深基坑局部竖向分段式支护结构有效性分析

2021-06-24刘媛媛郭一辰崔宇彤

华北科技学院学报 2021年2期

刘媛媛，郭一辰，苏洁，崔宇彤

(1.华北科技学院建筑工程学院，北京东燕郊 065201；2.北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室，北京 100044)

0 引言

在城市发展建设活动中，基坑深度的不断加深，规模的不断加大，对施工技术和安全的要求也不断提高，加之基坑周边环境的日趋复杂，使基坑施工过程中的风险和事故层出。一旦发生施工事故，及时采取合理的应急补救措施可有效降低事故损失至可接受程度[1-3]。不同于常规基坑支护形式，以应急补救为目的的局部支护措施为了应对不同的事故情况，通常没有固定统一形式，需要基于现场允许条件做非常规的特定设计及施工考虑。结构形式的独特性决定了此类应急补救支护形式几乎无类似经验可借鉴的特点，其安全性及导致的环境影响需要特别关注。目前城市深基坑项目采用的垂直支护形式通常是将钢板桩、地连墙、灌注桩排桩中的一种结构类型进行全深度范围布置[4]。在以往的实际工程中，通常会尽量避免同一剖面上采用两种或两种以上垂直结构形式的分段布置，主要原因是在分段处形成支护刚度的不连续，无法保证支护效果，相关分析研究也基本处于空白状态[5-8]。但此类分段式支护形式在某些无法避免的特殊情况下，能否作为事故之后的局部部位补救措施，需要进一步分析判断。

本文结合某市商务核心区某深基坑工程案例，对作为施工事故发生后的局部补救支护措施的上部支护桩、下部地连墙、横向连接围檩的竖向分段支护形式进行稳定性、结构变形内力及临近环境影响等多方面分析，并结合监测结果及项目完成情况，讨论了竖向分段支护形式作为局部补救措施的有效性，为类似工程提供重要的参考意义。

1 工程概况

本工程位于北京商业核心区，南北西分别为市政道路，东邻商业大楼。本项目总占地面积16，400 m2。本项目塔楼共45层，结构高度约220 m，基坑开挖深度约32 m。根据此项目的地勘报告[9]，在勘探深度范围内，本场区土层可划分为人工堆积层和第四纪沉积层两大类，并按地层岩性，进一步划分为21个大层及亚层。按照自上而下的顺序对各土层的基本特征综述如表1。

表1 地层分布表[9]

根据水文地质勘察和区域水文地质资料以及本场地岩土勘察资料，本场地自然地面下约50 m深度范围内主要分布3组相对含水层，分别为层间水(埋深约-26.0 m)、第一承压水层(埋深约-26.0 m，现已无承压性)及第二承压水(埋深约-28.0 m)。此三层地下水均会对本基坑开挖产生影响，设计与施工中需要考虑。

此项目周边环境比较复杂，尤其是基坑的东侧与北侧。基坑东侧距离4.15 m处为一栋地上16层，地下1层的海关大楼(高度约49 m，基底相对标高约-6.65 m)和一栋地下4层的地下车库(基底相对标高约-20.65 m)。基坑的北侧距离4.0 m处为城市主干道辅路，路面地下埋设大量的燃气、电力、上下水、通讯等管线设施，故在基坑的东侧与北侧需要特别考虑基坑开挖导致临近构筑物的不利影响。为了尽量控制由于开挖引起的地层变形，基坑东侧与北侧均采用抗弯刚度较大的厚800 mm地连墙作为支护结构，如图1(a)。地连墙除作为挡土结构外，同时兼具止水功能，另加8道预应力锚杆，如图1(b)。

图1 基坑原方案

2 施工事故背景、过程及补救替代措施

地连墙施工过程如下：在地面上沿着定位的轴线，在泥浆护壁条件下，用成槽机开挖出一条狭长的深槽，对深槽进行清空后，将制作好的矩形钢筋笼吊放入槽内，最后采用水下浇筑混凝土的方式完成地连墙墙体的浇筑，形成一个单元的槽段。如此依段施工完成每一个槽段，相邻槽段间进行防水加固措施，最终形成一道连续的钢筋混凝土墙壁。地连墙施工设备较复杂，施工过程中难免发生各种类型的意外事故[10]。

本项目施工事故位于基坑东边线，如图1(a)。当时地连墙在地表施工，成槽机在抓B3-15号槽段至37 m深，抓斗在提升过程中至25 m深度处被侧壁掉落的直径较大的卵石卡住，经过各种提拽措施未果，最终卡在顶部距地表26 m，底部距地表32 m的位置，无法提升及下降。B3-16号槽段在此之前已经抓槽至槽底42 m。抓斗被卡位置如图2所示，造成B3-15与B3-16号槽段原设计地连墙无法继续施工完成，支护结构需要内移避开抓斗障碍。

图2 抓斗被卡位置示意图

为了解决此突发情况，支护结构形式进行紧急替换措施，将该处两槽段下部原有地连墙位置向坑内方向距离800 mm，采用“800 mm厚连续墙和4根锚杆”支护；上部在原有地连墙位置布置支护桩，采用“800 mm直径咬合支护桩和5根锚杆”支护，如图3所示。此竖向分段支护形式的挡土效果主要取决于上部支护桩及下部地连墙在横向连接围檩的连接下是否可以整体共同发挥作用，具有相当的风险，需要进行详细的结构受力和基坑稳定性及变形分析。

图3 竖向分段式支护方案示意图

3 竖向分段式支护结构的数值分析

由于本方案中支护剖面结构形式比较复杂，常规岩土工程软件不能很好的模拟这些工况，现选用岩土工程通用有限元软件Plaxis 2D AE对该剖面现状以及后续施工工况进行模拟。PLAXIS 2D AE程序是由荷兰PLAXISB.V.公司推出的功能强大的通用岩土有限元计算软件，现在已广泛应用于各种复杂岩土工程项目的有限元分析中[11]。

3.1 数值分析模型建立

所建立的数值模型边界的宽和深分别为250 m、100 m。模型底部固定约束，顶部设置自由边界，侧面约束水平位移。根据北京地区地质情况以及本项目可能产生的变形量级等特点，模型采用小应变硬化土模型(HS-Small model)对原状土进行模拟；对原海关大楼基坑影响范围内的回填土采用摩尔-库仑模型(M-C model)进行模拟；支护结构及临近建筑结构材料假设为线弹性材料；临近建筑结构的荷载简化为线荷载直接施加于结构底板处。所建成的初始状态模型如图4所示。

图4 模型的初始状态

对此支护部位的模拟分析，考虑相比后续拆撑过程，开挖过程所引发的基坑稳定及地层变形更为关键，并且可获得的现场监测数据仅为开挖阶段，故本文中数值模拟只针对开挖过程展开具体分析。按照实际施工顺序，分为包含初始状态在内的开挖过程中二十四个工况进行模拟分析，见表2。其中四个关键工况的模型如图5(a)～(d)所示。

表2 模型分布施工计算工况

续表

图5 基坑开挖关键工况模型

3.2 模型分析结果

(1) 支护结构水平位移

图6为各关键工况条件下的支护结构水平位移结果。左侧图为上部支护桩体的水平位移，右侧图为下部地连墙体的水平位移。计算结果显示，外侧支护桩的顶部在施工完第1道锚杆后的开挖过程中，始终表现为向坑外的水平变形，向坑外最大变形值为11.28 mm；而外侧支护桩的下部及内侧地连墙，均为向坑内的水平变形，向坑内最大变形值为11.86 mm。依据以往工程经验，对此剖面支护体系水平位移设定的预警值与控制值为预警值为24 mm，控制值为30 mm。可见，模型分析所得开挖过程中最大水平变形值满足变形要求。

图6 支护结构水平位移分析结果

图6 支护结构水平位移分析结果(续)

对支护结构内力分析包括三部分，上部的外侧支护桩、下部的内侧地连墙、及两者之间设置在内侧地连墙墙顶的围檩结构。计算模型分析结果，按规范规定，在计算构件内力的标准值基础上乘以1.25×1.1得到对应的内力设计值。在所有验算工况中，各部分结构的最大弯矩、最大剪力的标准值、设计值，以及各结构的承载力设计值，如表3所列。结果显示，除支护桩最大剪力设计值(498 kN/m)略大于支护结构构件承载力设计值(496 kN/m)外，内力均在承载力设计值之内，支护结构构件承载力基本满足要求。

表3 模型计算内力结果与承载力对比

(2) 对临近建筑影响

海关大楼基底在现状工况下的沉降如图7所示。可以看出，在当前工况下，海关大楼基底的累积附加沉降在靠近基坑边的区域较大，在远离基坑位置较小，最大累积附加沉降为8.8 mm，最小累积附加沉降为2.0 mm。可以判断，基坑开挖至基底过程中，下海关大楼的基底附加变形对海关大楼整体倾斜方面无重大不利影响。

图7 基坑开挖导致临近海关大楼基底累积附加沉降

4 现场监测分析及安全性评价

如图8，项目现场进行了竖向分段式支护结构的施工，并进行必要的现场监测，获得的监测数据时间跨度从地面开挖至下部地连墙内部留有高度4.5 m土台的状态，即工况二十所代表的状态。在此剖面第1道至第6道锚杆位置布设有深层水平位移监测点，监测深度范围为22 m；另外设置了锚杆轴力监测点。

图8 支护结构现场照片

4.1 支护结构水平位移监测结果

图9显示第一至第六道锚杆位置处的水平位移监测数据随时间的变化过程。从监测初期开始，第一道至第三道锚杆标高处的水平变形在监测初期基本为正，即为向坑内的位移，在第八道锚杆施工开始持续变小，出现负值，即出现向坑外的水平位移，并维持至基坑内塔楼结构施工，其后负值开始持续减小，即开始向坑内变形。截止至监测最终日期，第三道锚杆标高以下的支护桩体的水平变形已为正值，即为向坑内的水平位移，而桩顶至第二道锚杆之间的支护桩体的水平变形依旧为负值，即为向坑外的水平位移。对比此项目的预警值和控制值可知，所发生的位移均在可接受的安全范围内。

图9 支护结构实测水平位移与时间关系图

开挖至地连墙内侧局部土台状态(即模拟工况二十)时，将支护结构水平位移实测值、模型预测值及预警值/控制值进行对比，大小关系如图10。可看出，数值分析结果与实测数据在深度方向上分布趋势具有一定的一致性，最大的坑内水平位移发生17 m深度处，数值约8 mm，满足设定的24/30 mm预警/控制值的变形要求。

图10 水平位移的实测数据、模型计算值与限值对比

4.2 锚杆轴力监测结果

轴力监测包含第一至第六道锚杆。监测期间，所有锚杆轴力均持续增加，其中第一道及第五道锚杆的轴力较大。截止至监测结束之时，锚杆的轴力基本趋于稳定，但数值略有增大趋势，尤其是第一道及第五道，如图11所示。后续施工中需关注此部位的轴力变化情况。将模型计算预测值、实测值、与锚杆杆体的抗拉强度设计值及周围土层提供的承载力特征值进行对比，如图12所示。相比模型计算值，实测锚杆轴力数值较大，但均小于承载力及强度的限值，可视为目前满足安全要求。但第一道锚杆的轴力已很接近锚杆杆体的抗拉强度设计值，在后续施工过程中需要特别注意。

图11 锚杆轴力随时间变化曲线

图12 锚杆轴力的实测数据、模型计算值与限值对比

4.3 施工安全性评估

通过对支护结构水平位移及锚杆轴力的现场监测，可知整个开挖至基底阶段，竖向分段式结构的水平位移、内力及锚杆内力均在可接受的预测范围内。而且，截止至本文编写之时，此项目的基坑支护开挖及地下室结构均已顺利完工，建成结构已投入使用。另外，施工过程中，未收到任何来自临近建筑因此项目施工导致受损的通知，视为该临近建筑物并未受到任何不可接受的不利影响。因此，通过施工监测和项目完成情况，可知本项目由于抓斗掉落事故导致局部原常规支护方案无法施工的条件下，采用竖向分段式结构支护形式作为局部特殊补救替代措施，效果比较理想。