温州眼视光医教楼改扩建工程基坑支护设计及监测分析

2021-08-14裴伟伟

工程质量 2021年7期

裴伟伟

（温州设计集团有限公司，浙江温州 325000）

0 引言

随着城市地下空间的开发向深层化、复杂化发展，随之产生的大量基坑工程由于基坑开挖深度大、周边环境敏感复杂而具有极大的难度。特别是城市旧城区临近保护建筑的基坑工程，需要考虑建筑保护、环境保护、场地施工条件等因素。设计方往往通过支护结构与主体结构相结合的逆作法施工工艺以满足有关各方的要求。逆作法采用盖挖法施工，利用首层结构板作为施工平台，利用结构楼板作为支撑体系，支撑刚度大，基坑变形小，并能大幅减少噪声和粉尘的污染，可对周边环境起到有效保护作用［1］。

1 工程概况

温州眼视光医教楼改扩建工程位于温州医科大学学院路校区内，由一幢 22 层的医教楼和 5 层的裙房组成，设置二层地下室，采用桩筏基础，工程桩采用机械钻孔灌注桩。基坑开挖面积约 4 800 m2，底板开挖深度为 10.55 m，局部深坑开挖深度达 13.15 m。根据相关规范［2，3］，本基坑工程安全等级为一级。

1.1 周边环境

工程场地位于温州医科大学校园内，周边环境较为复杂。场地四周分布着河道及各种类型的建筑，具体详见基坑周边环境布置图（见图 1）。其中场地南侧的 7# 楼承担着眼视光医院的住院部功能，业主要求在基坑施工期间不得影响其正常营业。由于该楼建于 1980 年左右，基础和结构形式较差，且经过几十年的使用，局部已出现倾斜及开裂现象。7# 楼基础外边缘与地下室侧壁最近的距离约 6 m，如何保证基坑施工期间的安全和正常使用，成为本基坑设计的一个重点和难点。

图1 基坑周边环境图

1.2 地质条件

本工程基坑开挖影响范围内为典型的温州软土地质，主要由黏土、淤泥、淤泥质黏土、卵石组成，相关土体物理参数指标如表 1 所示。

表1 土体物力参数表

本场地浅层地下水为孔隙性潜水，主要赋存于黏土及淤泥层。地下水以接受大气降水入渗补给为主，蒸发排泄及向下入渗补给深层地下水排泄方式为主。地下水稳定水位埋深一般在 1.20 m 左右。根据地区经验，地下水年变动幅度在 1.00～1.50 m。

2 基坑支护设计

2.1 基坑总体方案设计

本基坑支护工程具有以下特点：

1）基坑开挖深度大，开挖深度 10.55～13.15 m；

2）地质条件复杂，地表以下 33 m 内基本为软弱的淤泥和淤泥质黏土，淤泥含水量大，高压缩性；

3）周边环境复杂，环境保护要求高，尤其是业主对7# 楼的保护要求，是本基坑设计的一个重点和难点；

4）工程施工场地十分狭小，场地周边可用作施工通道和材料加工场的只有场地西侧。

经过多轮经济技术比较，地下室基坑支护最终确定采用逆作法施工工艺。主楼核芯筒采用顺做法施工，其余地下室结构采用逆作法施工。由于采用结构楼板作为水平支撑，支撑体系的平面内刚度大，可有效控制支护结构的变形，减少地下室开挖产生的土体变形对周边环境的影响。地下室顶板作为施工场地以供材料堆放、加工和施工车辆通行，可有效缓解施工场地空间不足的问题。由于土方开挖大部分在地下室顶板下进行以及避免了大量临时支撑的拆除，可以减少施工带来的噪音和粉尘，减少对周边环境尤其是 7# 楼住院部的影响。

逆作法基坑支护方案采用排桩作为挡土构件，排桩外侧采用三轴水泥搅拌桩作为止水帷幕，坑底采用三轴水泥搅拌桩进行加固。地下室结构楼板作为水平支撑体系，利用主体结构的一柱一桩作为竖向支撑体系。

2.2 围护结构设计

排桩采用机械钻孔灌注桩。本基坑开挖深度范围内的影响土层主要为深厚淤泥层，由于在地表以下 33 m左右存在卵石层，为提高基坑整体稳定安全系数和减少土体变形，桩端均进入卵石层，典型剖面如图 2 所示。由于在施工首层板时，第一次土方开挖深度达到 2.1 m，为有效控制基坑变形，保护 7# 楼的安全使用，基坑南侧采用双排桩门式刚架作为支挡结构，双排桩之间采用三轴水泥搅拌桩进行土体加固，南侧剖面如图 3 所示。

图2 一般区域典型基坑支护剖面图（单位：mm）

图3 南侧区域典型基坑支护剖面图（单位：mm）

2.3 水平支撑体系设计

本工程地下室面积不大且工程桩桩端均进入卵石层，为保证开挖期间地下室结构整体刚度及避免增设后浇带可能带来的节点处理难度，经与土建设计单位协商，取消设置后浇带。为提高土方开挖的效率和缩短土方开挖时间，在地下室首层板设置了 3 个出土口，其中主楼核芯筒作为主要的出土口，地下室的南侧设置一个辅助出土口。为满足施工车辆通行和材料堆场、加工场的需要，在地下室首层板设置了施工栈桥板，施工荷载考虑 25 kN/m2。顶板下土方开挖和水平运输采用小型挖土机，垂直运输采用长臂挖机。具体布置如图 4 所示（图中阴影区域为施工栈桥板）。

图4 地下室首层逆作施工阶段平面图

2.4 竖向支承系统设计

逆作施工期间，利用主体结构的一柱一桩作为竖向支撑体系。立柱根据承受的竖向荷载，分别采用由四根 160 mm×14 mm、160 mm×16 mm 和 180 mm×18 mm 等边角钢和缀板拼接而成的格构柱。逆作施工完成后永久立柱外包混凝土形成劲性混凝土柱，临时立柱在地下室结构完成后割除。立柱桩采用直径 700 mm、800 mm 的钻孔灌注桩，在桩顶 6 m 范围内桩径扩大至900 mm。立柱桩桩底持力层为卵石层，有效地提高了立柱桩的承载力并控制了立柱的沉降。

为方便地下室首层板框架梁钢筋的施工，对格构柱与首层梁的连接方式做了技术处理，将格构柱的角钢割至梁底，具体做法如图 5 所示。

图5 格构柱与首层梁板连接节点（单位：mm）

3 基坑监测分析

为了更好地指导地下室土方开挖和施工，保证地下室施工期间基坑及周边建筑物的安全，结合相关规范［4］本工程设置了较多的基坑监测项目，以做到信息化施工。监测项目具体包括深层土体位移、坑外地表沉降及水平位移、立柱桩位移、结构构件轴力、围护桩桩内水平位移、围护桩身钢筋应力、基坑周边地下水位及周边建筑物位移（沉降、倾斜）等。监测时间为 2015 年 01 月12 日至 2016 年 8 月 15 日地下室施工完成且数据稳定后结束。

3.1 深层土体位移监测

本工程共设置 10 个深层土体位移监测点，采用CX-3C型测斜仪监测，监测精度 0.01 mm。各监测点最大位移如表 2 所示，最大深层土体位移为 24.86 mm（CX 5 号点），小于位移报警值 60 mm。各监测点最大位移均发生在基坑开挖到坑底时段，随着地下室底板完成，主体结构向上施工，后期位移有所回弹，如图 6 所示（以 CX 5 号点为例）。

表2 各测斜孔测点数据统计表

图6 CX5 测斜孔位移时间曲线

根据温州地区多年类似项目的监测结果，本工程基坑若采用顺做施工，深层土体位移至少在 60 mm 以上，可见逆作法能有效控制土体位移。

3.2 坑外地表沉降监测

本工程共设置 19 个地表沉降监测点，采用 DSZ 2自动安平水准仪监测，监测精度 ±0.01 mm。各监测点位移如表 3 所示，最大地表沉降位移 15.30 mm（S 1 号点），小于位移报警值 30 mm。根据温州地区多年多年类似项目的监测结果，本工程基坑若采用顺作施工，地表沉降位移至少在 40 mm 以上，可见逆作法能有效控制地表沉降。