深大基坑開挖地基側(cè)移及控制措施分析

李 紹 毅

(上海建工一建集團有限公司，上海 200120)

1 概述

深基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工中如何減小土體變形，防止周邊建筑物開裂和地下管線斷裂，降低土方開挖的風(fēng)險成為深基坑工程中不可忽視的問題。陳昆等[1]對比分析了土體卸載強度對基坑周邊變形的影響。王旭軍等[2]分析了預(yù)留土堤、開挖深度、基坑空間效應(yīng)對圍護墻變形的影響。范凡等[3]總結(jié)基坑開挖對周邊環(huán)境影響的分區(qū)特征，提出了坑外土體沉降曲線的簡化計算公式。孫毅等[4]提出了坑中坑工程的地表沉降曲線及最大沉降預(yù)測方法。喻軍等[5]根據(jù)杭州地區(qū)的基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了基坑支護結(jié)構(gòu)、地面沉降的變形特征和變形值大小。廖少明等[6]研究方形基坑、長條形地鐵車站基坑的圍護結(jié)構(gòu)側(cè)移。李淑等[7,8]研究北京地區(qū)深基坑開挖引起的墻體和地面變形規(guī)律。

基坑圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計時側(cè)重保證基坑結(jié)構(gòu)安全，基坑及周圍土體變形控制多依賴合理的施工部署和針對性施工方案。缺乏按照施工方案的各開挖階段分析，難以控制基坑工程對周邊環(huán)境的影響。本文根據(jù)南京華新城項目塔樓深基坑開挖施工方案，討論了基坑施工不同工況對基坑側(cè)移的影響機理，以及控制變形的措施和方法。

2 工程背景

2.1 工程環(huán)境

本工程為南京華新城AB地塊工程，位于南京市建鄴區(qū)。華新城AB地塊基坑為矩形，東西向約428.5 m，南北向約226.9 m，基坑面積約92 386 m2，地下室埋深14.1 m，地下室各層采用鋼筋混凝土框架—有梁樓蓋體系，采用大面積順作法施工?；?xùn)|側(cè)江東中路，南為河西大街，西為燕山路，北面為楠溪江西街?；优R近地鐵線路，地鐵10號線隧道距離南側(cè)地下室結(jié)構(gòu)99.4 m；基坑?xùn)|側(cè)為地鐵2號線隧道，距離東側(cè)地下室結(jié)構(gòu)56.1 m；有軌電車軌道距離東側(cè)基坑邊36.8 m?；又苓吂芫€較多，基坑?xùn)|側(cè)地下電纜線距離約4 m，基坑周邊環(huán)境非常復(fù)雜。

2.2 水文地質(zhì)條件

本工程場地屬長江漫灘相地貌單元，場區(qū)大量回填雜填土，地層分布見表1。潛水含水層由①層人工填土、②-1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和②-2層粉質(zhì)粘土層構(gòu)成。場地人工填土厚度較大，屬弱透水層，雨季水量較豐富；②-1層和②-2層飽含地下水，但給水性較差、透水性弱，屬微透水地層。

表1 地基土層分布情況

2.3 基坑圍護體系

基坑圍護體系采用鉆孔灌注樁+鋼筋混凝土支撐。水平支撐為三層鋼筋混凝土支撐，采用角撐+對撐形式；鉆孔灌注樁尺寸φ1 100@1 300，樁頂標(biāo)高-1.4 m，樁底標(biāo)高-35.7 m?；又顾胧┮匀S深攪樁作為止水帷幕，輔以三重管高壓旋噴樁和單重管高壓旋噴樁止水。基坑的南側(cè)、東側(cè)及北側(cè)東半部分，增加TRD水泥土攪拌墻作為止水措施。基坑圍護體系如圖1所示。

2.4 土方開挖

基坑土方開挖遵循對稱、分層、分塊開挖的基本思路。開挖平面順序為：對撐中部土方→挖對撐中部剩余土方→挖角撐及無支撐區(qū)域土方。豎向施工順序劃分見表2。

表2 基坑開挖工況表

3 數(shù)據(jù)分析

本節(jié)分析基坑開挖側(cè)移和沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究基坑側(cè)移和沉降的發(fā)展規(guī)律，討論土方開挖對土體變形的影響，研究施工中控制側(cè)移的措施。

圖2為圍護樁頂累積側(cè)移歷時曲線。圖2a)為基坑邊中部的頂側(cè)移曲線，可以發(fā)現(xiàn)3次開挖和4次開挖施工過程中，基坑頂側(cè)移發(fā)展較快；4次開挖施工完成后，底板完成前，基坑側(cè)移繼續(xù)增加，但是增加速度不斷減慢，變形趨于收斂；基坑底板完成后，側(cè)移不再繼續(xù)增加。圖2b)為基坑角部的頂側(cè)移曲線，與中部的側(cè)移變化規(guī)律類似，4次開挖完成后，底板施工時，角部側(cè)移逐步收斂，最后側(cè)移停止增加。基坑邊中部和角部最大變形數(shù)值基本相等，約為28 mm。接近基坑監(jiān)測側(cè)移報警值，基本滿足基坑工程的施工需求。

對比圖2a)和圖2b)，基坑中部不同測點的側(cè)移曲線差別較大；基坑角部不同測點差別較小。基坑角部的側(cè)移發(fā)展速度比基坑中部側(cè)移發(fā)展速度快。本基坑圍護體系中，基坑角部為側(cè)移變形的薄弱環(huán)節(jié)，應(yīng)當(dāng)嚴格控制角部的土方開挖施工，減小角部基坑土體擾動，控制基坑角部側(cè)移增加速率。

圖3為基坑側(cè)壁側(cè)移隨深度的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)基坑壁側(cè)移隨基坑土方開挖而不斷發(fā)展，側(cè)移最大數(shù)值和對應(yīng)深度不斷增大。2次開挖后，側(cè)移最大值小于10 mm，對應(yīng)深度約6 m，接近2次開挖深度。3次開挖后，側(cè)移有較大幅度增加，側(cè)移最大值約為30 mm，對應(yīng)深度12 m，最大側(cè)移出現(xiàn)深度基本與開挖深度相同。4次開挖后，最大側(cè)移增加為約50 mm，對應(yīng)深度約15 m，側(cè)移變形超過基坑深層側(cè)移報警值，影響基坑安全。

圖3中實線為各工況散點圖二次回歸曲線，對比回歸曲線可知隨基坑土方開挖，基坑整體側(cè)移不斷發(fā)展。在底板施工過程中，基坑側(cè)移仍繼續(xù)增加，最大側(cè)移增大到約100 mm?；拥装迨┕み^程中，基坑深層側(cè)移大大超過基坑側(cè)移的報警值，嚴重影響基坑施工安全。本基坑工程面積大，底板施工周期長，基坑底長時間暴露未封閉，地基土體側(cè)向擠壓流動，導(dǎo)致基坑側(cè)移不斷增大?？梢姶竺娣e基坑開挖過程中，應(yīng)該充分估計土方開挖和基坑施工作業(yè)時間對基坑變形的影響。對于超大面積基坑應(yīng)考慮采用分塊開挖施工，減小基坑長時間無法封閉導(dǎo)致變形累積，影響基坑施工和周邊環(huán)境安全。

圖4為基坑大底板施工完成后基坑側(cè)壁側(cè)移的整體分布情況云圖?？梢园l(fā)現(xiàn)基坑側(cè)移峰值出現(xiàn)在10 m～20 m深度，側(cè)移幅度達到100 mm，超過基坑監(jiān)測報警值?；咏遣總?cè)移峰值區(qū)域較大，寬度較寬；而基坑側(cè)壁中部的側(cè)移較小。由于基坑中部有混凝土對撐作用，較好限制基坑變形。然而基坑角部只有的角撐斜向作用。角撐作用能夠抵抗兩側(cè)壁沿角撐方向的變形，但是無法抵抗垂直于角撐方向的變形?；訉蔷€距離長，實際也無法沿對角線設(shè)立支撐，基坑角部沿對角線的側(cè)向土壓力造成角部變形數(shù)值大，變形區(qū)間廣。建議基坑角部增設(shè)沿基坑對角線方向的錨桿，提供沿對角線的變形抵抗能力，防止基坑角部變形超過設(shè)計要求，影響基坑施工安全。

圖5為基坑頂部側(cè)移與坑壁最大側(cè)移關(guān)系圖?？梢园l(fā)現(xiàn)隨基坑開挖，坑壁頂側(cè)移和最大側(cè)移增大。圖中實線為各工況下散點擬合直線。對于不同施工工況，基坑開挖深度越大，坑頂側(cè)移和最大側(cè)移均增加。但是對于底板工況，其頂側(cè)移增加很小，基坑最大側(cè)移大幅增加。

可以發(fā)現(xiàn)3次開挖和4次開挖的回歸線非常接近，可見兩工況頂側(cè)移和最大側(cè)移的發(fā)展規(guī)律相似，兩工況的基坑側(cè)壁整體變形模式相似。底板工況回歸直線與前兩者相差較大，可見底板施工時的坑壁變形模式有較大不同。結(jié)合3種工況的側(cè)移回歸曲線(見圖3)，可以發(fā)現(xiàn)土方開挖過程中頂側(cè)移和15 m～25 m深層側(cè)移均增加；而底板工況中頂側(cè)移變化很小，15 m～25 m深層側(cè)移增加較大。可見底板施工時間長，底層土體加固范圍不足，造成底板下土體側(cè)向流動變形，是底板工況基坑側(cè)壁變形模式改變的主要原因?？梢姙榱丝刂频装迨┕み^程中的側(cè)移變形，底板下深層土體的加固范圍和深度應(yīng)該較原設(shè)計方案提高。

圖6為基坑最大側(cè)移位置與開挖深度關(guān)系圖?？梢园l(fā)現(xiàn)2次開挖產(chǎn)生的最大側(cè)移在0.1%H以下；3次開挖最大側(cè)移在0.25%H左右；4次開挖最大側(cè)移位于0.4%H左右。可見隨基坑土方開挖深度增加，基坑側(cè)移增加速度不斷提高，基坑側(cè)移變形危險程度提高。根據(jù)文獻[2]上海軟土地區(qū)連續(xù)墻和鋼筋混凝土支撐的常規(guī)順作基坑工程，最大側(cè)移平均值分別為0.25%H和0.415%H。文獻[3]指出上海地區(qū)基坑工程，軟土地基最大側(cè)移取值范圍為0.1%H～1.0%H，平均值為0.40%H。文獻[6]指出蘇州地區(qū)側(cè)移變化范圍為0.04%H～0.40%H?？梢姳竟こ掏练介_挖過程中，深基坑支護的側(cè)移變形基本在一般基坑變形水平的控制范圍內(nèi)。底板施工完成后，基坑側(cè)移位于0.415%H～0.8%H之間，高于普遍基坑側(cè)移變形與基坑深度的比例關(guān)系?？梢娫瓏o方案對本超大基坑底板施工的困難預(yù)期不足，底板施工過程中基坑圍護體系的抗變形能力較弱。

4 結(jié)語

本文根據(jù)南京華新城AB地塊工程基坑開挖監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了基坑開挖過程中側(cè)向變形的變化發(fā)展情況、影響因素以及產(chǎn)生原因，討論了土體變形的控制措施。通過分析可以發(fā)現(xiàn)：

1)超大基坑設(shè)計時應(yīng)當(dāng)充分考慮基坑底板施工時間較長對側(cè)移變形的影響。對于側(cè)移變形控制困難、基坑底板施工強度大的工程項目可以考慮分塊施工或大面積基坑土體加固措施，減小基坑暴露時間和控制基坑側(cè)向變形發(fā)展。

2)采用圍護樁+對撐體系的基坑圍護體系，基坑角部沿對角線的抗側(cè)向變形能力較弱，基坑角部側(cè)向變形往往較大。為了減小基坑角部側(cè)向變形可以考慮增加角部錨桿或增大角部樁徑。

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