深基坑開挖對既有高擋墻的影響分析

陳 娟

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 概述

隨著地下空間的不斷發(fā)展，復(fù)雜環(huán)境下的基坑工程越來越多。當(dāng)基坑一側(cè)存在山地邊坡、高層建筑物時，受到的偏壓作用使基坑設(shè)計更復(fù)雜，基坑及周邊環(huán)境的穩(wěn)定性也大大降低[1-2]。雷用等[3]通過高度為41m 的巖質(zhì)順層超限高邊坡開挖對既有隧洞的影響進(jìn)行了分析評價，采用樁錨對邊坡進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，薛麗影等[4]對高填方邊坡工程提出樁基立柱錨拉式擋土墻結(jié)構(gòu)，并對其強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，趙志剛[5]等對長沙某既有重力式擋土墻加固提出錨桿網(wǎng)格梁聯(lián)合加固的方案。在高擋墻下開挖深基坑，高擋墻產(chǎn)生的偏載對基坑變形有多大的影響，基坑對高擋墻的變形及穩(wěn)定性影響有多大，如何降低這種影響，目前缺少相應(yīng)的理論支撐，類似工程案例及經(jīng)驗也缺乏。本文通過對杭州某工程實例的分析，采用有限元計算分析并結(jié)合實測數(shù)據(jù)驗證了高擋墻加固方案的有效性，供類似項目參考。

2 工程概況

杭州某市政隧道臨近既有重力式高擋墻施工，隧道基坑與高擋墻最小凈距12.9m。

該擋墻高約8m，為漿砌塊石擋墻，擋墻結(jié)構(gòu)尺寸不詳，經(jīng)過現(xiàn)場探挖可知基礎(chǔ)埋深約1.3m，由0.5m 素混凝土+0.8m 漿砌塊石組成。由于擋墻的年代較久遠(yuǎn)，經(jīng)過長期的風(fēng)化作用，漿砌塊石砂漿粘結(jié)力差，且強(qiáng)度低，經(jīng)現(xiàn)場排查表面多處已出現(xiàn)裂縫及空鼓，且部分泄水孔已經(jīng)堵塞，排水不暢。

市政隧道采用明挖法施工，基坑開挖深度23.6～27m，開挖寬度23.4～25.6m，隧道基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用?1200@1000 鉆孔咬合樁，樁長27.5m，采用3 道砼支撐和一道鋼支撐，坑中坑采用1∶0.3放坡開挖。

擬建場區(qū)為山前斜谷坡洪積平原地貌，地層從上至下依次為：①1層碎石填土、②2層粉質(zhì)粘土、④1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、(20)a-1層全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、(20)a-2層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、(20)a-3層中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

場區(qū)內(nèi)地下水類型主要是第四紀(jì)松散巖類孔隙潛水?？紫稘撍饕x存于表層填土、②層砂質(zhì)粉土、粉砂、淤泥中，水位一般為1.40～5.80m，相應(yīng)高程1.81～7.41m，水位年變幅為1.0～2.0m。土層物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計參數(shù)表

3 高擋墻加固方案

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查以及對既有高擋墻進(jìn)行評估，高擋墻的整體結(jié)構(gòu)基本完整，由于表面塊石裂縫及空鼓的存在，需要在基坑開挖前對擋墻面層以及墻趾進(jìn)行加固，提高擋墻的整體穩(wěn)定性。同時需采取一定的措施減小基坑開挖變形對擋墻的影響。結(jié)合擋墻的現(xiàn)狀條件，為盡可能減小對擋墻自身結(jié)構(gòu)的影響，加固措施主要如下：

（1）全面排查擋墻塊石的空鼓裂縫，采用M10的水泥砂漿填充裂隙，確保塊石之間的連接強(qiáng)度，增加高擋墻的整體性。

（2）部分泄水孔已經(jīng)堵塞失效，應(yīng)提前進(jìn)行疏通，已損壞的泄水孔在原擋土墻上抽芯成孔，插入100PVC管，泄水管與擋墻之間的空隙采用水泥砂漿填滿。

（3）清除高擋墻原來的面層，重新施工200mm 厚C30 鋼筋混凝土面板，面板鋼筋通過錨釘固定在擋墻上，面板延伸至擋墻的墻趾深度。

（4）擋墻墻角外側(cè)2m 位置跳樁法施工?800@1200鉆孔灌注樁，灌注樁頂部設(shè)置混凝土圈梁，增加整體剛度，且圈梁與擋墻基礎(chǔ)之間采用鋼筋混凝土梁連接，起到隔離變形和加固墻趾的作用。擋墻加固剖面圖如圖1所示。

圖1 高擋墻與基坑剖面示意圖

4 基坑開挖對高擋墻影響分析

4.1 計算模型

為了準(zhǔn)確預(yù)測基坑開挖對高擋墻的影響，采用有限元軟件Midas GTS NX 進(jìn)行計算分析，計算模型由隧道明挖段基坑、高擋墻及周邊土體組成，模型尺寸150m×52m，周邊土體取基坑開挖深度的3倍范圍[6]。

模型土體采用基于修正Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，模型位移約束條件：表面為自由面，兩側(cè)約束水平方向位移，底部為固定約束。土體采用2D平面應(yīng)變實體單元，圍護(hù)樁采用等效厚度的梁單元，基支撐采用1D梁單元模擬。計算模型如圖2所示。

圖2 計算模型

4.2 計算結(jié)果分析

基坑開挖到底時，兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移如圖3所示，高擋墻的水平位移、豎向位移如圖4所示。

圖3 基坑左側(cè)、右側(cè)圍護(hù)水平位移圖

圖4 高擋墻水平、豎向位移云圖

由計算結(jié)果可知，基坑兩側(cè)圍護(hù)樁的水平位移值均相對較小，靠近擋墻側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移16.6mm，遠(yuǎn)離擋墻側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移8.5mm，可見靠近高擋墻圍護(hù)樁水平位移遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)離擋墻側(cè)圍護(hù)樁，高擋墻距離基坑12.9m，位于基坑0.7倍開挖深度的主影響區(qū)內(nèi)，因此造成兩側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形差異的主要原因為高擋墻產(chǎn)生的約150kPa的偏載。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移出現(xiàn)在10m 深度位置，因為基坑淺部以填土、粉質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土等土質(zhì)地層為主，強(qiáng)度較低，側(cè)向壓力大，而下部為強(qiáng)度較高的強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，側(cè)向壓力小，因此隨著基坑開挖到底，最大變形出現(xiàn)在基坑上部。而且基坑圍護(hù)樁結(jié)合多道混凝土支撐形成剛度較大的結(jié)構(gòu)體系，對基坑變形起到很好的控制作用。

基坑開挖過程中，高擋墻基礎(chǔ)最大水平位移2.17mm，頂部最大水平位移3.03mm，高擋墻的基礎(chǔ)埋深較淺，對應(yīng)深度的基坑圍護(hù)樁水平位移7.6mm。高擋墻最大豎向沉降位移為12.15mm，且出現(xiàn)在靠近基坑一側(cè)的墻角，遠(yuǎn)離基坑側(cè)墻角豎向位移10mm，擋墻傾斜值為0.87‰，小于《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》要求的2‰。

由以上分析可知，高擋墻與基坑相互影響，高擋墻超載增加基坑的圍護(hù)變形，同時基坑變形增加同時也會加大高擋墻的變形。在本工程中通過高擋墻加固、基坑加強(qiáng)支護(hù)等措施，基坑及高擋墻的變形均能控制在變形要求內(nèi)。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)一步確定基坑與高擋墻的相互影響，基坑開挖過程中對高擋墻、基坑分別進(jìn)行水平位移和豎向位移監(jiān)測，高擋墻位移監(jiān)測點布置如圖5所示，擋墻水平和豎向位移如圖6所示。

圖5 高擋墻監(jiān)測點布置平面圖

圖6 高擋墻豎向、水平位移監(jiān)測圖

由圖可知，由于測量誤差存在，個別測點豎向位移表現(xiàn)為隆起。綜合分析可以看出隨著隧道基坑開挖深度的增加，豎向位移逐漸增加，最大豎向位移7.67mm。且豎向位移較大的監(jiān)測點分別為JGC05、JGC06、JGC07，這三個測點均位于長條形基坑的中間，基坑空間效應(yīng)最弱、基坑圍護(hù)變形最大的位置，符合長條形基坑變形分布規(guī)律。

高擋墻水平位移分布較離散，水平位移變化范圍為-3.1～5.9mm，且整體水平位移均較小，一方面由于中風(fēng)化巖層開挖過程中，機(jī)械設(shè)備的振動對擋墻水平位移產(chǎn)生一定的影響，另一方面高擋墻的整體剛度較好，抗變形能力強(qiáng)，同時設(shè)置隔離樁對抵抗變形有起到一定的作用。同時以擋墻監(jiān)測點JGC06對應(yīng)的基坑剖面為例，靠近擋墻側(cè)基坑圍護(hù)樁的最大水平位移為17.43mm，遠(yuǎn)離擋墻側(cè)圍護(hù)樁水平位移8.66mm，與有限元計算結(jié)果基本一致。

以上實際監(jiān)測位移量均滿足相關(guān)要求，經(jīng)過對比分析證明了有限元計算的可行性，也進(jìn)一步驗證了高擋墻加固方案的有效性。

6 結(jié)論

本文以杭州某隧道基坑臨近既有高擋墻施工為工程背景，針對高擋墻與基坑在施工過程中相互影響這一關(guān)鍵問題提出相應(yīng)的設(shè)計技術(shù)措施，并通過有限元與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比分析，驗證方案的合理性，對同類型的工程案例具有一定的參考價值，得出以下主要結(jié)論。

（1）高擋墻的加固方案應(yīng)以其現(xiàn)狀評估結(jié)論為基礎(chǔ)，采取的措施應(yīng)盡量減小對高擋墻既有結(jié)構(gòu)的擾動和破壞，確保其完整性和穩(wěn)定性。

（2）基坑與高擋墻之間設(shè)置鉆孔隔離樁，既能有效減少基坑開挖過程中高擋墻的位移，又增加了高擋墻的抗滑穩(wěn)定性。

（3）隔離柱與高擋墻基礎(chǔ)之間的剛性連接，能起到加固擋墻基礎(chǔ)的作用，增加高擋墻基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

（4）高擋墻的存在會對基坑的一側(cè)產(chǎn)生偏載，加強(qiáng)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，并結(jié)合多道砼支撐，能加強(qiáng)偏載作用下基坑的穩(wěn)定性同時也減小了基坑的變形。