支撐設(shè)定提供依據(jù)。

2）基坑坡頂豎向位移累計沉降量整體趨勢呈沉降量負(fù)增長，但高層建筑和相鄰基坑的開挖加快沉降的速度。

3）錨索內(nèi)力累計變化量隨著開挖和內(nèi)支撐作用不斷變化，受力曲線圖更一步驗證了坡頂水平位移和坡頂豎向位移變形特征。

4）周邊土體深層水平位移列舉部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，變形曲線基本呈上升趨，后期曲線緩慢收斂，最終未達(dá)到設(shè)定的預(yù)警值。Q