基于施工全過程的深圳某深基坑工程監(jiān)測分析

余成華， 周建雄

(深圳市勘察研究院有限公司， 廣東 深圳 518026)

近年來隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展和城市用地的日趨緊張，深基坑工程施工不可避免地影響周邊既有建筑物、地下管線和臨近的地鐵隧道[1-3]。因此，保證基坑圍護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及嚴(yán)格控制因基坑施工而導(dǎo)致的周邊地面沉降和變形，對于降低對基坑周邊環(huán)境的影響至關(guān)重要。在基坑施工的全過程，利用信息化監(jiān)測技術(shù)進行實時監(jiān)測，可反饋于基坑開挖，以便采取有效措施應(yīng)對可能發(fā)生的基坑失穩(wěn)或過大變形對周邊的影響[4-5]。

奚家米等[6]以上海地區(qū)某深基坑工程為背景，利用圍護結(jié)構(gòu)頂部水平位移、垂直沉降、臨近道路地表沉降和內(nèi)支撐軸力等信息化監(jiān)測數(shù)據(jù)，指導(dǎo)了復(fù)雜環(huán)境下軟土基坑的施工。龍林和李之達[7]以長沙市某深基坑為案例，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了樁錨支護和土釘支護在長沙地區(qū)的適用性。丁智等[8]根據(jù)鄰近已運營地鐵隧道的基坑工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，對基坑開挖全階段施工過程的深層土體側(cè)向位移與鄰近地鐵隧道變形之間的規(guī)律展開研究，探討基坑開挖的施工危險節(jié)點與重點影響區(qū)域。葉帥華等[9]以中國移動甘肅公司深基坑工程為實例，在基坑開挖施工過程中，分別對水平位移和豎向位移進行了實時監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果探討了所用支護形式在蘭州地區(qū)的適用性。莊海洋等[10]以上海地區(qū)某深軟場地地鐵狹長深基坑為工程背景，對開挖引起的地表和周邊建筑物沉降、地下連續(xù)墻側(cè)移、墻頂和立柱豎向位移等的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行了詳細(xì)地統(tǒng)計和分析，探討了深軟場地狹長深基坑變形的時空分布特征及其主要誘因。

本文以深圳某深基坑工程為例，基于施工全過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析不同施工階段的地面沉降、立柱沉降、臨近地鐵站風(fēng)亭結(jié)構(gòu)沉降、支護樁水平位移、基坑周邊水平位移和錨索軸向拉力以及基坑周邊地下水位的變化特征，以期為深圳市類似基坑的設(shè)計和施工提供有價值的參考。

1 基坑工程概況

研究場地位于深圳市寶安區(qū)西鄉(xiāng)體育中心附近，場地擬建4棟32層、1棟27層建筑物，均為框剪結(jié)構(gòu)，地下2層。

基坑?xùn)|北側(cè)為寶源路，該側(cè)有地鐵11號線施工區(qū)(該區(qū)間段為明挖隧道，已完成隧道結(jié)構(gòu)施工并回填)，距離基坑邊約34.6 m；基坑?xùn)|南側(cè)為空地；基坑西南側(cè)為三號路，基坑西北側(cè)為銀田路。場地現(xiàn)狀地面標(biāo)高3.73～5.00 m，基坑周邊無管線?；娱L約143.3 m，寬113.4 m，周長507.2 m，面積16 731.2 m2，開挖深度9.0～10.0 m。

1.1 工程及水文地質(zhì)條件

基坑場地的巖土層自上而下為：①第四系雜填土(Q4ml)；②第四系海積沖積淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)黏土(Q4mc)；③第四系沖洪積物含砂粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、黏土(Q4al+pl)；④第世系殘積砂質(zhì)黏性土、殘積黏性土(Q4el)；⑤中元古界長城系混合花崗巖(Ch)。

基坑場地內(nèi)無地表水。地下水主要賦存于第四系全新世土層中的孔隙水和風(fēng)化基巖中的裂隙水，屬于潛水類型，為強透水層與弱透水層共存的濕潤區(qū)，其穩(wěn)定水位埋深0.96～2.86 m。相關(guān)土層參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

1.2 基坑支護方案與施工步驟

基坑支護結(jié)構(gòu)平面布置圖(包括監(jiān)測點布置)、典型剖面圖(1-1剖面和7-7剖面)分別如圖1～圖3所示。具體支護方案如下：

圖1 基坑支護及監(jiān)測點平面圖

圖2 基坑1-1剖面圖

圖3 基坑7-7剖面圖

1)基坑北側(cè)(ABCD段)采用雙排樁支護(旋挖灌注樁)。

2)基坑?xùn)|北側(cè)靠近寶源路，在建地鐵11號線施工區(qū)(DEF段)采用支護樁(旋挖灌注樁)+內(nèi)支撐支護，其中DE段設(shè)置一道支撐，EF段設(shè)置兩道支撐。

3)基坑?xùn)|北側(cè)規(guī)劃路FGH段采用支護樁[鉆(沖)孔灌注樁]+內(nèi)支撐支護，其中FG段設(shè)置兩道支撐，GH段設(shè)置一道支撐。

4)基坑HJKLM段，采用支護樁[鉆(沖)孔灌注樁]+錨索支護。錨索采用3×7φ5或4×7φ5預(yù)應(yīng)力錨索，共設(shè)置3道，入射角為35°。

5)基坑MA段采用支護樁[鉆(沖)孔灌注樁]+內(nèi)支撐支護，在支護樁冠梁處設(shè)置一道內(nèi)支撐。

上述支護方案中：旋挖灌注樁直徑為1.2 m，樁間距為1.6 m；鉆(沖)孔灌注樁直徑為1.0 m，樁間距為1.6 m。所有支護樁后設(shè)兩排直徑0.55 m、間距0.4 m的攪拌樁止水，且攪拌樁樁底進入坑底3.0 m或至強風(fēng)化花崗混合巖面；樁間設(shè)一排直徑0.55 m、間距0.4 m的攪拌樁加固樁間軟土。內(nèi)支撐為1.0 m×1.0 m鋼筋混凝土支撐梁，雙排樁樁頂設(shè)1.2 m×1.0 m鋼筋混凝土剛架梁。支護樁側(cè)均掛直徑6.5 mm，間距200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)，并噴射100 mm厚混凝土面層。

基坑主要施工工況見表2。

表2 基坑全過程施工工況

1.3 基坑監(jiān)測方案

基坑主要監(jiān)測項目為：①沉降監(jiān)測，包括基坑周邊地鐵風(fēng)亭、道路、內(nèi)支撐立柱沉降等(編號C01～C40)；②水平位移監(jiān)測，主要布設(shè)在支護樁冠梁(S01～S20)和基坑坡頂(S21～S39)；③地下水位監(jiān)測(W01～W12)；④錨索拉力監(jiān)測(M1～M3)。監(jiān)測點布置如圖1所示。監(jiān)測頻率為：土方開挖期間每3 d監(jiān)測一次，開挖至坑底后每天監(jiān)測1次，10 d 后每3 d監(jiān)測一次，底板完成后每1周監(jiān)測1次，直至土方回填。監(jiān)測報警及控制值見表3。

表3 基坑監(jiān)測報警值及控制值

2 基坑監(jiān)測結(jié)果及分析

2.1 地面、立柱及地鐵風(fēng)亭結(jié)構(gòu)沉降

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，取地面累積沉降量大于20 mm的監(jiān)測點為代表性監(jiān)測點進行分析，其地表累積沉降量隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 地面沉降監(jiān)測結(jié)果

結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)及圖4可知，監(jiān)測點C19在基坑土方開挖后一直呈增大趨勢，最終累積沉降量達33.84 mm。監(jiān)測點C2、C5、C6、C7自第一道內(nèi)支撐和第一道錨索施工結(jié)束前有微弱隆起，然后開始沉降，其中C2沉降量呈快速增大趨勢，最終達 44.1 mm。根據(jù)表3，上述監(jiān)測點均未達到報警值。由圖1可知，監(jiān)測點C2位于內(nèi)支撐和預(yù)應(yīng)力錨索支護結(jié)構(gòu)的交界處，表明不同支護結(jié)構(gòu)的變換處地面沉降較大，在施工時應(yīng)引起重視。

繪制內(nèi)支撐立柱上所有沉降監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)隨時間變化曲線，如圖5所示。由圖5可知，立柱各沉降監(jiān)測點隨基坑開挖先表現(xiàn)隆起，后表現(xiàn)沉降。其中，C24沉降監(jiān)測點的累積沉降量較大，約達10.3 mm。所有沉降監(jiān)測點的累積沉降量均未達到報警值(24 mm)。立柱這種先隆起后沉降的過程與基坑開挖過程中土體的回彈變形有關(guān)。在土方開挖至坑底標(biāo)高前(工況Ⅱ-Ⅴ)，由于坑內(nèi)卸荷，導(dǎo)致了坑底產(chǎn)生回彈變形，監(jiān)測值表現(xiàn)出隆起。隨著底板的施工立柱拆除和換撐、地下室結(jié)構(gòu)的施工(工況Ⅵ)，立柱沉降呈波動趨勢。上述監(jiān)測結(jié)果表明，在深基坑土方開挖過程中應(yīng)注意坑底回彈的影響。

圖5 立柱沉降監(jiān)測結(jié)果

地鐵站風(fēng)亭結(jié)構(gòu)上布置的4個沉降監(jiān)測點(C37～C40)的累積沉降量如圖6所示。由圖6可知，在工況Ⅱ即土方開挖至冠梁底標(biāo)高時，地鐵風(fēng)亭結(jié)構(gòu)沉降量達到最大值(約4 mm)，之后隨著冠梁、第一道內(nèi)支撐施工完成后沉降量逐漸減小，隨后維持在3 mm范圍內(nèi)波動，小于報警值(8 mm)。

圖6 地鐵站風(fēng)亭沉降監(jiān)測結(jié)果

2.2 支護樁水平位移

選擇支護樁頂累積水平位移量超過8 mm的監(jiān)測點為代表性監(jiān)測點，其累積水平位移隨時間變化如圖7所示，以位移正值表示向坑內(nèi)變形。由圖7可知，支護樁頂?shù)乃轿灰凭蚩觾?nèi)，且隨分層分段開挖均持續(xù)增大，但總體未達到報警值(24 mm)，表明在整個基坑施工過程中支護樁的變形在允許值范圍內(nèi)。此外，從圖7還可以看出，支護樁頂水平位移較大的監(jiān)測點基本上位于施加預(yù)應(yīng)力錨索段(如S11、S12)，而內(nèi)支撐支護段的樁頂位移較小(如S17、S18)。上述監(jiān)測結(jié)果表明，內(nèi)支撐對約束支護樁變形相比預(yù)應(yīng)力錨索具有一定的優(yōu)勢。

圖7 支護樁頂水平位移監(jiān)測結(jié)果

圖8為累積水平位移大于6 mm的基坑周邊監(jiān)測點的監(jiān)測曲線。由圖8可知，在整個基坑的施工過程中，基坑周邊地表幾乎均向坑內(nèi)變形，且呈現(xiàn)兩階段變形特征。首選在放坡開挖、第一道支撐和第一道錨索施工期間(工況Ⅱ-Ⅲ)，基坑周邊有一定的變形，且以臨近地鐵站風(fēng)亭監(jiān)測點S39變形最為明顯。此后，隨著坑內(nèi)土方開挖至地下室施工結(jié)束(工況Ⅳ-Ⅳ)，基坑周邊地表持續(xù)變形并趨于穩(wěn)定。結(jié)合圖1中的監(jiān)測點位置發(fā)現(xiàn)，基坑周邊地面發(fā)生較大水平位移主要集中在基坑的東北側(cè)。其中，監(jiān)測點S35～S39位于臨近地鐵側(cè)，S39位于附近(累積水平位移接近12 mm)。上述監(jiān)測點的水平位移變化曲線表明，盡管累積水平位移均未達到報警值(32 mm)，但基坑開挖對臨近地鐵仍具有一定的影響。

圖8 地面水平位移監(jiān)測結(jié)果

2.3 錨索拉力

M1、M2和M3分別為HJ、JKL和LM段代表性錨索軸向拉力監(jiān)測點，且所有錨索測力計均安裝在第一道錨索上。根據(jù)基坑支護方案，HJ、JKL和LM段第一道錨索的軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值N分別為360、330、330 kN。3個代表性錨索軸向拉力監(jiān)測值隨時間變化曲線如圖9所示。由圖9可知，3個錨索軸向拉力監(jiān)測值均小于報警值(0.8N)。M1和M2監(jiān)測點的錨索軸向拉力先下降后維持在相對穩(wěn)定水平，M3監(jiān)測點的錨索軸向拉力雖有一定程度的增大，但也未超出報警值。上述監(jiān)測結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力錨索在基坑整個開挖至地下室結(jié)構(gòu)施工期間(工況Ⅴ-Ⅵ)的工作狀況良好。

圖9 錨索軸向拉力監(jiān)測結(jié)果

2.4 地下水位

地下水位監(jiān)測點布置在基坑坑外四周，其中監(jiān)測點W03和W04由于錨索施工導(dǎo)致井孔阻塞，無法觀測到地下水位，故分析了其余10個井孔內(nèi)的地下水位數(shù)據(jù)，其隨時間變化曲線如圖10所示。

圖10 基坑周邊地下水位監(jiān)測結(jié)果

由圖10可知，所有監(jiān)測點的地下水位在分段分層開挖階段(工況Ⅳ-Ⅴ)均下降，然后在內(nèi)支撐段拆撐和地下室結(jié)構(gòu)施工期間基本保持平穩(wěn)狀態(tài)。對于監(jiān)測點W01、W02、W05、W07、W12，初始地下水位與最低點地下水位差值分別為1.03、2.13、2.87、1.98、2.08 m，均小于報警值3.2 m。但對于監(jiān)測點W06、W08、W09、W10、W11來說，地下水位最大下降幅度分別為5.0、3.54、3.56、4.16、4.93 m。根據(jù)表2，監(jiān)測點W08和W09的地下水位下降幅度超過報警值3.2 m，監(jiān)測點W06、W10和W11的地下水位下降幅度超過了設(shè)計控制值4.0 m。由于地下水位的大幅下降，會引起土層中有效應(yīng)力的增加而導(dǎo)致附加沉降，故施工單位需引起重視，采取合適的措施(如回灌)控制基坑周邊地面沉降。

3 結(jié)論

以深圳某深基坑工程為例，基于施工全過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析了不同施工階段的地面沉降、立柱沉降、臨近地鐵站風(fēng)亭結(jié)構(gòu)沉降、支護樁水平位移、基坑周邊水平位移和錨索軸向拉力以及基坑周邊地下水位的變化特征。主要結(jié)論如下：

1)位于內(nèi)支撐和預(yù)應(yīng)力錨索支護結(jié)構(gòu)交界處的地面沉降較大?？觾?nèi)土方開挖卸荷會導(dǎo)致坑底產(chǎn)生回彈變形，立柱有微弱隆起變形。地鐵風(fēng)亭結(jié)構(gòu)在土方開挖至冠梁底標(biāo)高時沉降最大，后隨著冠梁、第一道內(nèi)支撐施工完成后沉降量逐漸減小。所有沉降監(jiān)測點的累積沉降量均未達到報警值。

2)支護樁頂?shù)乃轿灰凭蚩觾?nèi)，且隨基坑土方開挖持續(xù)增大，且樁頂位移在內(nèi)支撐支護段要小于預(yù)應(yīng)力錨索段。基坑周邊地表水平位移也指向坑內(nèi)，且在臨近的地鐵站風(fēng)亭處變形最為明顯。所有監(jiān)測點的水平位移均未達到報警值。

3)預(yù)應(yīng)力錨索在基坑整個開挖至地下室結(jié)構(gòu)施工期間的工作狀況良好?；又苓叺叵滤辉诜侄畏謱娱_挖階段均下降，然后在內(nèi)支撐段拆撐和地下室結(jié)構(gòu)施工期間基本保持平穩(wěn)狀態(tài)。部分監(jiān)測點累積地下水位下降幅度超過報警值和控制值，施工單位需采取合適的措施(如回灌)控制基坑周邊因地下水位大幅下降引起的附加沉降。