土體超挖對(duì)深基坑變形影響分析★

孫永梅 程海濤 米春榮 孫 貝

(1.山東建研科技發(fā)展有限公司，山東 濟(jì)南 250031；2.山東建科特種建筑工程技術(shù)中心有限公司，山東 濟(jì)南 250031； 3.山東省建筑科學(xué)研究院有限公司，山東 濟(jì)南 250031；4.山東省組合樁中心，山東 濟(jì)南 250031； 5.濟(jì)南組合樁中心，山東 濟(jì)南 250031)

0 引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，新城區(qū)建設(shè)、舊城區(qū)改造等問(wèn)題，使得有限的土地資源與快速增加的用地需求之間的矛盾日益突出，城市建設(shè)逐步向地下空間進(jìn)行擴(kuò)展[1]。隨之發(fā)展起來(lái)的基坑工程的規(guī)模越來(lái)越大、開(kāi)挖深度越來(lái)越深、周邊環(huán)境愈加復(fù)雜，深基坑成為巖土工程中事故的頻發(fā)領(lǐng)域[2]。目前，深基坑坍塌事故時(shí)有發(fā)生，深基坑超挖問(wèn)題也逐漸被重視。2001年上海靜安區(qū)某基坑由于連續(xù)兩次超挖，導(dǎo)致連續(xù)發(fā)生兩次事故，造成周邊建筑物大范圍開(kāi)裂，經(jīng)濟(jì)損失非常嚴(yán)重[3]；2008年杭州地鐵某基坑由于超前開(kāi)挖導(dǎo)致連續(xù)坍塌[4,5]。針對(duì)超挖問(wèn)題，學(xué)者們也進(jìn)行了一系列的研究，Itoh K等[6]借助離心試驗(yàn)說(shuō)明了超挖會(huì)使錨桿受力過(guò)大造成錨頭斷裂，基坑發(fā)生傾覆破壞；Tan Yong等[7]通過(guò)分析整理監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提出一旦超過(guò)設(shè)計(jì)的開(kāi)挖深度，該超挖段的地下連續(xù)墻變形迅速增大；黃天明[8]采用試驗(yàn)和數(shù)值分析的方法研究了超挖對(duì)懸臂樁支護(hù)連續(xù)破壞的機(jī)理；鄭剛等[9]基于杭州某基坑事故，建立三維有限元模型進(jìn)行研究，分析了局部超挖引起大范圍傾覆的作用機(jī)理，提出了對(duì)于傾覆型基坑連續(xù)破壞時(shí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)；張立[10]基于某基坑案例，借助有限元軟件，分析了土方超挖對(duì)基坑變形及穩(wěn)定性影響。

基于已有事故和現(xiàn)有研究，以某深基坑工程為背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程，研究了土體超挖對(duì)深基坑變形過(guò)程的影響。為相關(guān)工程提供一些理論與經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 基本信息

某基坑工程?hào)|西長(zhǎng)約168 m，西段143 m，開(kāi)挖深度8.75 m，1—1剖面采用放坡+混凝土支護(hù)樁+預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合支護(hù)形式，降水采用大口徑砂管井+明排水系統(tǒng)，截水帷幕采用支護(hù)樁間高壓旋噴樁截水帷幕。支護(hù)樁樁頂放坡2.5 m，坡率1∶0.4，掛網(wǎng)噴混凝土；混凝土支護(hù)樁樁徑800 mm、樁間距1.5 m，嵌固深度7.45 m，支護(hù)樁頂通長(zhǎng)設(shè)置鋼筋混凝土冠梁；設(shè)置兩道高壓旋噴預(yù)應(yīng)力錨索，錨固段直徑400 mm，長(zhǎng)度分別為15 m，13 m，預(yù)應(yīng)力分別為200 kN，140 kN，以預(yù)應(yīng)力錨索為結(jié)點(diǎn)通長(zhǎng)設(shè)置鋼肩腰梁。1—1剖面支護(hù)圖見(jiàn)圖1，設(shè)計(jì)工況變形情況見(jiàn)表1。

1.2 施工過(guò)程

基坑自東向西開(kāi)挖60 m(W6)處，第一道錨索張拉至設(shè)計(jì)值，第二道錨索成孔注漿完成尚未張拉至設(shè)計(jì)值，基坑超挖至8.75 m，水平位移達(dá)到30 mm，如圖2所示。

表1 設(shè)計(jì)工況基坑變形情況

開(kāi)挖至約80 m(W5)處，W6—W5段兩道錨索僅完成成孔注漿、均未張拉至設(shè)計(jì)鎖定值，直接超挖至8 m。W5監(jiān)測(cè)點(diǎn)樁頂水平位移達(dá)到50 mm。兩道錨索張拉至設(shè)計(jì)值后，施工單位隨即開(kāi)挖至8.75 m，W5樁頂水平位移超過(guò)6.5 cm，如圖3所示。

2 對(duì)比分析

計(jì)算以下兩種現(xiàn)場(chǎng)施工順序，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值及設(shè)計(jì)工況作對(duì)比分析：

1)工況1：開(kāi)挖至4 m→施工第一道錨索→開(kāi)挖至8.75 m→滲漏水→施工第二道錨索。工況1基坑變形情況見(jiàn)表2。

表2 工況1基坑變形情況

當(dāng)1—1剖面開(kāi)挖60 m，現(xiàn)場(chǎng)只張拉了第一道錨索，然后直接開(kāi)挖基坑至8.75 m時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(如圖2所示)顯示W(wǎng)6監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移達(dá)到20.0 mm，之后現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)滲漏水，流砂等情況，基坑外側(cè)水位上升到地面，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(如圖2所示)顯示W(wǎng)6監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移達(dá)到35.0 mm。從表2中可以看出，當(dāng)基坑開(kāi)挖至8.75 m時(shí)，位移計(jì)算值約17.0 mm，當(dāng)基坑外側(cè)水位上升到地面時(shí)，位移計(jì)算值約32 mm，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值較一致。

2)工況2：開(kāi)挖至8 m→施工第一道錨索→施工第二道錨索→開(kāi)挖至8.75 m。工況2基坑變形情況見(jiàn)表3。

表3 工況2基坑變形情況

當(dāng)1—1剖面開(kāi)挖80 m，兩道錨索均未張拉，直接開(kāi)挖基坑至8.00 m時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(如圖3所示)顯示W(wǎng)5監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移達(dá)到50.0 mm。之后張拉兩道錨索至設(shè)計(jì)值，接著開(kāi)挖至8.75 m，位移達(dá)到60.0 mm。在兩道錨索間補(bǔ)打一道錨索后，位移達(dá)到65.0 mm。從表3中可以看出，當(dāng)基坑開(kāi)挖至8.75 m時(shí)，位移計(jì)算值約76.0 mm，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值較一致。

通過(guò)對(duì)上述兩種理論計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)均較吻合，這說(shuō)明理論計(jì)算中各參數(shù)的取值較合理。至于工況1與工況2的計(jì)算結(jié)果相差較大的問(wèn)題，主要原因在于工況2分步開(kāi)挖深度過(guò)大且未張拉錨索，導(dǎo)致變形過(guò)大。

將工況1和工況2與設(shè)計(jì)工況對(duì)比，工況1與工況2的樁頂水平位移均大于設(shè)計(jì)工況的水平位移，主要原因也是基坑超挖導(dǎo)致的。

3 理論計(jì)算

1)工況1：開(kāi)挖至4 m→施工第一道錨索→開(kāi)挖至8.75 m→施工第二道錨索。

經(jīng)過(guò)上述分析，已證明理論計(jì)算中的各參數(shù)取值較合理，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析基坑超挖對(duì)樁錨支護(hù)基坑的影響。以工況1的施工順序?yàn)槔?，將第一步的開(kāi)挖深度分別設(shè)置為4 m，4.5 m，5 m，5.5 m，6 m，6.5 m，超挖深度則分別對(duì)應(yīng)0 m，0.5 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m，兩道錨桿設(shè)置位置不變，研究不同的超挖深度對(duì)樁頂水平變形、基坑內(nèi)外兩側(cè)彎矩變化的影響規(guī)律，如圖4～圖6所示。

圖4表示的是采用樁錨支護(hù)，第一道錨桿埋深3.5 m，第二道錨桿埋深6 m時(shí)，不同超挖深度對(duì)樁頂水平變形的影響。從圖6中可以看出，第一步正常開(kāi)挖(開(kāi)挖深度為4 m)時(shí)，基坑樁頂水平變形只有15 mm，當(dāng)超挖0.5 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m時(shí)，基坑樁頂水平變形分別增加了11%，25%，50%，89%，130%。這是由于土方開(kāi)挖會(huì)打破土體原來(lái)的應(yīng)力平衡狀態(tài)，在開(kāi)挖過(guò)程中，土體通過(guò)不斷的應(yīng)力重分布達(dá)到平衡，而基坑超挖會(huì)使土體實(shí)現(xiàn)再平衡更加困難，容易造成基坑變形過(guò)大。圖5，圖6分別表示的是不同超挖深度對(duì)基坑內(nèi)外兩側(cè)彎矩變化的影響，在第一步超挖過(guò)程中，基坑內(nèi)外兩側(cè)的彎矩是不斷變化的，超挖深度越大，基坑內(nèi)外兩側(cè)的彎矩變化也越大。

2)設(shè)計(jì)工況：開(kāi)挖4 m→施工第一道錨索→開(kāi)挖至6.5 m→施工第二道錨索→開(kāi)挖8.75 m。

以設(shè)計(jì)工況的施工順序?yàn)槔?，將第二步的開(kāi)挖深度分別設(shè)置為6.5 m，7 m，7.5 m，8 m，8.5 m，超挖深度則分別對(duì)應(yīng)0 m，0.5 m，1 m，1.5 m，2 m，兩道錨桿設(shè)置位置不變，研究不同的超挖深度對(duì)基坑樁頂水平變形、基坑內(nèi)外兩側(cè)彎矩變化的影響規(guī)律,如圖7～圖9所示。

圖7表示的是采用樁錨支護(hù)，第一道錨桿埋深3.5 m，第二道錨桿埋深6 m時(shí)，不同超挖深度對(duì)樁頂水平變形的影響。從圖7可以看出，第二步正常開(kāi)挖(開(kāi)挖深度為6.5 m)時(shí)，基坑水平變形只有10 mm，當(dāng)超挖0.5 m，1 m，1.5 m，2 m時(shí)，基坑樁頂水平變形分別增加了8%，17%，28%，39%。圖8，圖9同樣表示的是不同超挖深度對(duì)基坑內(nèi)外兩側(cè)彎矩變化的影響，在第二步超挖過(guò)程中，基坑內(nèi)外兩側(cè)的彎矩依然是不斷變化的，超挖深度越大，基坑內(nèi)外兩側(cè)的彎矩變化也越大。

4 結(jié)論

1)用理論計(jì)算模擬現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果較一致，說(shuō)明理論計(jì)算參數(shù)取值較合理。

2)基坑采用樁錨支護(hù)，第一步超挖0.5 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m時(shí)，基坑樁頂水平變形分別增加了11%，25%，50%，89%，130%。第二步超挖0.5 m，1 m，1.5 m，2 m時(shí)，基坑樁頂水平變形分別增加了8%，17%，28%，39%。

3)無(wú)論是第一步超挖還是第二步超挖，基坑內(nèi)外兩側(cè)的彎矩均是不斷變化的，超挖深度越大，基坑內(nèi)外兩側(cè)的彎矩變化越大。