快速公交車輛基地基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與監(jiān)測分析

莊　妍　張　飛　鄭玉梅

(1. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院 巖土工程研究所， 南京　210098; 2. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 南京 210098)

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快速公交車輛基地基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與監(jiān)測分析

莊妍1張飛2鄭玉梅2

(1. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院 巖土工程研究所， 南京210098; 2. 河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院， 南京 210098)

摘要：以南京快速公交某車輛基地基坑工程為例，介紹了該基坑施工的流程，并介紹了其中支護(hù)樁施工和鋼支撐施工二個(gè)重要工序的施工工藝．分析了基坑施工過程中樁頂水平位移、土體深層水平位移、坡頂豎向位移、鋼支撐軸力的變化．現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示：施工結(jié)束后，除土體深層水平位移介于藍(lán)色警戒值與橙色警戒值之間以外，其它3個(gè)監(jiān)測對(duì)象都小于警戒值．由此表明，基坑的施工方案設(shè)計(jì)合理，能把變形控制在警戒范圍內(nèi)．該基坑設(shè)計(jì)對(duì)類似的工程具有參考借鑒意義．

關(guān)鍵詞：基坑工程；支護(hù)結(jié)構(gòu)；現(xiàn)場監(jiān)測

近年來，不斷發(fā)展的高層建筑和地下工程帶動(dòng)了深基坑工程的發(fā)展，也給基坑開挖工程帶來了新的挑戰(zhàn)，基坑的開挖和支護(hù)技術(shù)問題越來越突出[1]．我國已經(jīng)相繼發(fā)生了多起深基坑事故，因此深基坑的變形和穩(wěn)定性問題也變得更加重要[2]．南京快速公交某車輛基地所在地區(qū)屬長江漫灘地貌單元，地勢平坦低洼，軟弱土層深厚，一般為飽和流塑狀高壓縮性淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土[3]，地質(zhì)條件較差，在基坑開挖時(shí)要特別注意對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的監(jiān)測．在施工期間可以根據(jù)監(jiān)測信息對(duì)比設(shè)計(jì)方案和施工方案及時(shí)調(diào)整不合理的設(shè)計(jì)，預(yù)測下一步施工的新動(dòng)態(tài)，為后續(xù)施工提出更合理的方法，對(duì)施工中出現(xiàn)的異常情況立即采取必要的措施，將問題抑制在初始階段，確保施工的順利進(jìn)行[4]．本文基于南京快速公交某車輛基地基坑施工情況，介紹了基坑的施工方案與施工工藝，并對(duì)基坑北側(cè)樁頂水平位移、土體深層水平位移、坡頂豎向位移、鋼支撐的軸力進(jìn)行了監(jiān)測分析，總結(jié)在施工過程中基坑的變形規(guī)律，旨在給類似工程地質(zhì)條件下的基坑建設(shè)和監(jiān)測提供一定的參考．

1工程概況

南京快速公交某車輛基地項(xiàng)目占地面積約8.2公頃．基地基坑周長約1 340 m，長邊約512 m，短邊約190.5 m，基坑開挖深度約為11.5 m．基坑總面積約為84 000 m2．

根據(jù)勘察結(jié)果，場地內(nèi)分布有較多的水塘、河溝，勘察期間實(shí)測主要水塘、河溝水面標(biāo)高為5.17～5.65 m，水深為1～2 m，淤泥厚度為0.5～1.0 m．場地覆蓋層厚度較大，為典型的長江漫灘相沉積物，工程性質(zhì)與土性和狀態(tài)相關(guān)．場地從上到下的土層參數(shù)見表1．

表1　各土層參數(shù)表

2施工方案

合理的支撐體系是影響深基坑安全性的一個(gè)重要因素[5]．基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)除滿足自身強(qiáng)度要求外，還須滿足變形要求[6]．南京快速公交某車輛基地基坑的設(shè)計(jì)中，施工方案靈活采用基坑周邊支護(hù)樁加固、放坡開挖結(jié)合斜支撐體系加固的支護(hù)結(jié)構(gòu)．此支護(hù)結(jié)構(gòu)針對(duì)南京河西地區(qū)的工程地質(zhì)條件設(shè)計(jì)，具有一定的示范意義．

本節(jié)先對(duì)基坑開挖整體的施工方案進(jìn)行描述，然后對(duì)支護(hù)樁的施工方案、鋼支撐的施工方案做詳細(xì)說明．

2.1基坑開挖的施工方案

由于在類似工程地質(zhì)條件下以支護(hù)樁加斜撐支護(hù)形式為核心的工法在設(shè)計(jì)、施工等方面經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少，同時(shí)本工程工期緊任務(wù)重，因此根據(jù)本工程的實(shí)際工程特點(diǎn)合理安排施工工序，有助于在保障工程安全進(jìn)行的同時(shí)，增加作業(yè)面、配足資源，縮短工期，創(chuàng)造工程效益．該工程中，基坑施工流程圖如圖1所示．整個(gè)基坑施工歷時(shí)200 d，不同工序?qū)?yīng)的工期見表2．

2.2支護(hù)樁的施工方案

基坑支護(hù)樁的作用是維持臨空土體的穩(wěn)定，以保證基坑施工的安全，其施工是基坑施工中最重要的工序之一．基地基坑的支護(hù)樁采用鉆孔灌注樁，樁徑為1 m，樁長16.5～35.5 m．鉆孔灌注樁的施工工藝如圖2所示．

表2　基坑施工工序一覽表

圖1　基坑施工流程圖　　圖2　鉆孔灌注樁施工工藝圖

2.3鋼支撐的施工方案

在整個(gè)基坑施工中另一最重要的工序是鋼支撐的施工．基坑工程采用支護(hù)樁加斜支撐的體系進(jìn)行支護(hù)．施工過程中先采用盆式開挖，然后在基坑中間澆筑底板形成中心島，最后在底板與支護(hù)樁之間設(shè)置斜支撐，斜支撐能把土體水平側(cè)壓力傳遞給中心島，中心島提供足夠反力保證土體穩(wěn)定．斜支撐采用Φ609×16鋼管．鋼管斜支撐施工流程如圖3所示．

圖3　鋼支撐施工工藝圖

3監(jiān)測方案及監(jiān)測結(jié)果分析

3.1監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)

本文選取基坑北側(cè)監(jiān)測點(diǎn)的測量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，各監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)如圖4～5所示．

圖4　樁頂及土體深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)

圖5　坡頂豎向位移及支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)

基坑北側(cè)布置樁頂水平位移監(jiān)測點(diǎn)8個(gè)，在圖4中用實(shí)心圓圈表示．從西向東依次為ZDWY-28至ZDWY-21，根據(jù)空間對(duì)稱性可分成ZDWY-28、21，ZDWY-27、22，ZDWY-26、23，ZDWY-25、24四組．布置土體深層水平位移監(jiān)測點(diǎn)6個(gè)，在圖4中用實(shí)心正三角表示．從西向東依次為TSWY-25至TSWY-20，按照對(duì)稱性共分成3組，分別為TSWY-25、20，TSWY-24、21，TSWY-23、22．布置坡頂豎向位移監(jiān)測點(diǎn)共6個(gè)，在圖5中用實(shí)心正三角表示．從西向東為PDWY-30至PDWY-25，按照空間對(duì)稱性分成PDWY-30、25，PDWY-29、26，PDWY-28、27．布置鋼支撐軸力監(jiān)測點(diǎn)共4個(gè)，在圖5中用實(shí)心正方形表示，從西向東為ZCZL-04至ZCZL-01．

3.2安全監(jiān)測警戒值的確定

安全監(jiān)測警戒值一般以設(shè)計(jì)值或設(shè)計(jì)者提出的允許值為基準(zhǔn)，然后建立絕對(duì)值或變化速率的安全系數(shù)，并根據(jù)安全系數(shù)的大小設(shè)置不同的等級(jí)的警戒水平．參照《建筑基坑工程檢測技術(shù)規(guī)范》[7]，本基坑施工安全監(jiān)測的警戒值見表3．

表3　監(jiān)測警戒值

3.3現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果

本文對(duì)基坑北側(cè)樁頂水平位移，土體深層水平位移，坡頂豎向位移，鋼支撐的軸力變化規(guī)律進(jìn)行了分析．

3.3.1樁頂水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測點(diǎn)的樁頂水平位移變化如圖6所示．從圖6可以看出，隨著施工過程的不斷推進(jìn)，樁頂水平位移不斷增加，但在不同的施工階段樁頂位移增加速率不同．基坑的3層及3層土體開挖階段(施工時(shí)間見表2)變化速率較快，澆筑底板過程中變化緩慢，開挖支撐下1層及2層土體時(shí)變化較快．

圖6　樁頂水平位移變化圖

施工結(jié)束時(shí)，樁頂水平位移趨于穩(wěn)定在最大值．具體變化數(shù)值見表4．由表4可知，不同監(jiān)測組在不同位置樁頂位移最大值相差較大，其中第4組監(jiān)測點(diǎn)位于基坑北側(cè)的中部，監(jiān)測值最大，第1組位于基坑北側(cè)角點(diǎn)，監(jiān)測值最?。畬?duì)稱監(jiān)測位置上監(jiān)測值變化相似，呈現(xiàn)空間效應(yīng)．北側(cè)基坑樁頂位移最大值為49.23 mm，小于累計(jì)水平位移50 mm(樁頂水平位移累計(jì)報(bào)警值)，處于安全警戒范圍內(nèi)，變形合理．

表4　樁頂水平位移對(duì)比表

由以上監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，在澆筑中心底板和鋼支撐施工前后的土體開挖過程中，樁頂水平位移變化較快，要加大監(jiān)測頻率；基坑邊坡的中部樁頂水平位移值最大，兩側(cè)最小，因此可以在監(jiān)測點(diǎn)布置時(shí)采用“中間密，兩側(cè)稀”的布置方式．

3.3.2土體深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

選取基坑北側(cè)中部的一組點(diǎn)TSWY-23、22分析監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖7所示．

圖7　監(jiān)測點(diǎn)TSWY-23、22土體深層位移變化圖

監(jiān)測點(diǎn)TSWY-23在第2層土體開挖時(shí)最大土體深層水平位移為18.69 mm，第3層土體開挖時(shí)最大位移為24.69 mm．鋼支撐施工過后開挖支撐下第1層土體時(shí)，最大水平位移為35.49 mm，且最大水平位移略微下移，開挖支撐下第2層土體時(shí)土體深層位移變形規(guī)律同開挖支撐下第1層土體，最大變形為43.01 mm，拆除鋼支撐以后土體深層位移達(dá)到最大為50.12 mm，略大于50 mm，在橙色警戒值范圍內(nèi)．監(jiān)測點(diǎn)TSWY-22在第2層土體開挖時(shí)最大土體深層水平位移為19.23 mm，第3層土體開挖時(shí)最大水平位移為26.42 mm，最大位移值均位于監(jiān)測點(diǎn)的上部．開挖支撐下第1層土體時(shí)，最大水平位移為35.16 mm，開挖支撐下第2層土體時(shí)，最大變形為42.76 mm，拆除鋼支撐以后土體深層位移達(dá)到最大為51.26 mm，在橙色警戒值范圍內(nèi)．由TSWY-23及TSWY-22各工序下土體深層位移數(shù)值對(duì)比分析可知，相同的工序下，對(duì)稱的監(jiān)測點(diǎn)變形相似，數(shù)值相近．

由以上分析可知，在進(jìn)行較深層的土體開挖如進(jìn)行工序3、4、7、8的施工時(shí)，土體深層位移變化較大，應(yīng)增加監(jiān)測頻率．

3.3.3坡頂豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

坡頂豎向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化如圖8所示.從圖8可以看出，第1組監(jiān)測點(diǎn)位于基坑北側(cè)中心的位置，PDWY-28點(diǎn)的最大側(cè)移值為24.66 mm，PDWY-27點(diǎn)的最大側(cè)移值為23.12 mm；第3組PDWY-30、25點(diǎn)位于基坑的西北及東北角，由于空間效應(yīng)，總體變形較小、增長緩慢．在工序5澆筑中心底板階段，坡頂豎向位移變化較大．這是由于基坑所在的南京河西地區(qū)地下水位很高，在中心底板澆筑的施工過程中要不斷排水．為了確保邊坡的安全穩(wěn)定，這一階段可以適當(dāng)增加監(jiān)測頻率．另外，邊坡中心處的坡頂豎向位移大致是邊坡兩側(cè)的2.5倍，因此可以考慮增加邊坡中心處監(jiān)測點(diǎn)的密度．

圖8　坡頂豎向位移變化圖

3.3.4鋼支撐的軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

取每道支撐下土體自開挖時(shí)為開始工期，作為X軸，繪制軸力的變化圖如圖9所示．

圖9　鋼支撐軸力變化圖

從圖9可以看出，監(jiān)測點(diǎn)ZCZL-03、02的支撐軸力較大，且變形規(guī)律及數(shù)值接近，最大值分別為1 412.23 kN、1 354.36 kN，均小于1 500 kN(鋼支撐軸力警戒值)；監(jiān)測點(diǎn)ZCZL-04、01的支撐軸力略小于監(jiān)測點(diǎn)ZCZL-03、02，且變形規(guī)律及數(shù)值接近，最大值分別為1 025.65 kN、964.12 kN，同樣小于1 500 kN．

從圖9可以分析得，位于基坑角部兩側(cè)監(jiān)測點(diǎn)的軸力均小于基坑邊中心處的軸力，主要原因是由于位于空間基坑的角部的監(jiān)測點(diǎn)存在明顯的角部加強(qiáng)效應(yīng)，基坑角部的空間效應(yīng)明顯，角部的位移很小，支撐變形相對(duì)減小，軸力減小[8]．鋼支撐的軸力在鋼支撐開始受力后40～50 d最大，這時(shí)整個(gè)基坑施工的工序是工序7、8，也即開挖支撐下第1、2層土體．因此在工序7、8階段要加強(qiáng)鋼支撐軸力的監(jiān)測頻率．基坑邊坡中心處鋼支撐的軸力是兩側(cè)的1.4倍，在施工時(shí)可以加密基坑邊坡中心處的鋼支撐．

4結(jié)論

本文對(duì)南京快速公交某車輛基地基坑工程監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，繪制了基坑北側(cè)不同監(jiān)測點(diǎn)的樁頂水平位移、土體深層水平位移、坡頂豎向位移及鋼支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐軸力隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)曲線圖．通過本文的介紹分析，主要結(jié)論有：

1)基坑開挖過程中，支護(hù)樁的水平位移與基坑開挖的深度、內(nèi)支撐所處的位置以及基坑開挖的時(shí)間有密切的聯(lián)系．在基坑開挖初期，樁頂水平位移較小，隨著施工的不斷推進(jìn)樁頂水平位移逐漸增大，最后穩(wěn)定在最大值49.23 mm，小于警戒值50 mm．

2)基坑開挖過程中土體深層水平位移變形與樁頂水平位移緊密相連，開挖初期，土體深層位移量均較小，最大水平位移主要集中在上部，隨著開挖深度的增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)逐漸向坑內(nèi)傾斜，最大水平位移也隨之下移；隨著內(nèi)支撐的布置，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移受到了限制，開挖后期水平位移主要集中在坑底附近，從內(nèi)支撐軸力變化規(guī)律也可以看出，開挖越深，鋼支撐受力越大．現(xiàn)場后期監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，基坑開挖至基底后，隨著后續(xù)支護(hù)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)相應(yīng)完成，墻體下部水平位移不再明顯增大，最終墻體水平位移趨于穩(wěn)定．土體深層水平位移最大值為51.25 mm，稍微超過藍(lán)色警戒值，但小于橙色警戒值．

3)坡頂豎向位移與與監(jiān)測點(diǎn)的位置和基坑開挖時(shí)間有關(guān)．在同一時(shí)刻，由于空間效應(yīng)，基坑北側(cè)中間位置處的坡頂豎向位移比基坑角部的大．隨著時(shí)間的增加，整個(gè)坡頂?shù)呢Q向位移增加至趨于穩(wěn)定．坡頂豎向位移最大值為24.66 mm，遠(yuǎn)小于警戒值．

4)軸力隨時(shí)間變化的曲線圖反應(yīng)了支撐受力不僅與支撐的空間位置有一定的關(guān)系，而且與基坑開挖的深度、開挖速度以及外界環(huán)境條件的變化都有著密切的關(guān)系．鋼支撐軸力最大值為1 412.23 kN，小于警戒值．

5)從總體監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，基坑工程是一個(gè)系統(tǒng)的整體，樁頂位移、坡頂位移、土體深層位移及支撐軸力的變化均與施工進(jìn)程及周邊環(huán)境相關(guān)，故應(yīng)整體分析，面對(duì)異常數(shù)值應(yīng)全面對(duì)比分析，排除危險(xiǎn)，保證施工安全．

6)由于基坑地質(zhì)條件的復(fù)雜性，基坑施工采用周邊排樁加固、放坡開挖結(jié)合斜支撐體系的支護(hù)結(jié)構(gòu)．基坑邊坡中心處的樁頂水平位移、土體深層水平位移、坡頂豎向位移及鋼支撐的支撐軸力都比兩側(cè)的大，因此在監(jiān)測點(diǎn)布置時(shí)可以采用“中間密，兩側(cè)稀”的方式．在澆筑中心底板和鋼支撐施工前后的土體開挖過程中，樁頂水平位移和土體深層水平位移變化較大，要加大監(jiān)測頻率；在底板澆筑過程中坡頂豎向位移變化較大，要加大監(jiān)測頻率；在鋼支撐施工結(jié)束后的土體開挖過程中，鋼支撐軸力達(dá)到最大，要加大監(jiān)測頻率．

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[8]張磊．基于FLAC3D對(duì)深基坑空間效應(yīng)的分析[D]．太原：太原理工大學(xué)，2011．

[責(zé)任編輯王康平]

Design and Monitoring Analysis of Supporting Structures for

Vehicle Bases Excavation of a Rapid Transit

Zhuang Yan1Zhang Fei2Zheng Yumei2

(1. Geotechnical Research Institute, College of Civil & Transportation Engineering， Hohai Univ.， Nanjing 210098， China; 2. College of Civil & Transportation Engineering， Hohai Univ.， Nanjing 210098， China)

AbstractTaking the vehicle bases excavation of a rapid transit in Nanjing for example， this paper presents the excavation construction process， especially two vital construction technologies of row piles and steel supported structures. Besides， the variation of horizontal displacement of the pile head， horizontal displacement of deep soils， vertical displacement at the top of slope and axial force of steel support are analyzed. It is shown that the monitoring results are within the security line， except the horizontal displacement of deep soils lies between the blue security line and orange security line. The construction method is therefore found to be reasonable; and the deformation can be kept in the security line. The excavation design has reference significance for similar engineering.

Keywordsfoundation engineering；supporting structure；field measurement

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51409151)；三峽大學(xué)人才科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(KJ2012B031)

收稿日期：2015-05-21

中圖分類號(hào)：TU472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-948X(2015)06-0060-05

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.013

通信作者：莊妍(1982-)，女，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事軟土地基加固研究．E-mail：joannazhuang@163.com