南京长江漫滩区某超大深基坑支护与监测结果分析

2022-01-25李俊才滕晓军高立权

南京工业大学学报(自然科学版) 2022年1期

徐爽,李俊才,2,滕晓军,高立权

(1.南京工业大学交通运输工程学院,江苏南京 210009; 2.南京南大岩土工程技术有限公司,江苏南京 210023; 3.中建八局第三建设有限公司,江苏南京 210046)

随着城市建设的迅速发展,深基坑的规模越来越大,由于基坑工程的复杂性,基坑安全事故时有发生[1-4]。加强支护结构选型及现场监测是保证基坑安全的重要手段,对基坑监测数据进行分析研究,实施信息化施工具有重要意义[5-6]。徐飞等[7]以黄河冲积平原地区某超大深基坑为背景,研究了超大深基坑施工过程中支护结构变形、锚索轴力、地表沉降的变化规律。吴奇等[8]以南京河西某深基坑工程为例,基于监测数据与群井抽水试验,通过数值模拟研究了基坑降水对周边环境的影响。李俊才等[9]以南京市某深基坑工程为背景,分析研究了相同水文地质和施工条件下,不同支护结构变形的时空效应。徐燕[10]通过工程实例分析,结合有限元计算,研究了坑外降水对支护结构变形及周边地面沉降的影响。钱德良等[11]以南京长江漫滩区某深基坑降水工程为例,结合现场监测数据与数值模拟,总结了其在渗流作用下的变形规律。

长江漫滩区地层具有典型的二元结构,上部为软黏性土层与粉砂层互层;下部以砂、砾石层为主,一般为承压含水层,基坑开挖时易产生漏水、漏砂、突涌等事故[12],该地区超大深基坑的支护设计选型至关重要,施工难度较大。本文以南京长江漫滩区某超大深基坑工程为背景,通过对现场实测数据的分析,研究深基坑在开挖过程中支护结构的受力及周边环境的变形规律,探讨支护结构的设计选型要求,以便为该地区类似基坑工程支护设计与施工提供一定参考。

1 工程概况

工程位于南京市江北新区,项目包含一栋22层酒店式公寓,多栋7～12层科研设计楼,一栋3层体育馆、3层裙房及2层满堂地下室。基坑面积约92 000 m2、周长约1 250 m、开挖深度约11.0 m。基坑四周紧邻城市交通道路,最近距离约5 m,路面以下有大量雨污水、通讯、燃气等市政管线。基坑安全等级为一级。

2 水文地质条件

根据勘察揭露、现场测试及室内试验,基坑开挖影响范围内土层分布及主要物理力学指标如表1所示。

表1 土层分布及主要物理力学指标

场地地下水类型主要为孔隙潜水,稳定水位埋深为0.10～2.60 m,赋存于①层填土、② -1层淤泥质粉质黏土、② -2层淤泥质粉质黏土夹粉砂、② -3层粉砂夹粉土中,主要由大气降水和地表水渗入补给,以蒸发方式排泄。承压含水层由③ -1层粉砂、③ -2层粉砂、③ -3层粉细砂及④层中粗砂混卵砾石组成,实测承压水头标高为4.65～5.12 m,主要由长江地下径流补给,排泄以侧向径流为主。

3 基坑支护设计方案

3.1 支护结构选型

基坑开挖面积超大、开挖深度较深,因此本工程重点考虑了施工的便利性与快速性,采用了排桩加3道高压旋喷预应力锚索、钢筋混凝土角撑,基坑中部间隔采用坑底被动区土体深搅桩加固的支护方案。

以基坑北侧为例,中部采用Φ1 000@1 200型(桩直径1 000 mm、桩中心间距1 200 mm,下同)钻孔灌注桩,桩长28.3 m;竖向设置3道高压旋喷预应力锚索,水平间距1.2 m,竖向间距3.0 m,锚索由3根预应力钢绞线组成,锚固段端部1.5 m范围内的扩大头直径≥500 mm,为了有效降低群锚效应[13]的影响,采用锚索倾角15°/20°交错施工,预应力锚索参数见表2。基坑角部采用Φ1 100@1 300型钻孔灌注桩和一层钢筋混凝土角撑作为支护结构,基坑支护结构见图1。

表2 预应力锚索参数

图1 基坑支护结构及监测点平面布置Fig.1 Layout of foundation pit supporting structure and monitoring points

3.2 止水与降水设计

支护桩外侧均采用Φ850@1 200型三轴搅拌桩作为止水帷幕,桩长约26 m。基坑内共布设426口降水井,其中沿“坑中坑”(开挖深度约14.0 m)四周共布设50口降水井,井深26 m,滤管长度约24 m,其余376口降水井在基坑开挖平面内均匀布置,井深22 m,滤管长度约20 m,滤管底部采用5 mm厚钢板封底,滤管与井壁间采用级配良好的绿豆砂进行充填。

3.3 被动区加固设计

为提高被动区土体强度,控制基坑变形,在锚索施工平面范围内采用1排Φ600@500型单管高压旋喷桩与6排Φ850@1 800型三轴搅拌桩进行裙边加固,加固长度约280 m,加固深度7 m,典型支护结构剖面见图2。

图2 典型支护结构剖面图(mm)Fig.2 Typical retaining structure profile (mm)

3.4 土方开挖方式

综合考虑基坑变形控制及施工效率,将基坑分为3个施工区域同步分层、分区开挖。每层土方先开挖四周土体,为锚索提供施工作业面,锚索张拉锁定后,再将各区土方分段开挖至下一层锚索施工作业面。为降低基坑长边效应[14]的影响,基坑南侧、北侧土方开挖至第3层锚索工作面时(开挖深度8.7 m),待锚索施工结束且张拉锁定后,采用分仓方式跳仓开挖最后一层土体,开挖到底后先行施工混凝土垫层和基础底板,待底板强度达到设计要求后,再开挖相邻段预留土台并施工剩余基础底板,具体分仓开挖平面布置见图1。

3.5 施工工况

从基坑土方开挖至地下结构施工完工,共历时约8个月,实际开挖情况可分为5个施工工况,如表3所示。

工况1—3中,待各区高压旋喷预应力锚索达到设计强度且施加预应力完成后,先开挖本区锚索周边范围内的土方,等所有区域锚索施工完成后,再进行大面积土方开挖,各层锚索施工完成时间约15 d。

施工第3层锚索时,基坑东侧、南侧及西侧锚索孔道主要穿过② -3层粉砂夹粉土,基坑北侧锚索孔

表3 施工工况

道主要穿过② -2层淤泥质粉质黏土夹粉砂。锚索施工需打穿基坑外侧止水帷幕,坑外水头压力较大,地下水涌入锚索孔道,出现漏水、漏砂等情况,其中东侧、南侧、西侧及北侧坑角部位漏水、漏砂等情况普遍较严重。锚索孔道内存在的水流易导致注浆不密实,水泥土成型差,锚索抗拉强度得不到充分发挥,影响锚索工作性能[15],遂需采取坑外应急降水措施，保证锚索的正常施工。沿基坑东侧、南侧、西侧及北侧坑角,约每隔10 m布设1口降水井,井深20 m,滤管长度约18 m,将坑外水位降低至-9.7 m。

4 实测数据分析

4.1 支护结构顶部水平位移

图3为支护结构顶部水平位移曲线。由图3可知:开挖初期,各桩顶水平位移增量交错增加,并无明显的空间分布特征；随着开挖深度的增加,水平位移增量也逐渐增大;基础底板施工完成后,水平位移增量逐渐趋于稳定。角撑拆除前(工况5)水平位移增量具有明显的空间分布特征,无论长边还是短边都呈现中间部位大、坑角部位小的特点,离坑角越近，水平位移增量越小,其中D1的水平位移增量为20.4 mm,D9的水平位移增量为28.6 mm,两者有较大的差距,且长边的平均水平位移增量大于短边的平均水平位移增量。由李大鹏等[16]对空间效应的机制分析可知:在坑角部位,由于土拱效应的“屏蔽作用”,坑角周围土压力减小,从而使得支护结构水平位移减小,这种作用效果沿远离坑角方向逐渐减弱。

图3 支护结构顶部水平位移曲线Fig.3 Variation curves of top horizontal displacement of retaining structure

4.2 土体深层水平位移

图4为土体深层水平位移沿深度方向的变化曲线。由图4可知:测点CX27在第3和4层土方开挖期间的水平位移最大值分别增加了9.9和9.2 mm,第4层土方开挖期间最大水平位移增量却小于第3层土方开挖期间的最大水平位移增量,这是因为第3层锚索施工导致基坑漏水、漏砂,因此采取了坑外降水措施,使基坑外侧水、土压力减小,而第4层土方采用了分仓开挖的方式,有利于控制基坑的变形。测点CX6在第3和4层土方开挖期间的水平位移最大值分别增加了10.7和13.4 mm,这是因为基坑北侧漏水、漏砂情况较其他3侧少,坑外降水范围也小,因此对北侧支护结构变形影响较小。

图4 深层水平位移曲线Fig.4 Variation curves of deep horizontal displacement

4.3 坑外地下水位

图5为坑外地下水位随时间变化曲线。由图5可知:第3层锚索施工前(工况3),水位呈逐渐下降趋势但变化幅度较小,水位处于-1.5～0.5 m范围内；第3层锚索施工期间,基坑出现漏水、漏砂,为保证锚索的正常施工,坑外降水至-9.7 m,此阶段水位迅速下降；随着底板的浇筑完成,逐渐停止坑外降水,水位有一定的回升且逐步趋于稳定。

图5 坑外地下水位变化曲线Fig.5 Variation curves of underground water level outside the pit

4.4 道路沉降

图6为道路沉降变化曲线。由图6可知:开挖前期,道路沉降缓慢增大;施工第2层锚索时,道路沉降范围为20～28 mm,报警值为40 mm。道路沉降主要发生在坑外降水期间,为了保证第3层锚索的正常施工,坑外降水至-9.7 m,降水引起土体有效应力增大,从而造成道路在此阶段有较大的沉降。降水期间,测点R30累计沉降达到了209 mm,约占监测期总沉降的86.2%;随着底板的浇筑完成及坑外降水的逐渐停止,道路沉降逐步趋于稳定。

图6 道路沉降变化曲线Fig.6 Variation curves of road settlement

4.5 锚索轴力

图7为锚索轴力变化曲线。由图7可知:第1层锚索轴力普遍大于第2和3层锚索轴力,这是因为第3层锚索施工期间,基坑漏水、漏砂及坑外降水导致锚索注浆不密实,水泥土成型差,锚索强度得不到充分发挥,基坑外侧水、土压力减小。第2层锚索轴力测点(MS2、MS4、MS7)在第3层锚索施工期间测得的轴力与第2层轴力相比，均出现了不同程度的减小,这与文献[17-19]分析所得锚索轴力变化规律一致,即下层锚索预应力的施加会使上层锚索轴力出现一定程度减小。第3层锚索轴力普遍变化幅度较小,且随着底板的浇筑完成,锚索轴力趋于稳定,说明底板对控制基坑变形起到了关键的作用。

图7 锚索轴力变化曲线Fig.7 Variation curves of anchor cable axial force

经统计所有测点监测期内数据可知：第1层锚索轴力变化范围为84.0～299.7 kN,平均值为206.7 kN,该值为设计值的71.3%;第2层锚索轴力变化范围为40.0～237.5 kN,平均值为105.7 kN,该值为设计值的27.4%;第3层锚索轴力变化范围为47.7～181.9 kN,平均值为93.7 kN,该值为设计值的24.3%。监测结果表明:第1层锚索的实测轴力最大值超过了设计值,且实测平均值达到了设计值的71.3%,施工过程中应加强对第1层锚索轴力的监测,防止因锚索轴力过大导致基坑失稳破坏。