某建筑深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及智能化監(jiān)測(cè)

徐振斯 龐復(fù)海 鄧 宇 桂金洋

（1.廣西地礦建設(shè)集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530023；2.廣西環(huán)境地質(zhì)調(diào)查院，廣西南寧 530023；3.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州 545006；4.北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

0 引言

土釘墻具有較好的經(jīng)濟(jì)性和施工便捷性，在各類基坑工程中得到了廣泛應(yīng)用。高 浪等[1]針對(duì)土釘墻的適用性、場(chǎng)地勘查、支護(hù)設(shè)計(jì)以及施工質(zhì)量控制等方面開展了研究，并針對(duì)土釘墻基坑監(jiān)測(cè)與檢測(cè)給出合理建議。楊志銀和張 俊[2]梳理出4 種常見的復(fù)合土釘墻形式，闡述了復(fù)合土釘墻的設(shè)計(jì)方法和構(gòu)造形式，并通過深圳電視中心基坑工程驗(yàn)證了復(fù)合土釘墻的支護(hù)效果。王建軍等[3]將壓力分散型錨索和水平對(duì)拉錨索等關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用于永久性深基坑，并在注漿工藝和鉆孔方法方面大膽創(chuàng)新，實(shí)踐上獲得了成功。相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的頒布也推動(dòng)了土釘墻等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用[4-5]。

綜上所述，土釘墻在地質(zhì)環(huán)境條件較好的基坑工程中具有較好的適用性，其技術(shù)研究和應(yīng)用已經(jīng)較為成熟?，F(xiàn)階段，工程界比較關(guān)注土釘墻在不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件或復(fù)雜環(huán)境下的研究和應(yīng)用。為此，以某超高層建筑基坑工程為依托，對(duì)基坑深度大、土巖組合、坑壁陡峭的條件下的土釘墻設(shè)計(jì)與應(yīng)用展開研究，并應(yīng)用云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)智能化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，探究邊坡的位移變形特性。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

本工程屬于超大超深建筑，南北長(zhǎng)度約185.6 m，東西寬度約140.56 m，占地面積約29725.58 m2，基坑開挖深度約為12.7～16.0 m?；?xùn)|鄰歌韻路，其間雨（污）水管距用地紅線約6.0 m。南側(cè)距五象大道最近約16.50 m。西側(cè)紅線外為寬約45.0 m 的市政綠化帶，綠化帶西側(cè)為飛龍路。北面緊鄰龍佑街，其邊線距用地紅線3.6 m，用地紅線距排水管道僅2.0 m?；幽媳眱蓚?cè)的建筑物包括高層住宅小區(qū)和寶能中心大型綜合體，距離基坑的距離較遠(yuǎn)?；游恢眉爸苓叚h(huán)境如圖1 所示。

圖1 基坑位置及周邊環(huán)境

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地地處屬南寧盆地邊緣壟狀高丘地貌，場(chǎng)地下伏巖層淺部破碎層厚度變化較大，局部裂隙、巖溶、石芽、石筍發(fā)育，大部分地段破碎巖層多被巖體裂隙及巖溶切割成碎塊狀，裂隙表面則被溶蝕，形成溶蝕裂隙破碎帶?；娱_挖深度范圍內(nèi)北側(cè)巖土層主要有中等風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖和全風(fēng)化泥巖夾層，中等風(fēng)化鈣質(zhì)泥巖屬于水平巖層且無倒轉(zhuǎn)，其余三側(cè)主要巖土層為全風(fēng)化泥巖，局部分布圓礫層及粉砂巖，無順層邊坡等不利情況，總體上側(cè)壁巖土條件較復(fù)雜（見圖2）。

圖2 典型工程地質(zhì)剖面圖

1.3 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地屬于巖溶中等發(fā)育場(chǎng)地，未見滑坡、崩塌、塌陷等不良地質(zhì)作用。溶洞（槽）以豎向發(fā)育為主，局部呈串珠狀發(fā)育，現(xiàn)場(chǎng)鉆探過程中除完整基巖區(qū)段回水鉆進(jìn)返水基本正常外，其余區(qū)段基本無返水。穩(wěn)定水位的高程為72.00～74.59 m，水位平均變化幅度1～3 m?；拥叵滤O(shè)計(jì)水位取75.00 m。

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

2.1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案的確定

綜合場(chǎng)地巖土工程條件、基坑深度和周邊環(huán)境等因素，本工程基坑可以選用的支護(hù)型式有復(fù)合土釘墻支護(hù)、排樁+鋼筋砼內(nèi)支撐支護(hù)、排樁+錨索支護(hù)、雙排樁支護(hù)等。

雙排樁抗側(cè)移剛度遠(yuǎn)大于懸臂樁，對(duì)周邊環(huán)境影響小，在深大基坑中安全可靠性優(yōu)于單排樁，但需要一定的施工場(chǎng)地，本項(xiàng)目場(chǎng)地不具備雙排樁施工條件；排樁+鋼筋砼內(nèi)支撐支護(hù)、排樁+錨桿（索）支護(hù)均具有整體穩(wěn)定性高、控制變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但存在造價(jià)高（綜合單價(jià)分別約1200～1600 元/m2 和600～800 元/m2）、工期長(zhǎng)、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。土釘墻支護(hù)造價(jià)較低（綜合單價(jià)約150～200 元/m2），可有效利用土體的自穩(wěn)能力，工藝簡(jiǎn)單且工期短，對(duì)周圍環(huán)境影響較小[6]，而且基坑開挖深度多在16.0 m 以內(nèi)，基坑側(cè)壁無軟弱巖土層分布，紅線范圍內(nèi)具備一定放坡條件，坑壁地下水水量一般。綜合考慮可行性、經(jīng)濟(jì)性以及安全性等因素，本工程采用復(fù)合土釘墻支護(hù)?；又ёo(hù)平面布置及典型支護(hù)剖面見圖3、圖4。

圖3 基坑支護(hù)平面圖

圖4 典型支護(hù)剖面

2.2 土釘墻支護(hù)設(shè)計(jì)與驗(yàn)算

（1）設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

參照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）[5]，本基坑安全等級(jí)為二級(jí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，整體穩(wěn)定安全系數(shù)為1.3，地面超載按20 kPa 考慮。

（2）支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目工程地質(zhì)、水文地質(zhì)及周邊環(huán)境條件，結(jié)合已有同類工程施工經(jīng)驗(yàn)，本項(xiàng)目基坑選用預(yù)應(yīng)力復(fù)合土釘墻組合支護(hù)為主，局部采用網(wǎng)噴砼放坡支護(hù)；地下水采用坑內(nèi)集水明排進(jìn)行控制，施工過程中局部超深基礎(chǔ)可視水量大小結(jié)合采用降水井進(jìn)行控制?；邮┕けM量選擇在枯水季節(jié)施工至坑底。基坑邊坡傾角 73.3°，土釘（錨索）豎、橫間距均為1.2 m，水平傾角15°。各區(qū)土釘（錨索）設(shè)計(jì)參數(shù)見圖4。需要說明的是，考慮到地質(zhì)情況的差異，圖4（b）第1 道土釘距坡頂距離較大，相關(guān)驗(yàn)算表明現(xiàn)有錨固方式可以滿足邊坡穩(wěn)定性要求。此外，基坑側(cè)壁土質(zhì)較好，可以充分利用上部土體的自穩(wěn)性，也可避免土釘對(duì)后期周邊項(xiàng)目管線埋設(shè)的影響。相應(yīng)地，主要施工技術(shù)流程參照文獻(xiàn)[5,7,8]。

（3）支護(hù)設(shè)計(jì)驗(yàn)算

支護(hù)設(shè)計(jì)主要驗(yàn)算內(nèi)容包括局部穩(wěn)定性驗(yàn)算（土釘承載力）以及基于圓弧滑移破壞的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。采用圓弧滑動(dòng)條分法，假設(shè)最危險(xiǎn)滑移面破壞模式為圓弧滑移破壞，驗(yàn)算后整體滑動(dòng)穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足安全系數(shù)限值1.3 的要求。同時(shí)，根據(jù)土壓力分布和土釘（錨桿）布置計(jì)算出每層土釘（錨桿）的軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值，在此基礎(chǔ)上按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）[5]規(guī)定，驗(yàn)算土釘（錨桿）抗拔安全系數(shù)也滿足設(shè)計(jì)要求。土層物理參數(shù)和土釘墻整體穩(wěn)定安全系數(shù)分別見表1 和表2。

表1 基坑北側(cè)邊坡土層物理參數(shù)

表2 復(fù)合土釘墻的整體穩(wěn)定安全系數(shù)

2.3 基坑變形控制要求

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）[5]，結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)、支護(hù)形式及周邊環(huán)境等確定基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和監(jiān)測(cè)點(diǎn)部位及數(shù)量。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部及深部水平（側(cè)向）位移、地下水位、周邊建筑物與道路以及坑邊地面沉降等。相關(guān)控制指標(biāo)中，出于安全考慮選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目指標(biāo)限值，具體為支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、周圍地面及已有建筑物沉降變形的預(yù)警值為30 mm，控制值為35 mm，變化速率小于5 mm/d。

3 基坑變形智能化監(jiān)測(cè)

近年來，興起的云監(jiān)測(cè)或智能化監(jiān)測(cè)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電子技術(shù)以及其他先進(jìn)技術(shù)的一種綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，前期主要應(yīng)用于地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)控服務(wù)及自動(dòng)預(yù)警，如滑坡、泥石流等自動(dòng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目[9-11]。為實(shí)現(xiàn)深基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息化，提高監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的智能化水平，本工程應(yīng)用智能化監(jiān)測(cè)平臺(tái)和人工監(jiān)測(cè)展開綜合監(jiān)測(cè)。智能化監(jiān)測(cè)主要內(nèi)容有兩點(diǎn)：一是預(yù)警范圍內(nèi)的潛在風(fēng)險(xiǎn)調(diào)控；二是以預(yù)警值為界限、數(shù)據(jù)異常波動(dòng)的動(dòng)態(tài)預(yù)警。與傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)方案相比，具有如下優(yōu)勢(shì)：①低成本且數(shù)據(jù)量大，一次投入，長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)；②高效率，無需人工值守，全天候24 小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不受惡劣天氣影響；③高精度，常規(guī)建筑工程監(jiān)測(cè)誤差為數(shù)毫米，但深基坑環(huán)境變形速率為幾毫米每天，借助智能傳感設(shè)備能確保監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠性。

智能化監(jiān)測(cè)平臺(tái)示意見圖5，主要包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和采集層。首先布置測(cè)點(diǎn)及傳感器并進(jìn)行設(shè)備組網(wǎng)，然后通過監(jiān)測(cè)一體機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)平臺(tái)，進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)整理和分析。特別地，正式監(jiān)測(cè)前應(yīng)進(jìn)行預(yù)警值設(shè)置，平臺(tái)會(huì)將預(yù)警信息通過短信或消息通知預(yù)先設(shè)置的項(xiàng)目預(yù)警接收人，并推送至項(xiàng)目群和APP 客戶端。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目具體點(diǎn)位布置見圖6。本工程坡頂水平位移與地表沉降預(yù)警值均為30 mm，一旦超出預(yù)警值將進(jìn)入處理程序[12]。

圖5 智慧監(jiān)測(cè)平臺(tái)示意圖

3.1 已有建筑沉降

大規(guī)模的深基坑開挖易引起周圍土體應(yīng)力產(chǎn)生變化，造成已有建筑物，特別是高層建筑物出現(xiàn)較大沉降、裂縫和傾斜等現(xiàn)象[13]。本工程設(shè)定變形控制標(biāo)準(zhǔn)為30 mm，結(jié)合變形最大的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)展開分析已有建筑沉降變化規(guī)律。土體剛開挖時(shí)，建筑物沉降變化值很小，并出現(xiàn)負(fù)值，這是重型機(jī)械作業(yè)時(shí)引起的擠土效應(yīng)所造成的輕微隆起現(xiàn)象。而后，基坑開挖深度加大，建筑物開始沉降，數(shù)據(jù)有一定波動(dòng)，但總體保持增大的趨勢(shì)，最大值為2.9 mm，遠(yuǎn)小于沉降變形預(yù)警值30 mm，表明基坑設(shè)計(jì)及施工方案具有可行性，對(duì)周圍地表和建筑物的影響控制在合理范圍內(nèi)。

3.2 坡頂及周邊地表沉降

坡頂和周圍地表沉降曲線如圖7 所示。由圖7（b）可看出，前100 天的地表沉降位移增速較快，這一區(qū)間內(nèi)的累積沉降位移值約為整個(gè)周期累積位移沉降值的95%，主要原因是朗肯主動(dòng)狀態(tài)區(qū)土體被擾動(dòng)，塑性區(qū)滑動(dòng)面增大，土體產(chǎn)生小幅度的塑性流動(dòng)，造成建筑物下沉速度加快[14-15]，但是后期墊層和底板施工完畢之后，支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有一定提高，周圍地表下沉量逐漸趨于穩(wěn)定；基坑開挖階段，地表沉降最大值多發(fā)生在距坡肩水平距離約一倍開挖深度處，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基坑邊距離的增大，除了少數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)異常之外，周圍地表的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降位移值沿x軸的分布基本呈現(xiàn)緩慢降低，所有曲線具有類似的規(guī)律（見圖7（a））。圖7 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，周圍地表最大沉降約為6.8 mm，坡頂沉降約為16.9 mm，均遠(yuǎn)低于預(yù)警值30 mm，表明基坑處于安全狀態(tài)。

圖7 坡頂沉降位移累計(jì)曲線

3.3 坡頂水平位移

基坑北側(cè)坑頂水平位移曲線如圖8 所示，由圖8可以得知，位移隨著基坑開挖逐漸增大，但前期（即第2 排土釘完成前）的增速?zèng)]有明顯變化，說明此時(shí)的位移由上部土釘墻設(shè)計(jì)參數(shù)控制[16]，且效果較理想；前2 排土釘工序完成后，位移較快增長(zhǎng)，變形控制能力下降。為防止位移累計(jì)值或增長(zhǎng)速率超過預(yù)警值，施工中根據(jù)每日水平位移變化速率嚴(yán)格控制基坑的開挖速度，并適時(shí)采取跳倉(cāng)開挖；當(dāng)開挖深度臨近坑底標(biāo)高，位移趨于穩(wěn)定，變幅很小。綜合而言，坑頂水平位移的變化量及速率不僅與設(shè)計(jì)因素相關(guān)，還受周邊環(huán)境以及基坑開挖速度和方式的影響。圖8 中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，坡頂水平位移最大值約為22.5 mm，小于預(yù)警值30 mm，表明土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)可較好地控制坡頂水平位移。

圖8 坡頂水平位移累計(jì)曲線

3.4 深層側(cè)向位移

圖9 為深層側(cè)向位移測(cè)點(diǎn)DW3 的累計(jì)位移監(jiān)測(cè)曲線，可以看出，累計(jì)位移約為25 mm，與坑頂?shù)乃轿灰苹疽恢?；?cè)向位移值隨著開挖深度增大而增大，在前期增速明顯，后期增速明顯降低，臨近開挖結(jié)束，所有數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)前期個(gè)別時(shí)間段的數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常波動(dòng)的現(xiàn)象；不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移值隨開挖深度的增加均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，側(cè)向變形均朝基坑內(nèi)發(fā)展。受土體分布、開挖深度、周圍建筑物荷載及施工荷載等因素的影響，基坑周圍土體中部區(qū)域的橫向變形最大，上部區(qū)域次之，底部區(qū)域變形最小，即曲線呈“鼓脹”型分布；最大側(cè)向位移位于基坑開挖面以上，基坑開挖面以下7 m 附近，其值為25 mm，約為基坑深度的45%。開挖過程雖經(jīng)歷連續(xù)降雨天氣，但側(cè)向位移一直處于合理的范圍內(nèi)，主要原因有兩方面：一是基坑土層弱滲透性，無蠕變的產(chǎn)生；二是變形控制效果較好，并采用了合理降排水措施。

圖9 深層側(cè)向位移曲線（DW3）

4 結(jié)論

（1）針對(duì)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)前提，經(jīng)綜合論證后采用復(fù)合土釘墻方案，設(shè)計(jì)驗(yàn)算和基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明土釘墻方案是成功的。

（2）基坑監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了變形監(jiān)測(cè)的信息化和智能化，為基坑安全和信息化施工提供了保證?；颖O(jiān)測(cè)表明，已有建筑沉降最大值2.9 mm，坡頂和周圍地表沉降最大值分別為16.9 mm 和6.8 mm，坑頂水平位移和深層側(cè)向位移最大值分別為22.5 mm 和25 mm，均未超過變形預(yù)警值。

（3）智能化監(jiān)測(cè)的智能化水平很大程度上取決于數(shù)據(jù)處理水平及預(yù)測(cè)分析，需要技術(shù)人員結(jié)合不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析與整體把控，并嚴(yán)格執(zhí)行巡視檢查、監(jiān)測(cè)管理等工作。