复杂周边环境深基坑支护结构设计及监测探究

戚爱玲(中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266061)

0 引言

在项目施工之前都会对基坑周边环境进行认真勘查，然后制定相应的设计方案。地下的管线工程项目数量随着城市的规划改造在不断增多，而大多高层建筑的深基坑位置一般都位于密集的建筑群中，由于所处环境较为复杂，所以要想确保土方挖掘的便利性，不会对周围环境造成破坏，相关单位需要按照科学合理的设计原则，进行深基坑支护结构设计，根据项目工程的实际情况，选取科学合理的施工技术，同时加大基坑施工的监测力度，只有施工与监测两者相结合，严格把控，才能保障工程项目的支护结构的稳定与安全。

1 工程案例

1.1 项目基本情况

本案例是155 m×92 m的长方形高层建筑项目，地处某市区人口密集、交通便利的中心地段，周边的建筑环境比较复杂。其中，该项目地上建筑高度为，占地面积为10 922～4m2，新建面积为50 636 m2，地上连体高楼建筑面积为34 948 m2，地上高度20层、地下两层的建筑总面积为15 792 m2。此外，该建筑项目的深度为13.56 m，周长为315 m，总占地面积达到4 875 m2。该建筑项目处于市中心地段，所以其周边环境较为复杂，地下室周边敷设了各种通讯、污水、燃气等地下管线；该项目周边的交通便利，属于城市的主要交通干道，该地段的地下管线不容被破坏；工程项目周边还有各种综合体商业大厦、基础建筑楼、医院办公大楼等建筑。因此，在实施深基坑支护结构设计时，要全面、充分地考虑到这些影响因素。

1.2 项目施工环境

1.2.1 工程地质条件

该建筑工程项目所处的地质条件可以分成7个层次，且各层地基土又包含每个层不同的亚层结构。而该工程深基坑中涉及的土层结构，则属于淤泥质粉质黏土层。

1.2.2 水文环境

该建筑工程项目所在位置地下水的类型主要以浅层的孔隙潜水为主，其地下水位会随着大气降水的变化而变化，但是水位能控制在1.00～1.50 m范围内。经过测定，该工程地形水位稳定性处在0.60～1.90 m之间，在进行深基坑支护施工时，该工程的持力层是淤泥质粉质黏土层，因为其渗水系数高的特性，所以在挖坑时可加入适量水加快施工进度[1]。

2 深基坑支护结构施工特点及设计原则分析

2.1 施工特点

该工程项目的所属区域有7个层次，相对其他地方复杂一些。由于这些土层成分及功能特性等各有不同，为了避免在深基坑支护施工中不会因土质条件的复杂性而影响支护结构设计的稳定性，施工单位在施工的过程中，可能会遇到一些外界因素而导致的质量问题，因此，必须采取切实有效的施工策略把控施工的各个细节，从而保证工程的顺利开展。第二，该工程项目的基坑深度13 m，甚至部分电梯井深度更深，按照相关标准评定属于深基坑结构，再加上周边各种复杂建筑物，地下敷设的管线等因素，增加了基坑的开挖难度。施工人员要考虑支护结构的平衡性，才能进一步确保其稳定性。第三，该工程的地理位置是城市的中心，其周边是琳琅满目的高楼大厦，而且处于城市的主要交通干道，周边地下敷设了很多市政管线，四周有居民楼、综合商业楼、医院等建筑体，施工的基坑开挖，需要综合考虑到这些因素以及基坑变形问题，避免后期出现问题。第四，该工程项目因其地理位置的特殊性，重要系数较高，根据基准要求规划为一级基坑工程项目。

2.2 设计原则

一个工程项目的首要任务是要有坚实的地基基础，因此，深基坑支护结构的坚实与稳定尤为重要。在选择合理的地基处理方案时，应考虑工程项目所在地及相邻建筑物的地下水位情况；周围有建筑物时，还应考虑相邻建筑物的基础埋深的深度对该工程基础埋深的影响；同时，还应选择科学合理的基础连接方法和施工工序。在施工阶段，一方面要采取措施确保施工内部环境的安全，另外，要尽最大可能地减少因施工带给周边的环境影响。在工程项目设计方案的制定期间，必须确保方案内容能够保证基坑施工的便捷性和效率性，能够在减少工期的基础上最大化降低工程成本，实现利益最大化。

3 支护方案设计要点分析

结合该工程项目深基坑的开挖深度、周长及周围环境等情况，相关设计人员经过与施工技术人员、监理人员以及项目经理的共同协商后，最终确定基坑支护方案设计应按照“二墙合一”设计方案要求来进行，具体如下：

将支护结构设计成厚度为800 mm。地下连续墙结构可作为切实可行的方案。依照基坑结构灵活布设要求，钢筋混凝土具备较强的刚度，因此可在地下连续墙里进行布设，提升整体的刚度。合理选择连接方式，例如，针对建筑的主体结构，则可以选择连接底板边梁、楼层梁柱、楼板等部件。针对地下室的特殊性，可以选择十字钢板用于地下的连续墙结构[2]。地下室相对于地上的空间会比较湿冷，在地下连续墙内部再增加设置一道内衬墙，保证地下室的干燥性，还可以作为排水和集水的主要处理场所，节省地下空间面积。地下连续墙底部所处的位置，其土层特性具备穿透性低、性质较好，连续墙的预埋件容易遭到腐蚀。鉴于此，为了防止这类问题的出现影响到施工质量，可采取如下的措施：在连续墙钢筋笼内敷设一定数量的注浆管，并选择在符合要求的特定压力的作用下均匀注浆，以避免注浆过程对混凝土产生的影响，待注浆完成后，就可以永久密封，不仅解决了预埋件腐蚀问题，还提升了连续墙体的整体承载能力，承载能力的提高意味着稳定性也会提高[3]。

该工程设计方案的优势：一是该工艺技术较为成熟，具有较高的防水能力和挡土能力以及刚度；二是施工周期、稳定性和可靠性都能得到很大程度的提升；三是该支护结构的灵活性较为明显，全面优化设计内容，避免结构出现变形现象；四是该设计方案的运用可以减少钢筋使用量，缩短基坑暴露周期，并且能够为后续基坑开挖施工提供极大的便利条件，提高空间利用率。因此，采用连续墙支护结构是目前众多方案中较为可行的方式。

4 深基坑支护开挖施工的监测点布置方案及相关数据分析

4.1 监测点布置方案

按照该工程项目中深基坑开挖施工技术要求以及相关施工标准要求，布置施工现场基坑监测点，应考虑以下几方面的问题：

4.1.1 坑顶水平方向位移情况监测点布置

一般情况下，按照国家现行规范和相关技术标准要求，针对深基坑坑顶水平方向位移情况的监测点布置，还应严格控制监测点数量及其间距制，不得超过20 m。考虑到该工程项目中基坑周围复杂的环境因素，所以在布置监测点时，就要对监测点数量进行适当增加，并合理缩短节点之间的间距，这样才能更好地对基坑顶部所发生的变形情况进行监测。该工程项目中，将13个间距在8 m左右的水平方向位移的监测点均布置在深基坑冠梁的上部，命名为Wy1-Wy13，其中Wy9-Wy13监测所得的数据将作为主要研究对象。

4.1.2 深基坑桩身变形情况监测点布置

深基坑开挖施工过程中，施工人员要特别注意施工的质量，若稍有不慎，极有可能会出现基坑支护结构位移问题，严重时还会导致基坑周围的土体发生不同程度沉降的现象。为了确保工程的质量，全面考虑到桩身变形情况，避免施工过程中出现的基坑支护结构位移、沉降等问题，在做基坑支护时通常将测斜管放置到各支护桩内。在该工程项目中，基于实际施工情况，施工人员在基坑南边一侧桩中共设置了3根型号为ZB3 -ZBS的测斜管，且各管间距保持在12.5 m范围内。

4.1.3 基坑支护结构中锚索监测点布置

在开挖深基坑的过程中，一旦出现了基坑挖填土体临空的现象，原有土体特别是基坑外围土体的作用力就会随之大幅度降低，且外围土体会逐渐向基坑内移动，会对该工程基础的稳定性和安全性造成直接影响。在该工程中，尤其是深基坑南边一侧出现此现象较为明显。究其原因，主要是因为该部位自带一个高边坡所致。因此，在布置监测点时，要将深基坑南边一侧锚索的拉力作为重点监测目标。为确保所检测数据的最终效果，将ML3-MLS三个锚索拉力计按照12.5 m间距设计，分别安装在基坑南边一侧高边坡附近的锚索上。

4.2 监测数据分析

4.2.1 深基坑坑顶水平位移监测数据分析

图1中的数据是坑顶水平位移监测数据，通过对基坑南侧高边皮监测点一侧监测得到的实际数据。初期开始监测时间段内，深基坑开挖施工工作也开始实施开展，基坑内的土体变化幅度不大，并且由于开挖土量小，挖填土出现临空现象的几率很少，在这种情况下，坑顶水平位移变化的速度就会相对缓慢。但在监测周期达到10天以上时，通过施工过程中监测到的实际数据可得出，坑顶的水平位移开始发生变化，而且支护桩的结构也开始随之发生改变。从图1曲线图可以看到，Wy9、Wy10、Wy11这3个监测点的水平位移速度最快的周期在2016年4月1日至5月18日时间段内。究其原因，主要是因为深基坑开挖施工工作的开始时间早于锚索施工所致。而这3个监测点的水平位移幅度分别达到20 mm、13 mm、6 mm。

而在5月18日以后，这种水平位移情况开始逐渐下降。由此表明，锚索对深基坑南边一侧高边坡顶水平位移变化有着良好的控制作用。随着施工进度的逐步开展，坡顶的水平位移变化在持续增加，尤其在7月9日至17日期间，增加幅度十分明显。相关工作人员通过将Wy10、Wy11监测数据与WY9数据进行对比分析发现，这种情况的诱因主要是深基坑周围环境过于复杂，从而使得周边土体荷载过重，此外基坑在开挖程的中，未能及时对锚索进行支护，也是导致Wy9的位移高于Wy10监测数据变化的重要原因。

图1 Wy9-Wy13坑顶水平位移监测数据

4.2.2 深基坑附近桩身变形数据分析

在该工程深基坑开挖工作持续1个月后，其桩身位移变化的速度始终处于平稳状态，这种情况下，基坑外围土体对支护结构的作用力不大，且开挖施工的速度始终处于可控范围之内。当连续开挖2个月后发现，ZBS监测点开始和最初的位置发生的偏差高达到24 mm的位移，且随着后续工作的进行，其偏差也在不断增大，同时又出现了桩身位移速度以及深基坑周围土体对支护结构的作用力也越来越明显[4]。由于当地气候不稳定，在这时间段内，有几次较大的强降雨天气，使得深基坑南侧一边高边坡的抗剪能力大大降低，这在某种程度上就会促进整个坡体变形情况越来越突出。由于基坑南边一侧高边坡附近的锚索上安装有锚索拉力计，所以即便锚索的张拉力未达到规定强度，也会对桩身变形的现象产生一定的约束作用。

4.2.3 深基坑锚索附近监测数据分析

在该工程深基坑开挖工作实施开展阶段，深基坑南边一侧高边坡附近的锚索拉力也会出现不同程度的变化。根据监测得到的实际数据，在首次测得ML3-ML5数据时，即2016年6月30日至31日，锚索张拉力并未到相应的规定强度。而在二次获得监测数据后，即7月份，锚索张拉力值才出现逐步上升的趋势。由此可见，在监测初期，深基坑开挖速度始终处于平缓状态，并且基坑支护结构的稳定性也与相应的设计要求相吻合。在7月以后，由于基坑开挖速度逐步加快，再加上基坑周围堆载的材料下降，使得深基坑南侧一边高边坡的坡体出现较为明显的偏移现象。当深基坑开挖工作持续到8月21日时，ML3-ML5监测数据已清晰地显示锚索张拉已无任何约束作用。监测人员通过对ML5、ML3以及ML4的拉力测试的结果进行分析对比后发现：深基坑开挖速度和锚索使用寿命的影响成正比；深基坑周围的负载、临空面暴露时间，均为锚索拉力增加的原因。

5 结语

综上所述，通过实际工程案例的分析和平时经验可以证明，在地下连续墙做支护结构对基础结构稳定性有很大提高，能够确保整个工程项目的顺利进行。通过对施工现场监测到的实际数据进行科学的分析对比可得出如下结论：在开挖深基坑过程中，基坑周围土体的载重、临空面暴露时间以及基坑开挖速度等都会对锚索张拉力起到一定的约束作用。因此，只有在施工过程中对该工程深基坑地基进行科学合理的加固处理，在基坑周围外侧相应位置处设置排水沟，这样才能便于基坑开挖，工程项目的整体稳定性和安全性才能得到保证。