SMW工法支护软土深基坑施工对周边环境影响监测

2019-05-17苏昭剑

福建建筑 2019年4期

苏昭剑

(福建省建筑设计研究院有限公司福建福州 350001)

0 引言

在城市复杂密集地带进行深基坑开挖施工，不仅要考虑基坑围护结构本身的变形和稳定，还要考虑其对周边环境(既有建筑物、道路、地下管线等)的不利影响[1]。在众多基坑支护技术中，SMW(Soil Mixing Wall)工法支护在软土深基坑工程中的得到广泛地应用[2]。对SMW工法支护深基坑开挖施工对周边环境的影响进行分析与研究，总结基坑工程实践经验，分析基坑工程事故与险情产生的原因，对于改进与完善SMW工法支护技术，使SMW工法支护结构在各种不利、复杂的工程地质条件下和对变形要求严格的基坑周边环境下发挥作用，都具有十分重要的意义[3]。

基于此，本文运用科学的监测方法，对背景工程基坑开挖施工过程实施跟踪监测，收集整理受影响的周边环境的监测数据；分析基坑开挖对周边敏感环境造成的影响：结合基坑开挖深度与实际工况，分析重点环境区域监测数据(桩顶水平位移、深层土体水平位移、邻近建筑物沉降、道路沉降等监测值)的变化规律与变化趋势[4-11]。

1 工程概况

1.1 场地周边环境

本文研究的基坑工程实例，位于福州市鼓楼区，场地东侧距离基坑10m左右为单位宿舍楼(浅基础)。地下室为2层，开挖深度约为10m，基坑面积约为11 000m2。

1.2 水文地质条件

根据建设单位提供的《福州市某项目岩土工程勘查报告》，场地内基坑开挖深度影响范围内的主要土层如下：

①杂填土，厚度为3.50m～6.10m；

②淤泥，厚度为3.50m～14.30m；

②-1淤泥质土，厚度为1.70m～5.30m；

③(含泥)粉砂，厚度为2.90m～15.10m；

④粉质粘土，厚度为1.20m～3.60m；

⑤(含泥)粗中砂，未揭穿，揭示厚度为8.00m～12.30m。

基坑开挖深度影响范围内的水文条件为：场地内含水层主要为③(含泥)粉砂及⑤(含泥)粗中砂中的孔隙承压水水位标高约3.73m，渗透系数Km=10.23m/d。勘察期间测得的钻孔稳定水位埋深约为2.50m，工程地质典型剖面如图1所示，土层物理参数如表1所示。

图1 工程地质剖面图

表1 土层物理参数表

2 基坑支护设计方案

基坑支护结构为单排SMW工法桩+两道混凝土支撑组成的结构体系。SMW工法三轴搅拌桩截面为Φ850@600，桩长为25m，所采用的型钢截面尺寸为H700×300×13×24，如图2所示。第一道支撑底面标高是-3.20m，第二道支撑底面标高是-7.2m。构件尺寸：冠梁为GL1200×800，腰梁为YL1200×800，支撑为ZL1000×800，连梁为LL800×800。

基坑内沿围护墙周边土体，采用Φ850@700三轴搅拌桩加固，桩长4m,加固范围宽6m。基坑支护剖面图如图3所示，支撑平面布置图如图4所示。

图2 三轴搅拌桩截面图

图3 基坑支护剖面图

图4 基坑支撑平面布置与监测测点布置图

2.1 基坑降水设计方案

(1)为保证地下室与基坑的正常施工，地下水位须降至承台垫层底以下0.5m。该背景工程采用管井降水法，水位降深S为8.0m。基坑内设置降水井54口，井底标高为基坑底以下18m，抽水流量为35t/h。管井采用焊接管，管径325mm，壁厚5mm。共布设19口回灌井，井距6m，距SMW桩边距离大于5m，根据现场施工情况进行回灌水。

(2)基坑顶周围地面设截水沟，坡角设临时小排水沟；基坑底四角及各边按20m～40m间距挖一直径800mm、深500mm集水井，集水井中的地下水由水泵抽到基坑顶截水沟，最后排入下水道中。

2.2 基坑监测方案

基坑开挖过程监测是基坑风险控制中必不可少的项目。通过对开挖过程中的基坑及其周边环境的监测，直观反映基坑本身的风险以及对周边环境的影响。然后，借助信息化手段可以对基坑周边风险的演变进行连续监测，出现险情后立即向相关责任人报警，及时采取应急措施，确保工程顺利推进。基坑开挖过程监测主要目的是：

(1)及时向参建各方反馈基坑安全状态；

(2)通过对基坑本身及周边环境的监测，及时向参建各方反馈支护结构的变形、受力状态，以及基坑周边建筑、管线等安全状态；

(3)评估基坑设计方案、基坑开挖方案的合理性。

2.2.1监测内容

根据相关规范，背景工程的基坑保护等级为一级。结合项目实际情况，该项目基坑开挖过程主要的监测内容：

(1)深层水平位移(测斜)

要想充分了解基坑在开挖过程中周边土体对围护结构的影响，应进行深层水平位移监测。挖出基坑内的土体后，基坑外土体发生变形。如果深层水平位移值太大，基坑结构以及周边环境的安全都会受到影响。

(2)基坑周边建筑物、周边围墙、周边道路及基坑立柱沉降观测。

随着基坑开挖卸载，土体应力释放后，围护结构的变形、地下水位变化都可能引起基坑周边建筑物、周边围墙、周边道路及基坑立柱沉降。

(3)基坑围护桩顶水平位移

坑内土体被逐渐挖掉后，围护桩墙将向坑内发生侧移，如果位移过大围护墙将发生失稳，酿成重大安全事故。测斜值可以与桩顶水平位移值相比对，验证监测数据的准确度。

(4)混凝土内支撑内力

随着基坑开挖，混凝土内支撑内力将不断变化，当其所承受的荷载超过设计允许值时，将会导致基坑支撑体系失效，引发安全事故。

(5)地下水位观测

地下水对基坑变形及周边环境的沉降有影响，对于承压水位较高的情况，需要降低承压水位。对基坑周边水位观测，可以及时了解基坑周边水位变化情况，监测值超预警值时及时应对，保证周边建筑的安全。

(6)周边建筑物倾斜度观测

通过对邻近基坑建筑的倾斜度进行观测，了解基坑施工过程对周边建筑的影响情况。

2.2.2监测点的布置

基坑工程监测点的布置必须能反映监测对象的实际状态及其变化趋势，监测点应布置在具有变形关键特征点上，在满足监控要求的前提条件下，还要保证不影响正常施工。所有的监测点要做好明显标记，并做好保护，避免施工过程被破坏，从而保障监测数据的连续性并能及时准确地获得监测数据。基此，该工程基坑东侧局部区域邻近建筑沉降监测点位布置图如图5所示，基坑监测的测点布置图如图4所示。

图5 基坑东侧局部区域邻近建筑沉降监测点位布置图

2.2.3监测频率

施工监测项目的起始值在制定施工流程前明确，单个监测位置的观测应至少采集3次，并选取3次的均值。在基坑开挖阶段，应保证搅拌桩顶部的水平位移值监测频率每天1次，其余类型监测频率按以下标准执行：

基坑开挖深度应低于5m，且监测频率应控制在2天1次；开挖深度在5m～10m，监测频率应控制在1天1次；基坑深度大于10m，监测频率应控制在2天1次。基坑的底板浇筑之后7天内，监测频率为每天1次；在1～2周时间内，监测项目的监测频率值应设定为每2天1次；在2至4周内，监测频率为每3天1次；超过4周以上，监测频率应控制在每5天1次。

2.3 主要监测结果分析

2.3.1围护桩顶水平位移分析

本文背景工程采用的是SMW工法桩配合混凝土内支撑相结合的基坑围护形。该工程沿支护结构边缘共布置了18个水平位移观测点(S1～S18)，测点布置图如图5所示。观测时间为2014年5月14日至2014年11月24日。在此期间，围护桩顶水平累计位移最大值为8mm，测点编号为S13，未超出设计警戒值(10mm)，满足设计要求。本文选取S16、S17、S18测点作分析，将水平位移绘制成时程曲线，如图6所示。

分析结论：

(1)S16、S17、S18测点分别位于基坑长边的靠边、半中间、正中间位置。S16测点由于位于基坑角部，其桩顶水平累计位移值为3mm，明显小于位于中部的S17、S18测点的桩顶水平累计位移值(6mm)。由此可见，基坑长边中部是较薄弱位置，其监测数据对支护结构变形起到控制作用。

(2)5月14日至6月10日期间，S16、S17、S18测点桩顶水平累计位移值均为零；6月11日至7月20日期间，桩顶水平位移值逐步增加，随着开挖土压力释放完成，第二道支撑的形成，桩顶水平位移趋于稳定。此见，围护桩、冠梁、支撑形成的支护结构体系，对抑制桩顶水平变形起着很好的协调作用。

2.3.2深层土体水平位移分析

从深层土体水平位移监测值的变化，能推断开挖对基坑开挖周边环境造成的的影响。深层土体的水平位移通过侧斜管进行监测，在前文中已经论述了侧斜管的安装方法及测量原理，这里不再赘述。该工程共设置了18个测斜监测点，测点编号为C1～C18，测点的平面布置图如图4所示，采用专用的测斜仪对土体深层水平位移值进行测量。测量值显示，在基坑开挖过程中，深层土体最大水平位移为20.96mm，出现在测点C16测斜孔-9.0m位置处，均未达到设计警戒值(50mm)，满足设计要求。本文选取C10这个测点在不同时间段中的测斜情况进行分析，监测数据如图7所示。

图7 C10监测点深层水平位移过程图

分析结论：

C10监测点处于基坑支护结构外边缘，地理位置靠近海潮东路南侧。分析图7中C10监测点监测数据可以看出，随着土体开挖加深，各个深度的位移在明显增大。最大位移约为18mm，其深度位置出现在支护结构顶部以下5m附近，而不是出现在支护结构顶部，这说明基坑支撑结构起到限制围护墙变形的作用。

2.3.3周边道路沉降分析

在基坑北侧海潮路共设置20个测点，观测基坑周边道路沉降情况(图4)。观测时间：2014.5.14～2014.11.17。其中，最大累计沉降量为19.6mm(D6点)，未达到预警值25mm，满足设计要求。本文选取测点D8～D20共13个监测数据进行分析，沉降过程曲线图如图8所示。

图8 基坑周边道路沉降过程曲线图(D8～D20)

分析结论：

从图8可以看出，5月中旬基坑挖土开始，随着开挖加深各测点沉降量逐渐加大，6月中旬至7月中旬期间(开挖第一道支撑至坑底之间土层)沉降速率较大。而后地下室底板完成后，沉降速率趋于平衡，最终沉降趋于稳定。

2.3.4基坑地下水位分析

该工程沿着支护墙外边缘设置18个观测孔(W1～W18)，孔深为14m，观测时间：2014.5.14～2014.11.3。本文选取W1～W7共7个观测孔水位监测数据进行分析。地下水位变化过程曲线如图9所示。

图9 基坑地下水位变化过程曲线

从图9地下水位变化过程曲线可以看出，5月中旬至10月中旬，实施管井降水期间水位总体呈下降趋势；7月中旬采取回灌水措施后，水位短暂回升，而后进入平缓下降状态，最终趋于稳定。

2.4 邻近建筑沉降原因分析

2.4.1沉降监测结果分析

该项目三倍挖深范围内的重要建筑物主要集中在东侧，因此，对东侧宿舍楼进行基坑开挖过程中的沉降监测，共布置了沉降观测点33个，监测点布置图如图5所示。在施工过程中，F5、F19、F20 3个测点被破坏，因此没有监测数据。观测时间：2014.2.18～2014.10.24。最大沉降值发生在F28点，沉降值为28.25mm。共有11个观测点沉降量超过设计预警值10mm。

本文选取F31、F32、F33等3个测点进行分析，将监测数据绘制成沉降时程曲线，如图10所示。

图10 基坑边邻近建筑物沉降时程曲线(测点F31～F33)

对照基坑开挖施工进度，分析以上监测图表数据，可以得出以下结论。

(1)30个沉降监测点(不含F5、F19、F20)随基坑开挖加深沉降量逐渐变大，曲线变化趋势大致相同；随时间推移，沉降速率变缓，最终沉降趋于稳定。

(2)3月10日开始基坑降水后，累计沉降值F31为16mm、F32为5mm、F33为14mm，开挖前的这一阶段的沉降仅是由于降水引起的；从开挖至第一道支撑形成(5月20日至7月9日左右)，各监测点沉降速率进入一个稳定阶段；第二道支撑形成后(7月10日左右)，各监测点沉降先是得到抑制并回弹，而后进入缓慢而平稳沉降阶段。

(3)共有11个监测点累计沉降量达到10mm以上，超过监测预警值，施工单位调整基坑降水量，沉降得到控制。累计沉降最大的监测点F28(累计沉降量为28.25mm)，不是靠基坑边最近的监测点；但是这30个测点累计沉降量的总体分布情况是距离基坑边越远累计沉降量越小。

2.4.2沉降量超预警值原因分析

(1)基坑降水引起邻近建筑物(水产局宿舍)沉降。基坑开挖施工前20d，施工方按基坑降水设计要求，在基坑内设置54口降水井，从坑底以下18m用水泵抽取地下水。按设计要求水位应降至基坑底以下0.5m。从图10可以看出3月15日左右F31、F32、F33观测点下降速率突然增大，此时坑内尚未开始挖土。因此，可以推断出这一期间的邻近建筑沉降是由于坑内降水引起的。

(2)基坑开挖后，坑内土压力卸载，产生不平衡力，东侧围护墙及坑外土体向坑内开挖区方向移动，引起坑外地面沉降，从而引起东侧邻近建筑物沉降。分析东侧深层水平位移观测点C7观测值可以发现，其最大水平位移发生在8m～9m深度附近，如图11所示。可以推断，东侧C7点附近围护墙水平位移也发生在8m～9m深度附近，即第二道支撑梁以下。因此，可以通过加固坑内围护墙周边附近土体，抑制围护墙的侧向变形，从而控制东侧周边邻近建筑物的沉降。