西北地区某基坑凸边大变形险情加固处理分析★

刘一俊，张 勇，孙志虎，魏永孝，郭 斌

(1.甘肃中建市政工程勘察设计研究院有限公司,甘肃 兰州 730000; 2.中国市政工程西北设计研究院有限公司,甘肃 兰州 730000)

0 引言

随着中国城镇化发展的不断深入以及政府对城市更新的政策转变,城市基建内容重心也从以往房建工程逐渐转向市政民生工程,进而衍生出更多具有特殊性、复杂性的基坑支护工程。在新建市政工程中基坑支护作为保驾护航的角色也将面临更多的问题与挑战。不同的基坑有其独有的特性,施工过程中场地复杂性、地下水季节性影响、地下水承压特性、基坑流土管涌、基坑超挖施工等因素[1],均可能让基坑陷入险情,如何有效地把控基坑现存问题,选取适宜的处理办法,控制基坑变形发展,及时消除基坑安全隐患,避免安全生产事故发生,成为了行业发展所面对的难题。

本文描述了某一基坑大变形抢险控制过程,在支护结构性能不明的情况下,对其状态进行分析并采取相应加固措施,结合后续监测数据表明,该加固方案实际效果良好,有效控制了支护变形发展,为基坑类似险情处理提供了宝贵经验。

1 工程概况

渭南某水厂新建沉淀池基坑平面尺寸约110 m×38 m,基坑整体开挖深度约6.6 m～10.1 m;内部坑中坑距基坑边线约4 m～6 m,深度约1.7 m;距基坑西侧约10 m,为既有运行中的水处理反应池,池深约4.5 m。基坑深度6.6 m区间主要为悬臂桩、放坡支护,基坑深度10.1 m区间为桩锚单支点支护体系,地下水位距地表11 m～12 m。

场地地层自上而下分别为:①-1素填土,黄褐色,湿,中密—密实状态,土质较均匀;①-2杂填土,杂色,松散,土质不均匀;②粉土,黄褐色,湿,密实状态,土质较均匀,夹带少量粉质黏土,层顶埋深4.5 m～6.5 m;③中砂,浅黄色—青灰色,饱和,密实状态,层顶埋深11.5 m～12.6 m;④粉质黏土,青灰色—灰色,可塑状态,土质较均匀,层顶埋深18.0 m～20.7 m。

6月份渭南地区开始进入雨季,基坑开挖过程中坑底土体含水量较大,现场采用轻型井点处理,此时基坑已开挖至二级坑底,深度约10 m处。进入7月份渭南地区受连续暴雨天气影响,地下水位变幅较大,现场轻型井点水位控制效果稳定在基底10 m处。基坑局部需开挖两个5.4 m×13 m×1.7 m坑中坑,并先期进行了旋喷桩加固施工,桩径550 mm,咬合100 mm,桩长3 m。开挖坑中坑时,坑内连续抽水直排,土体颗粒流失较多,现场桩锚支护区间凸出区域坑底侧壁形成约0.5 m～1 m宽,1 m～2 m高空洞,同时坑底伴随有流土现象。

2021年8月初某日凌晨,沉淀池二级基坑桩锚支护区间凸出区域冠梁水平位移快速发展超过70 mm,远超预警值,现场随即采取土体反压措施,并停止坑内人员施工。

2 基坑加固及降水方案

隔日赴现场,基底反压已基本完成,反压土宽度约6 m,高约3 m。基坑大变形发生在G-H段基坑凸出区域(见图1),现场监测数据显示坑顶冠梁水平位移最大值约为83 mm,桩体深层水平位移、锚索应力数据不详,现场水位在基底附近,局部位置有涌水承压现象。

在支护体系受力情况不易判断的条件下,基坑采取强加固、强控水的思路。确定了先注浆补侧壁空洞,后降水施工与锚索强加固同时进行,待地下水位控制完成后再开挖的方案。

地下水控制措施:在二级基坑内设6口降水井,基底以下土层自上而下为:②粉土,层顶埋深4.5 m～6.5 m;③中砂,层顶埋深11.5 m～12.6 m;④粉质黏土,层顶埋深18.0 m～20.7 m。降水井穿过砂层进入下部粉质黏土层不小于1.5 m,成井直径800 mm。

锚索强加固措施:首先将基坑底部侧壁空洞注浆填实,然后在大变形区间的现有锚索以上1.3 m、以下3.2 m各增设一道高压旋喷锚索;新增上部锚索长度20 m,锚固段长14 m,锚固体直径300 mm,扩大端直径550 mm,预加力350 kN,水平间距1.5 m;新增下部锚索长度16 m,锚固段长11 m,锚固体直径300 mm,扩大端直径550 mm,预加力150 kN,水平间距1.5 m(见图2)。

3 基坑加固方案计算分析

基坑采用锚索强加固、上部土体卸荷、地下水强控制的综合方案。地下水位控制在基底以下1 m,场地土体岩土参数见表1,采用理正深基坑软件对基坑加固方案进行分析计算。

表1 基坑支护岩土参数

原基坑支护体系为单支点支护[2],其水平位移在坑顶处于最大状态,最大值约16 mm。不考虑锚索作用,支护体系按悬臂考虑,支护结构最大水平位移约78 mm。根据现场实际数据,险情区域基坑顶冠梁水平位移最大值约为83 mm,桩体深层水平位移、锚索应力数据缺乏,此时基坑、锚索实际工作性能判定困难。故本次强加固措施,不考虑原有锚索工作状态,假定其已失效。加固锚索施加后,其计算结果与悬臂状态比较[3],支护后续预期位移变化量约3 mm～5 mm。基坑支护变形图见图3。

4 基坑发展状态与加固效果分析

本基坑凸边险情区域范围内,在冠梁顶部设有4个水平竖向位移监测点,邻近SBR反应池设有4个建筑物沉降监测点,对加固锚索增设了应力监测点。基坑土体反压前,坑顶最大位移约83 mm,土体反压完成后,支护结构顶部水平位移约77 mm,2 d时间支护顶部往坑外回退约5 mm。坑顶土体卸荷施工完成后,支护结构顶部位移状态基本稳定,顶部水平位移约85 mm。现场对第一道加固锚索预应力张拉工程中,坑顶位移有略微回退的现象。第一道锚索施工完成时,现场地下水位已控制在基底以下1.5 m,反压土挖除后,施工第二道加固锚索时,支护结构坑顶水平位移基本稳定在87 mm～90 mm。加固锚索施工完成后,险情区域基坑顶部水平位移约90 mm～93 mm,邻近SBR反应池沉降约1 mm～5 mm。项目主体结构封顶,进入内部安装阶段后,基坑支护结构状态基本稳定,坑顶水平位移约87 mm～92 mm,基坑加固降水措施整体效果良好。2021年险情区域监测数据图见图4。

在整个支护抢险过程中,坑顶水平位移的发展变化与现场施工工艺紧密关联,坑底土体反压时,坑顶水平位移回退约5 mm,控制效果明显;上部土体卸荷时,支护顶部位移朝坑内发展约7 mm～8 mm,有施工扰动现象;在锚索施作过程中,坑顶水平位移发展约3 mm～5 mm;在本案例中,由加固措施带来的位移变化量(坑顶水平)约5 mm～10 mm,加固完成后,支护变形基本稳定。

方案中加固锚索设计预加力为350 kN,在锚索施工完成到主体结构封顶过程中,预加力损失较大,锚索应力值在50 kN～170 kN,锚索在此加固过程中效能发挥未最大化。该方案为基坑应急抢险加固措施,故未进行场地锚索试验,锚索在施工过程中预应力损失现象可能受施工质量、土体大变形引起的强度性质变化、锚索蠕变等因素的影响[4],其机理还需进一步研究。

本基坑地层基底2.0 m以内主要为粉土、2.0 m以下为7 m～8 m厚砂层,地下水受河流补给、天气气候等因素影响,其水位变幅较大,坑内水位控制不当时,易出现局部位置涌水承压现象,降低基坑支护被动区土体强度。现场排水措施若粗放进行,会带来坑底及侧壁水土流失问题,扰动坑内土体使其强度性能下降,影响支护整体稳定。

5 结论与总结

本文以渭南某水厂基坑大变形险情为背景,在支护体系整体性能不明的情况下,提出了针对性的基坑加固降水措施,并结合后续监测数据,对加固方案实际效果分析评估,得出下述结论与总结:

1)对于本案例中的桩锚支护体系,基坑支护出现大变形险情,第一时间采取坑底土体反压措施,可以有效延缓支护变形进一步恶化发展。

2)在基坑监测数据缺乏的情况下,支护体系受力状态不易判断,坑顶土体卸荷措施与锚索强加固措施均需尽早开展。对地下水在基底标高附近的情况,应采取合适降水措施,合理控制地下水位。

3)基坑抢险过程中无法进行锚索基本试验,加固锚索可能存在预应力损失现象,以预应力控制支护变形需考虑一定程度折减。

4)后续监测数据表明,采用该基坑抢险加固方案较好地控制了险情发生后基坑支护结构的位移发展,同时周边建筑物沉降在可承受范围。对渭南地区类似基坑工程的险情处理提供宝贵经验及参考。

5)实时监测、动态设计、高效施工是保障基坑及周边环境安全的重要体系[5],亦是基坑工程信息化施工的发展要求。增强基坑实时数据的积累与分析可以为支护设计加固优化提供支撑,可以及时发现现场施工问题并进行纠偏,减少基坑安全隐患,保障基坑安全。