軟土地質(zhì)深大基坑變形的監(jiān)測(cè)規(guī)律研究

俞建強(qiáng) 張 旭 金在保

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

隨著城市的發(fā)展，在城市核心區(qū)的新建建筑中超高超深的結(jié)構(gòu)越來越多，基坑的規(guī)模和開挖深度也不斷增加，基坑常出現(xiàn)在環(huán)境敏感和復(fù)雜的區(qū)域，周邊的地鐵、軌道交通、地下管線等對(duì)其影響極其顯著。

目前國(guó)內(nèi)的學(xué)者對(duì)深基坑的監(jiān)測(cè)做過很多分析研究，趙林杰等[1]以工程實(shí)例為背景，從測(cè)點(diǎn)布置、測(cè)點(diǎn)保護(hù)與補(bǔ)救、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)據(jù)修正與分析等4個(gè)方面對(duì)深基坑測(cè)斜工作全過程進(jìn)行系統(tǒng)性的技術(shù)總結(jié)，蔡干序[2]針對(duì)基坑監(jiān)測(cè)工程中的測(cè)距、起算點(diǎn)及位移方向等問題，對(duì)測(cè)斜技術(shù)進(jìn)行了探討，張尚根等[3]通過對(duì)20個(gè)軟土深基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，研究了支護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移、基坑地表沉降及兩者的關(guān)系，徐中華等[4]對(duì)上海銀行大廈深基坑工程施工階段支撐軸力、地下連續(xù)墻水平位移、立柱樁的沉降等進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并對(duì)基坑的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作了分析，驗(yàn)證了基坑的設(shè)計(jì)是成功的。

此外，國(guó)內(nèi)很多機(jī)構(gòu)和學(xué)者對(duì)基坑變形規(guī)律也進(jìn)行了分析和研究。

本文以上海嘉興路139地塊工程為例，對(duì)基坑開挖過程中的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了圍護(hù)墻水平位移、立柱隆沉和支撐軸力等規(guī)律，通過對(duì)基坑的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤和分析，保證了施工過程中基坑與周邊環(huán)境的安全。

1 工程概況

嘉興路街道139街坊商辦綜合開發(fā)項(xiàng)目位于上海市虹口區(qū)，場(chǎng)地北側(cè)為岳州路，西側(cè)為舟山路，東側(cè)為安國(guó)路，南側(cè)為周家嘴路。該地塊在建商業(yè)、辦公綜合體，總建筑面積為89 351 m2，基坑開挖面積約10 691 m2，項(xiàng)目用地面積13 671 m2，基坑開挖深度約20.8 m。

本工程周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑北側(cè)為紫虹嘉苑小區(qū)，距離基坑19.7～ 21.8 m；西側(cè)為老式磚混住宅及老廠房，距基坑約19.8 m；東側(cè)為虹葉茗苑小區(qū)，距基坑約32.69 m；南側(cè)為周家嘴路900弄小區(qū)。北側(cè)隔岳州路為運(yùn)營(yíng)中的軌道交通4號(hào)線區(qū)間隧道，在基坑50 m保護(hù)線以外；周邊道路下埋設(shè)有大量的市政管線。

2 基坑變形類型及影響因素

本工程的基坑開挖堅(jiān)持“分層、分區(qū)、盡早形成支撐或底板、留土護(hù)壁、盆式開挖”的挖土原則；基坑共分5層開挖，第1～4層皆挖至支撐底，第5層挖至基坑底；第1層土方采用大開挖方式，由場(chǎng)地中間向東西2個(gè)方向退挖；第2～4層土方采用盆式開挖（圖1），即盆中土分2個(gè)階段、3塊挖土，盆邊土分3個(gè)階段、12塊挖土；第5層土按基礎(chǔ)底板抗震縫及后澆帶分塊開挖（圖2）。

本工程基坑內(nèi)設(shè)置4道鋼筋混凝土水平支撐系統(tǒng)，圍檁及支撐棧橋混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，第1～4道鋼筋混凝土支撐中心標(biāo)高分別為：－1.70、－7.20、－12.30、－17.20 m。基坑中設(shè)有φ700 mm（800 mm）鉆孔灌注樁作為立柱樁，用以支撐混凝土支撐與棧橋。

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形

圍護(hù)結(jié)構(gòu)體側(cè)向位移，是引起周圍建筑物、道路、地下管線變形的一個(gè)主要原因。通過對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移監(jiān)測(cè)，可以掌握圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定與安全。根據(jù)設(shè)計(jì)單位出具的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖，圍護(hù)體頂部位移測(cè)點(diǎn)與圍護(hù)深層水平位移測(cè)孔成對(duì)布設(shè)，布置測(cè)斜孔34個(gè)，編號(hào)CX1～CX34（圖3）。

圖1 第2～4層挖土分塊示意

圖2 第5層土開挖分塊示意

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

由各施工階段圍護(hù)墻體水平位移（圖4）可見，采用分塊開挖的方式，當(dāng)開挖到相應(yīng)區(qū)塊時(shí)，墻體的位移變化較敏感。由于第1層土開挖深度較淺，因而對(duì)圍護(hù)墻水平位移總體影響較小，墻體水平位移的變化趨勢(shì)隨著開挖深度的增加而變大，且均向基坑內(nèi)側(cè)位移，當(dāng)開挖至基坑底部時(shí)，圍護(hù)墻的位移達(dá)到最大，開挖深度以下的水平位移隨著深度的增加呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

CX7和CX11測(cè)點(diǎn)位于基坑南側(cè)長(zhǎng)邊中間部位，空間效應(yīng)明顯，故水平位移最大，最大位移為83 mm，與開挖深度的相對(duì)值為0.4%。測(cè)點(diǎn)CX13位于基坑的西南角點(diǎn)，在同一層土中最后開挖，空間拱效應(yīng)較明顯，故該點(diǎn)的水平位移較小，其水平位移為53 mm，與開挖深度相對(duì)值比為0.25%。CX27測(cè)點(diǎn)位于基坑北側(cè)的中部，受到開挖空間效應(yīng)的影響也較大，其最大水平位移為66 mm，與開挖深度相對(duì)值比為0.317%。測(cè)點(diǎn)CX29和CX33均位于基坑的東北側(cè)，且CX33點(diǎn)位于東北側(cè)的短邊上，受空間效應(yīng)的影響較小，測(cè)點(diǎn)CX29的水平位移為72 mm，與開挖深度相對(duì)值比為0.35%，CX33的水平位移為69 mm，與開挖深度相對(duì)值比為0.33%。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移會(huì)受到基坑開挖時(shí)間和空間效應(yīng)的影響。

對(duì)所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)而言，最大水平位移點(diǎn)的位置隨著開挖深度的增加而逐漸下移，一般出現(xiàn)在開挖面以上0.6 m左右。各測(cè)點(diǎn)的位移增量主要發(fā)生在底板開挖階段，原因是底板開挖的深度較深且工期較長(zhǎng)，各種荷載也在增加，使得該施工階段的位移增量較大。

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變形

2.2 坑底隆起變形監(jiān)測(cè)

地基土大面積開挖后，由于地基土自重應(yīng)力的卸除，使地基土回彈隆起，引起地基土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，以致對(duì)主體建筑物以及鄰近建筑物造成一定影響。為保證基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的可靠和保護(hù)鄰近建筑的安全，對(duì)基坑底面的回彈變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)（圖5）。

從基坑立柱位移曲線（圖6、圖7）中可以看出，最大的隆起點(diǎn)為L(zhǎng)Z4點(diǎn)，位于基坑的中部，最大的位移為43 mm，位移最小的地方出現(xiàn)在LZ6、LZ7、LZ15和LZ20點(diǎn)。數(shù)據(jù)表明，隨著開挖深度的增加，坑底的隆起變形不斷地增大，且第1層土開挖時(shí)，由于土體的突然卸載，立柱的隆起變形較大，隨著挖深的加大，曲線逐漸趨于平緩，在開挖的同一層土中，先期開挖部分的隆起也明顯高于后開挖部分，LZ4點(diǎn)因位于中間部位，立柱臨空面大，受到的約束較弱，因而隆起較大，LZ6、LZ7、LZ15和LZ20因位于角部，且開挖較晚，受到的空間效應(yīng)影響較小，所以基坑隆起較小。

圖5 立柱樁監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

圖6 基坑北側(cè)立柱垂直位移

圖7 基坑南側(cè)立柱垂直位移

2.3 支撐軸力

為監(jiān)控基坑開挖過程中支撐體系的受力狀態(tài)，選取支撐監(jiān)測(cè)斷面主要分布于有可能出現(xiàn)應(yīng)力集中的桿件，布置若干應(yīng)力傳感器，將壓彎構(gòu)件簡(jiǎn)化為軸心受壓構(gòu)件，根據(jù)平截面假定，測(cè)量計(jì)算支撐軸向受力（圖8）。

圖8 支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意

從支撐軸力的變化（圖9～圖12）可以看出，第1道支撐的軸力在第1層土開挖、第2道支撐的軸力在第2層土開挖、第3道支撐的軸力在第3層土開挖、第4道支撐的軸力在第4層土開挖時(shí)迅速增加，隨著后續(xù)土層的開挖，其變化逐漸趨于平緩。各道支撐的最大軸力分別為4 900、8 800、10 500、11 000 kN，第1～4道支撐的報(bào)警值分別為5 000、10 000、12 000、12 000 kN，各道支撐的軸力均未超過報(bào)警值。隨著基坑的開挖，由于支撐受到更大的形變壓力，因而隨著深度的增加，支撐的軸力也逐漸增大。

圖9 第1道支撐軸力

圖10 第2道支撐軸力

圖11 第3道支撐軸力

圖12 第4道支撐軸力

3 結(jié)語(yǔ)

通過分析背景項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，得出了如下的結(jié)論：

1）基坑施工引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及坑底的位移具有明顯的空間效應(yīng)：開挖面中部的位移較大，角部的位移較小。

2）基坑施工引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、坑底的位移、支撐軸力具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，同一層土先期開挖部分的變形和軸力較大，不同層土暴露時(shí)間越長(zhǎng)，變形和軸力越大。

3）支撐軸力在支撐相對(duì)應(yīng)的土層開挖時(shí)急劇增加，隨著后續(xù)的開挖，軸力的變化趨緩，而由于支撐受到更大的形變壓力，因而隨著深度增加，支撐的軸力也逐漸增大。