大型基坑开挖支护方案设计及施工期稳定性监测研究

2022-07-18赵媛

建筑施工 2022年3期

赵媛

中煤长江基础建设有限公司江苏南京 210046

21世纪以来，随着土地资源愈发紧张，现代建筑越建越高，因此也带来了基坑越挖越深的连锁反应，同时复杂的周边环境也带来更多的不确定因素，支护结构也越来越多样化。现代高楼深基坑的开挖有效开发了地下空间，由于地域和基坑场地、周边环境的不同，使得基坑支护类型的选择也各不相同，国内外专家对此的研究成果也颇为丰富[1-4]。

丁智等[5]对杭州地铁新塘路、景芳路交叉口工程深基坑进行稳定性分析，数据表明深基坑的开挖对地下连续墙等围护结构、基坑地下水位以及周边环境均有不同程度的影响。

尹利洁等[6]综合考虑车站周边环境、工程地质以及水文条件，对兰州地铁雁园路站深基坑进行支护结构稳定性分析，研究发现基坑开挖过程中各段地下连续墙产生不同程度的沉降差，沉降差值过大会影响冠梁及整个内支撑体系的安全。

叶帅华等[7]以兰州市某复杂环境下深大基坑工程为案例，分析基坑开挖过程中基坑变形性状和基坑开挖对邻近建筑的影响，建议设计时应当综合考虑基坑支护结构、基坑周围土体和邻近建筑三者的相互影响。

赵立中等[8]通过观测实时监测数据，结合灰色模糊分析法和回归分析法对基坑支护结构破坏进行预报。

目前研究的主要方向都是支护结构监测稳定性，对基坑开挖分层稳定性分析的研究还较少。本文基于江苏某电力公司基坑支护工程，对基坑开挖前支护结构设计进行分层稳定性分析，同时对整个施工过程中的支护结构进行实时监测，具体研究基坑开挖支护结构的稳定性。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况及周边环境

本工程基坑围护由江苏省某勘测有限公司设计，位于南京市建邺区河西新城科技园内，北邻奥体大街，东邻云台山路，西邻崂山路。该工程地下室为2层，绝对标高8.65 m，面积约22 200 m2，周长约600 m，长约170 m，宽约135 m。

根据相关设计文件，地下室1层底板面标高－7.50 m，地下室2层底板面标高－12.00 m，底板厚800 mm，承台厚1 800 mm，故基坑开挖面标高为－13.90 m。现自然地面为－1.40 m，基坑实际挖深12.50 m。基坑东、西及北侧邻近城市道路，地下管线密集，需考虑有效的支护措施以控制基坑四周道路及地下管线的变形。

1.2 地质条件

该地段的地基岩土上部主要由第四系全新统堆积的人工填土、冲积土层和第四系上更新统冲积土层组成；下部由白垩系上白垩统砂质泥岩组成。按照地基岩土的组成、埋藏条件及其物理力学性状，在本地段勘探深度范围内可将地基岩土划分为11个岩土体单元，依次是①杂填土、②粉质黏土、③淤泥质粉质黏土、④粉质黏土夹粉土、⑤粉土夹粉砂、⑥粉细砂夹粉土、⑦粉细砂、⑧粉细砂、⑨卵石、⑩砂质泥岩、11砂质泥岩。

根据南京地区水文地质普查资料、水文地质试验成果和邻近工程的勘察结果，结合含水层的性质和地下水的埋藏条件，地下水类型主要为上部第四系松散层中的孔隙潜水、孔隙微承压水和深部基岩中的裂隙型潜水（以构造裂隙水为主）。

上部孔隙潜水主要赋存于①层～④层，水位变化主要受地表给排水和大气降水的影响，呈季节性变化，除杂填土外，上部地基土层主要表现为弱透水性；孔隙微承压水主要赋存于⑤层～⑨层，与长江有水力联系。深部的基岩裂隙水主要赋存于⑩层、11层，一般水量较小，埋藏较深，对工程建设基本无影响。

特别要注意的是，基坑开挖深度范围内的土有较厚层的流塑状淤泥质粉质黏土，土质较差，设计时需考虑采用适当的挡土结构，有效控制土方开挖过程中基坑的变位。

2 深基坑支护方案设计

本工程基坑开挖深度较深，荷载效应较大，周边环境对变形控制要求很严格，“桩-撑-锚”组合支护结构可满足上述要求，桩选取钻孔灌注桩，可充分利用其刚度较大的特点，达到变形控制的目的。另外，钻孔灌注桩加止水帷幕施工工艺成熟，施工速度快，施工质量容易得到保证。故本设计推荐采用此工艺。基坑四周围护结构采用φ1 300 mm@1 500 mm的钻孔灌注桩作为挡土结构（图1），根据基坑的平面形状，基坑四周采用边桁架，中部采用对撑的形式。支撑的竖向布置采用2道混凝土支撑。考虑到周边建筑物、道路管线情况及土方开挖量，桩顶冠梁标高为－3.00 m，一道混凝土支撑中心标高设置为－3.40 m。第2层支撑位置综合考虑土方开挖（挖掘机施工净空＞4.0 m）、主体结构施工以及拆撑工况等因素，确定支撑中心标高为－8.40 m。

图1 支护结构平面示意

该支护方案有效地将“排桩内支撑”和“排桩预应力锚杆”这2种支护结构结合在一起，在原有基础上不仅提高了支护结构的抗变形能力，而且加大了基坑的开挖深度。“桩-撑-锚”组合支护结构中，内支撑具有较强的控制变形的能力，预应力锚杆可以为基坑施工提供较大的作业空间，同时具有一定的抵抗变形的能力[9-10]。

3 支护结构稳定性计算及监测数据分析

3.1 稳定性计算条件

1）根据本基坑的周边环境要求及开挖深度确定本工程侧壁安全等级取一级，重要性系数取1.1。

2）坑外迎土面的土压力取主动土压力，开挖面深度以下的土压力按矩形分布取用。坑内开挖面以下背土面的土压力取被动土压力。

3）土的内摩擦角、黏聚力等均采用勘察报告提供的固结快剪指标。根据周边项目抽水试验数据，粉土、粉砂层渗透系数按6.0 m/d取值，并按此参数进行降水井设计。

4）按照朗肯土压力计算理论作为土侧向压力设计的计算依据。计算时不考虑支护结构与土体的摩擦作用，且不对主、被动土压力系数进行调整，仅作为安全储备处理。考虑地下室外墙防水施工作业面，基坑内以地下室外墙线为准外延不小于1.5 m作为基坑支护结构的内边界。

3.2 设计计算结果分析

本工程基坑支护设计的计算，采用北京理正基坑支护结构设计软件F-SPW，严格按照DGJ 32/J—2005《南京地区建筑地基基础设计规范》、JGJ 120—1999《建筑基坑支护技术规程》中的有关基坑支护结构设计要求和标准进行。

基坑第1轮开挖深度至2.5 m，然后加1号支撑，内撑水平间距1.5 m、竖向间距2 m，第2轮开挖至7.5 m，随后加2号支撑，内撑水平间距1.5 m、竖向间距5 m，第3轮开挖至12.5 m，此时开挖位置达基坑底部。在基坑深度10.6 m处增设刚性铰，拆除2号内撑；在基坑深度6.1 m处增设刚性铰，拆除1号内撑。上述工况的土压力、位移、弯矩及剪力均通过理论计算绘制成图，如图2～图6所示。

图2 基坑开挖至2.5 m处及加支撑1受力

图6 拆撑1过程受力

由图2、图3及图4对比分析可知，随着基坑开挖深度的不断增加，土压力也在逐渐增加，整体结构最大位移则体现在不同的土层中。基坑开挖深度为2.5 m时，最大位移发生在1.6 m处，峰值达到5.08 mm；基坑开挖深度为7.5 m时，最大位移发生在5 m处，最大值为11.75 mm；基坑开挖至坑底时，最大位移大约发生在9 m，最大值达到21.24 mm。由上述数据分析可知，随着基坑开挖深度的增加，最大位移位置也在相应变化，但均大约在基坑开挖深度的2/3处。

图3 基坑开挖至7.5 m处及加支撑2受力

图4 基坑开挖至12.5 m处及加刚性铰受力

同样，随着基坑开挖深度的增加，整体结构最大弯矩的数值也在相应增大，产生最大弯矩及最大位移的位置大致一致。从图2～图4中的剪力图可知，最大剪力均发生在排桩支护结构的中下层。可能的原因在于：本工程区别于地下连续墙结构，采用钻孔灌注桩，支护结构整体刚度较大，能有效控制变化量。

由图4、图5所得数据分析可知，基坑开挖完成后，拆撑2时排桩支护整体受力无较大变化，可能的原因在于：基坑开挖至底部以及拆撑2时均设置了刚性铰，增强了结构的整体性。但横向对比拆撑2以及拆撑1结构整体受力图（图5、图6）发现，最大弯矩以及最大剪力位置发生了变化且基坑开挖深度0～10 m变化幅度最大，影响因素可能是拆撑2的过程中，另一支撑受力显著增加，导致整体受力不均匀。

图5 拆撑2及增设刚性铰受力

综合上述工况受力图分析，各工况的位移、弯矩及剪力均在安全范围之内，因此该工程的支护结构设计方案和施工组织方案是可行的，基本满足了支护结构设计稳定性要求。为进一步验证理论计算的真实性及可靠性，在基坑开挖过程中对支护结构及其周围环境进行实时监测，同时分析数据，确保工程的安全进行。

3.3 支护结构及周边环境监测

3.3.1 管线水平位移和竖向位移监测

沿基坑周边共布设22个水平垂直监测点，从第1年9月18日开始监测至第3年6月3日结束，共观测396次。当地下管线变形速率大于3 mm/d、累计位移大于30 mm时，会触发报警，管线水平及竖向位移部分监测结果如图7所示。

图7 22个观测点下管线水平及垂直方向的累计位移量

第2年7月17日至第3年6月3日，周边管线累计最大水平位移在GX22号监测点，位移量为10.8 mm，累计最小位移在GX1号点，位移量为4.1 m，22个观测点的平均累计位移量为8.15 mm，第2年7月29日至第2年8月8日，变形最快，变形速率为0.06 mm/d。

第2年7月17日至第3年6月3日，周边管线垂直方向位移量累计最大沉降在GX6号监测点，沉降量为22.7 mm，累计最小沉降在GX17号点，沉降量为6.1 mm，22个观测点的平均累计沉降量为12.07 mm，第2年7月18日至第2年7月29日，变形最快，变形速率为－0.15 m/d。监测数据表明，基坑开挖对其影响较小，累计变化量和变形速率在允许范围内。

3.3.2 支护结构水平位移和竖向位移监测

沿圈梁顶面共布设30个水平垂直监测点，从第1年12月16日开始监测，至第3年1月13日结束，共观测364次。当支护结构水平变形速率大于3 mm/d、累计位移大于24 mm，支护结构垂直变形速率大于3 mm/d、累计位移大于16 mm时，会触发警报。圈梁水平及竖向位移部分监测结果如图8所示。

由图8水平监测折线图可知：圈梁累计最大水平位移在SP28号点，位移量10.0 mm，累计最小位移在SP17号点，位移量为4.3 mm，30个监测点的平均累计位移量为7.20 mm，第2年4月1日至第2年4月7日，变形最快，平均变形速率为0.23 mm/d。

由图8垂直监测折线图可知：圈梁累计最大垂直位移在SP12号点，沉降量12.4 mm，累计最小位移在SP24号点，沉降量为5.0 mm，30个监测点的平均累计沉降量为7.55 mm，第2年3月15日至第2年3月20日变形最快，变形速率为－0.17 mm/d。监测数据表明，基坑施工对圈梁水平及竖向位移影响较小，累计变化量和变形速率在设计允许范围内。

图8 30个观测点下圈梁水平及垂直方向的累计位移量

3.3.3 深层土体水平侧向位移监测

深层土体水平侧向位移监测结果如图9所示。

图9 15个观测点下深层土体位移累计变化量

由监测数据分析可知，15个监测点累计位移普遍呈现向基坑方向偏移，CX6以及CX12轻微向远离基坑方向偏移，其中观测点CX7累计位移量达到最大值25.301 mm，同时变形速率最大在上部，为1.230 mm/d；观测点CX12累计位移量达到反方向的最大值2.429 mm，和正方向最大值相比，远离基坑方向偏移量相对轻微，变形速率最大在上部，为－0.851 mm/d。由上述数据可知，深层土体水平变形速率未超过3 mm/d，累计位移也未超过40 mm，因此结构处于稳定状态。

3.3.4 支撑轴力监测

共布设36个监测点，第1道支撑从第1年12月14日开始监测，至第2年11月25日结束，共观测346次，第2道支撑从第2年3月9日开始监测，至第2年8月29日结束，共观测229次。

由混凝土支撑轴力折线图（图10、图11）可知：第1道支撑累计最大变形在Z2号断面，变化量为4 751.0 kN，累计最小变形在Z9号断面，变化量为－593.4 kN，19个监测断面的平均累计变化量为2 651.6 kN，第2年11月7日至第2年11月9日，变形最快，变形速率为－554.0 kN/d。至监测结束，由于第2道支撑拆除过程中支撑轴力的不断调整，造成第1道支撑位于基坑西北角轴力变大，第2年8月27日，Z1、Z2、Z3三点监测数据达到报警值并报警，直到西北角支撑全部拆除完毕，该值达报警值并未对基坑支护结构造成破坏。第2道支撑累计最大变形在Z14号断面，变化量为6 180.3 kN，累计最小变形在Z10号断面，变化量为3 263.9 kN，13个监测断面的平均累计变化量为5 050.7 kN。第2年5月26日至第2年6月1日，变形最快，变形速率为192.8 kN/d。