上海某賓館基坑工程監(jiān)測(cè)分析

(上海市工程建設(shè)咨詢監(jiān)理有限公司，上海 200043)

1 引言

近幾十年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，上海地區(qū)的城市發(fā)展呈現(xiàn)出新的特點(diǎn)，城市人口過飽和、城市綠化面積減少、建筑物內(nèi)部空間狹小、交通擁堵、土地資源緊張等[1]。今后在環(huán)境承載力下進(jìn)行可持續(xù)的發(fā)展、倡導(dǎo)科學(xué)發(fā)展觀，向地下發(fā)展已成為將來城市發(fā)展的必經(jīng)之路[2]。而地下空間的有效利用，如大規(guī)模城市綜合體的地下建筑、高層建筑的地下停車場(chǎng)、地鐵車站、大型排污排水設(shè)施、地下變電站等，其施工建設(shè)都涉及深基坑工程[3]。

目前，深基坑工程的工程應(yīng)用越來越普遍，基坑面積及基坑開挖深度越來越大。因而上海區(qū)域的基坑工程的特征是“大、深、緊”[4]。基于上海地區(qū)基坑工程出現(xiàn)的特點(diǎn)，在城市基坑施工中，基坑工程常常緊鄰于大規(guī)模建(構(gòu))筑物、綜合管線、地鐵隧道和交通干道等市政工程，并且施工現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地狹小，因而不僅需滿足基坑承載力和穩(wěn)定性要求，還需對(duì)位移控制嚴(yán)格要求?；娱_挖的過程中存在著諸如外力、變形、土性等難以預(yù)料的因素，而城市深基坑工程常常是處于復(fù)雜的周邊環(huán)境中，周邊環(huán)境例如地下管線、地下通道、地鐵隧道、鄰近建(構(gòu))筑物等對(duì)于不均勻變形的抵抗能力是不盡相同的[4]。因而，基坑工程在復(fù)雜的周邊環(huán)境下施工對(duì)基坑工程的理論研究、設(shè)計(jì)與施工等方面提出了更高要求，并成為當(dāng)前建筑行業(yè)亟待解決的課題。

目前，對(duì)基坑進(jìn)行監(jiān)測(cè)以便及時(shí)得到基坑情況并對(duì)基坑施工進(jìn)行研究是一種可行的辦法。國內(nèi)外學(xué)者通過監(jiān)測(cè)基坑開挖過程中對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的影響做了大量的研究。在基坑周圍土體方面，Peck[6]在第七屆國際巖土力學(xué)與基礎(chǔ)工程會(huì)議上針對(duì)基坑開挖實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及其發(fā)展現(xiàn)狀首次發(fā)表了較為全面深入的報(bào)告，由其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析研究了坑底隆起、側(cè)向位移、地表沉降等內(nèi)容，重點(diǎn)論述了基坑變形影響因素(土質(zhì)條件、施工工況及其質(zhì)量和開挖深度)。Lambe[7]通過對(duì)土體位移等基坑開挖影響因素以及基坑開挖實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)某地鐵隧道的多個(gè)基坑工程的圍護(hù)及支撐體系進(jìn)行研究分析，得到一些結(jié)論。郭印等[8]通過某深基坑開挖實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了其支護(hù)樁在不同工況下的內(nèi)力和變形特性，并對(duì)支護(hù)樁進(jìn)行樁身彎矩、樁頂位移等試驗(yàn)分析。分析結(jié)果表明基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)樁隨著開挖深度的增大而位置下移，并且最大彎矩值也隨之呈線性規(guī)律。在周圍建筑物方面，王衛(wèi)東和徐中華[9]基于上海地區(qū)板式支護(hù)體系的基坑工程的地表沉降實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，提出預(yù)估墻后地表沉降的方法并驗(yàn)證其可靠性，從而為復(fù)雜條件下基坑工程設(shè)計(jì)提供了一種預(yù)估基坑開挖對(duì)周邊建筑物影響的實(shí)用評(píng)估方法。在臨近的地下通道方面，況龍川[10]利用地鐵隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其開挖工況來研究影響隧道變形的不同因素，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明隧道在基坑一側(cè)有較為明顯位移，并且隧道斷面呈橢圓形狀的變形規(guī)律。蔣洪勝和侯學(xué)淵[11]根據(jù)對(duì)某鄰近地鐵隧道的深基坑開挖的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及基坑開挖對(duì)周圍土體擾動(dòng)的理論分析，探討了不同影響因素下(隧道的水平移動(dòng)、垂直沉降和隧道的橫向變形)基坑開挖對(duì)鄰近地鐵隧道的影響。

本文基于上海某賓館的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了施工過程中，基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及周圍管線等的變形規(guī)律，以期給類似的基坑施工提供一些建議。

2 工程背景

2.1 工程概況

本工程擬建場(chǎng)地位于上海市長(zhǎng)寧區(qū)，西至中環(huán)線虹許路，南至延安路高架橋，北至虹橋路?；A(chǔ)采用樁—筏基礎(chǔ)，地下室普遍區(qū)域底板面標(biāo)高-8.250m，下沉院底板面標(biāo)高為-11.250m，基礎(chǔ)底板厚均為800mm。墊層厚度均為150mm?；用娣e約為23 240m2，總延長(zhǎng)米約為706m?；悠毡閰^(qū)域挖深8.60m，下沉院區(qū)域基坑挖深11.60m?；悠毡閰^(qū)域基底標(biāo)高為-9.200m，下沉院區(qū)域基坑基底標(biāo)高為-12.200m。

2.2 周邊環(huán)境

本工程擬建場(chǎng)地與周邊環(huán)境總圖見圖1，其中東側(cè)紅線外為新虹橋小別墅區(qū)，該側(cè)紅線外沿基坑邊線有3棟2層小別墅。南側(cè)紅線外為延安西路，其中西南角有1棟長(zhǎng)寧區(qū)市政工程管理署3層混凝土結(jié)構(gòu)辦公樓，南側(cè)紅線外延安西路上有煤氣管、配水管和信息管。西側(cè)紅線外為虹許路，其中虹許路與場(chǎng)地紅線之間有5棟2層的混凝土結(jié)構(gòu)的辦公樓，虹許路下有中環(huán)北虹路地道，地道埋深約5.00m，地道邊距離基坑邊線的最近距離約為17.80m，另外虹許路下有燃?xì)夤?、配水管、信息管、電力管、雨水管、污水管和供電管等多種市政管線。北側(cè)西段紅線外為上海盲童學(xué)校教學(xué)樓，北側(cè)東段紅線外為虹莞別墅，該區(qū)域房屋為政府機(jī)關(guān)用房，施工時(shí)應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)，北側(cè)東段紅線外有雨水管、污水管經(jīng)過。

圖1 場(chǎng)地與周邊環(huán)境圖

2.3 水文地質(zhì)概況

擬建場(chǎng)地位于上海市長(zhǎng)寧區(qū)，西至中環(huán)線虹許路，南至延安路高架橋，北至虹橋路。場(chǎng)地地貌應(yīng)屬于上海地區(qū)四大地貌單元中的濱海平原相地貌類型。場(chǎng)地之前為上海新苑賓館及新虹橋小別墅區(qū)，場(chǎng)地內(nèi)建筑已拆除，別墅區(qū)與賓館區(qū)域有圍墻隔離，區(qū)內(nèi)有水泥路及多處有水泥地坪，場(chǎng)地內(nèi)的樹木正在遷移，場(chǎng)地內(nèi)尚有小型湖泊存在； 總體而言，除湖泊地區(qū)外擬建場(chǎng)地地勢(shì)較為平整，實(shí)測(cè)勘探點(diǎn)的地面標(biāo)高在4.21～3.48m之間，高差0.73m。

根據(jù)勘察資料，擬建場(chǎng)地自地表以下45.38m 深度范圍內(nèi)為屬第四系河口、濱海、淺海、沼澤相沉積層，主要由飽和粘性土、粉性土以及砂土組成，具有成層分布特點(diǎn)。按其沉積年代、成因類型及其物理力學(xué)性質(zhì)的差異可劃分為6個(gè)主要層次。自上而下依次為： 1)雜填土；2)粉質(zhì)粘土和粘質(zhì)粉土；3)淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；4)淤泥質(zhì)粘土；5)粉質(zhì)粘土；6)中粗砂和粉細(xì)砂。表1給出了基坑影響范圍內(nèi)各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。

2.4 基坑支護(hù)選型

深基坑工程一般采用板式支護(hù)體系。根據(jù)挖深可采用一定樁徑的鉆孔灌注樁作為圍護(hù)樁，外圍設(shè)置一排水泥土攪拌樁止水帷幕(如圖2)，灌注樁樁頂設(shè)置壓頂梁，坑內(nèi)設(shè)置兩道水平混凝土支撐，被動(dòng)區(qū)加固方案為雙軸水泥土攪拌樁暗墩加固。鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕作為一種成熟的工法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度較大，樁長(zhǎng)、樁徑的選擇和布置形式等較為靈活，且隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，樁身強(qiáng)度不斷增長(zhǎng)。

表1 基坑影響范圍內(nèi)各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

土層序號(hào)土層重度(kN/m3)滲透系數(shù)(cm/·s)粘聚力C(kpa)內(nèi)摩擦角①雜填土18.0/218°②1褐黃色粘土19.05.0×10-73215.5°②2灰黃色粘土17.85.0×10-71815.0°③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土17.36.5×10-61215.5°④灰色淤泥質(zhì)黏土171.6×10-61212.0°⑤1-1灰色粘土17.51.9×10-61512.5°⑤2灰色粉砂夾粉質(zhì)粘土18.44×10-4332.5°⑤3-1灰色粉質(zhì)粘土夾粉砂18.04.2×10-51421.5°

圖2 鉆孔灌注樁結(jié)合止水帷幕平面示意圖

圖3 基坑測(cè)點(diǎn)布置平面圖(部分)

3 監(jiān)測(cè)方案

本工程的基坑監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境。具體的監(jiān)測(cè)內(nèi)容有：深層土體水平位移監(jiān)測(cè)； 基坑外地下水位監(jiān)測(cè)； 支撐軸力監(jiān)測(cè)； 圍護(hù)樁體沉降監(jiān)測(cè)； 坑外地表、道路沉降監(jiān)測(cè)； 管線水平監(jiān)測(cè)； 臨近建筑物沉降等。

本工程的主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)(部分)布置見圖3。基于施工規(guī)劃，將施工分為以下幾個(gè)工況：

(1)工況1：第1級(jí)基坑開挖，開挖表層土1m，加設(shè)第一道水平支撐；

(2)工況2：第2級(jí)基坑開挖，開挖第二層土體4.2m，加設(shè)第二道水平支撐；

(3)工況3：第3級(jí)基坑開挖，開挖第三層土體3.4m，加設(shè)底板；

(4)工況4：第4級(jí)基坑開挖，開挖下沉院土體3m，加設(shè)底板。

4 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

鑒于監(jiān)測(cè)結(jié)果眾多，本文僅選取其中幾種監(jiān)測(cè)類型進(jìn)行分析。并且每種類型選取有代表性的部分測(cè)點(diǎn)來分析其在基坑施工期間的變化規(guī)律。

4.1 土體深層水平位移

土體深層水平位移由標(biāo)號(hào)CX系列點(diǎn)測(cè)得，本節(jié)選取了一些具有代表性的點(diǎn)CX2、CX8、CX11來分析施工過程中土體深層水平位移的變化。以下圖4～6為各點(diǎn)土體深層水平位移變化圖。

圖4為測(cè)點(diǎn)CX2在不同階段的土體深層水平位移變化圖。由圖中可以看出，在工況1時(shí)，水平位移在深度為6.5m左右的位置，最大值約為6.89mm。在工況2時(shí)，繼續(xù)挖下一層土體，對(duì)土體擾動(dòng)加大，土體水平位移明顯增大，最大水平位移大概在深度7m左右，最大值為11.8mm。工況1與工況2的差距較大，最大水平位移相差接近5mm。在工況3時(shí)，土體的深層水平位移繼續(xù)增大，最大值為14.42mm，最大值所在深度為7.5m。最后的工況4時(shí)，繼續(xù)挖土，土體擾動(dòng)持續(xù)增大，曲線明顯增大，最大位移值達(dá)到22.49mm，此值的深度在大概9m?？傮w來說，土體深層水平位移的最大值隨著施工階段的不斷進(jìn)行，逐漸增大，而且，最大值所在深度也隨著進(jìn)程不斷有下移的趨勢(shì)。

圖4 測(cè)點(diǎn)CX2在不同施工階段水平位移圖

圖5 測(cè)點(diǎn)CX8在不同施工階段水平位移圖

圖5為測(cè)點(diǎn)CX8在不同施工階段的深層土體水平位移變化規(guī)律。從圖中可以看出，在工況1，由于挖土施工過程的擾動(dòng)，土體的水平位移值最大值為3.93mm，最大值所處深度為6.5m左右。工況2繼續(xù)進(jìn)行挖土施工，對(duì)土體擾動(dòng)較大，土體水平位移值相比上一階段顯著增大，其最大水平位移大概在深度7m處，最大的位移值為11.32mm，約為工況1的2倍。在工況3時(shí)，土體深層水平位移進(jìn)一步增大，為13.99mm，最大值深度為也在7.5m左右。最后的工況4時(shí)，土體仍被開挖，土體深層水平位移最大值繼續(xù)增大至19.54mm，深度為8m。總的來說，深層土體水平位移值一直都在增大，其所處深度也隨著施工進(jìn)程不斷加深，而且，測(cè)點(diǎn)CX8與測(cè)點(diǎn)CX2的規(guī)律基本相同，曲線樣式也都基本一致。

圖6為測(cè)點(diǎn)CX11的位移圖，測(cè)點(diǎn)CX11與前兩圖的基本規(guī)律等大體相似，此處不再贅述。在工況1 時(shí)，深層土體最大位移為7.69mm，在7m處； 工況2時(shí)，最大位移是12.8mm，也是在7m處； 工況3時(shí)則是在15.6mm，在地下7.5m處； 最后的工況4最大位移是20.26mm，在8m處?？傮w來說也是最大位移在不斷增大，且深度在下降。

圖6 測(cè)點(diǎn)CX11在不同施工階段水平位移圖

以上3個(gè)典型測(cè)點(diǎn)反映了基坑不同位置的深層土體水平位移的變化規(guī)律。綜合圖4-圖6，總的來說，各點(diǎn)的最大水平位移的位置都隨著施工的不斷推進(jìn)而有著下移的趨勢(shì)，一般在7～10m左右的位置。各點(diǎn)在土體施工的階段，由于挖土施工，位移值都比較大，且各個(gè)階段之間的差值也較大。從各圖中可以看出，土體位移—深度曲線均為“大肚子”形狀。

4.2 支撐軸力變化

圖7和圖8分別是第一道支撐和第二道支撐的軸力變化規(guī)律。每道支撐分別選取了一些典型的測(cè)點(diǎn)來進(jìn)行分析。

第一道支撐的軸力總體上是隨著施工進(jìn)程不斷增大的。隨著土體被挖去，這個(gè)基坑就依靠支撐來圍護(hù)，此時(shí)，支撐的軸力迅速增大。而后，在第二道支撐施工時(shí)，第一道支撐的軸力被分擔(dān)，因此增長(zhǎng)較為平緩。在后續(xù)施工中，隨著土體被挖去，軸力繼續(xù)增大，直到基坑挖土施工結(jié)束。

當(dāng)土體挖到第二層時(shí)，基坑第二道支撐就架設(shè)起來了。第二道支撐分擔(dān)了一部分第一道支撐的軸力，且其軸力迅速增長(zhǎng)，并且達(dá)到了較大的水平。隨著土體后續(xù)的開挖，加設(shè)了底板，支撐的軸力增長(zhǎng)速度放緩，但是一直在穩(wěn)步增長(zhǎng)。

圖7 第一道支撐軸力變化

圖8 第二道支撐軸力變化

4.3 地面沉降

地面沉降的監(jiān)測(cè)選取了幾個(gè)具有代表性的測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來進(jìn)行分析。由圖9可以看出，隨著施工進(jìn)程的不斷進(jìn)行，土體越挖越深，基坑周圍土體下沉，地面的沉降值也越來越大。由于測(cè)點(diǎn)D3更接近基坑，所以，地面的沉降值相對(duì)比較小。隨著最后土體被挖完，各測(cè)點(diǎn)的沉降都趨于穩(wěn)定，大概在9mm。

4.4 管線沉降

鑒于基坑周圍管線眾多，且分布較雜，本節(jié)選取信息管線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，探討其位移變化規(guī)律。選取其具有代表性的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中，正值代表隆起，負(fù)值代表下沉。

從圖10可以看出，在施工階段，管線的位移隨著施工進(jìn)程而不斷加大，且最后都表現(xiàn)為沉降。各測(cè)點(diǎn)的變化規(guī)律和最后的沉降值都差不多，最后都穩(wěn)定在9mm左右。可在挖土過程中，因?yàn)橥馏w被挖，周圍土體向基坑移動(dòng)，管線的沉降值下降迅速。

圖9 地面沉降變化

圖10 信息管線沉降變化

5 結(jié)論

本文基于上海某賓館基坑的實(shí)地施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了在復(fù)雜施工個(gè)環(huán)境下基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境等的變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)土體的深層水平位移曲線表現(xiàn)為“大肚子”的形式。隨著施工工況的進(jìn)行，土體深層水平位移也在不斷增大，并且最大深度所處位置也在不斷下降，具有明顯的時(shí)空效應(yīng)。

(2)支撐軸力在施工進(jìn)程中一直以較快的速度增長(zhǎng)。加設(shè)的第二道支撐有效地分擔(dān)了第一道支撐的軸力。后續(xù)底板的施工，也使得支撐軸力的增長(zhǎng)速度放緩，直至施工結(jié)束。

(3)基坑周圍地面沉降以及管線位移都是隨著基坑挖土的進(jìn)行而不斷而增大，且都表現(xiàn)為下沉。這是因?yàn)榛油谕梁?，坑邊土體相應(yīng)塌陷，附近地面和管線均表現(xiàn)為下沉。