某建筑深基坑支护结构设计及智能化监测

2023-12-14徐振斯庞复海桂金洋

岩土工程技术 2023年6期

徐振斯庞复海邓宇桂金洋

（1.广西地矿建设集团有限公司，广西南宁 530023；2.广西环境地质调查院，广西南宁 530023；3.广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006；4.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室，北京 100124）

0 引言

土钉墙具有较好的经济性和施工便捷性，在各类基坑工程中得到了广泛应用。高浪等[1]针对土钉墙的适用性、场地勘查、支护设计以及施工质量控制等方面开展了研究，并针对土钉墙基坑监测与检测给出合理建议。杨志银和张俊[2]梳理出4 种常见的复合土钉墙形式，阐述了复合土钉墙的设计方法和构造形式，并通过深圳电视中心基坑工程验证了复合土钉墙的支护效果。王建军等[3]将压力分散型锚索和水平对拉锚索等关键技术应用于永久性深基坑，并在注浆工艺和钻孔方法方面大胆创新，实践上获得了成功。相关规范与标准的颁布也推动了土钉墙等相关技术的进一步应用[4-5]。

综上所述，土钉墙在地质环境条件较好的基坑工程中具有较好的适用性，其技术研究和应用已经较为成熟。现阶段，工程界比较关注土钉墙在不同地区、不同地质条件或复杂环境下的研究和应用。为此，以某超高层建筑基坑工程为依托，对基坑深度大、土岩组合、坑壁陡峭的条件下的土钉墙设计与应用展开研究，并应用云平台实现智能化实时监测，探究边坡的位移变形特性。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

本工程属于超大超深建筑，南北长度约185.6 m，东西宽度约140.56 m，占地面积约29725.58 m²，基坑开挖深度约为12.7～16.0 m。基坑东邻歌韵路，其间雨（污）水管距用地红线约6.0 m。南侧距五象大道最近约16.50 m。西侧红线外为宽约45.0 m 的市政绿化带，绿化带西侧为飞龙路。北面紧邻龙佑街，其边线距用地红线3.6 m，用地红线距排水管道仅2.0 m。基坑南北两侧的建筑物包括高层住宅小区和宝能中心大型综合体，距离基坑的距离较远。基坑位置及周边环境如图1 所示。

图1 基坑位置及周边环境

1.2 工程地质条件

根据勘察报告，场地地处属南宁盆地边缘垄状高丘地貌，场地下伏岩层浅部破碎层厚度变化较大，局部裂隙、岩溶、石芽、石笋发育，大部分地段破碎岩层多被岩体裂隙及岩溶切割成碎块状，裂隙表面则被溶蚀，形成溶蚀裂隙破碎带。基坑开挖深度范围内北侧岩土层主要有中等风化钙质泥岩和全风化泥岩夹层，中等风化钙质泥岩属于水平岩层且无倒转，其余三侧主要岩土层为全风化泥岩，局部分布圆砾层及粉砂岩，无顺层边坡等不利情况，总体上侧壁岩土条件较复杂（见图2）。

图2 典型工程地质剖面图

1.3 水文地质条件

场地属于岩溶中等发育场地，未见滑坡、崩塌、塌陷等不良地质作用。溶洞（槽）以竖向发育为主，局部呈串珠状发育，现场钻探过程中除完整基岩区段回水钻进返水基本正常外，其余区段基本无返水。稳定水位的高程为72.00～74.59 m，水位平均变化幅度1～3 m。基坑地下水设计水位取75.00 m。

2 基坑支护设计

2.1 基坑支护设计方案的确定

综合场地岩土工程条件、基坑深度和周边环境等因素，本工程基坑可以选用的支护型式有复合土钉墙支护、排桩+钢筋砼内支撑支护、排桩+锚索支护、双排桩支护等。

双排桩抗侧移刚度远大于悬臂桩，对周边环境影响小，在深大基坑中安全可靠性优于单排桩，但需要一定的施工场地，本项目场地不具备双排桩施工条件；排桩+钢筋砼内支撑支护、排桩+锚杆（索）支护均具有整体稳定性高、控制变形能力强等优点，但存在造价高（综合单价分别约1200～1600 元/m² 和600～800 元/m²）、工期长、工艺复杂等缺点。土钉墙支护造价较低（综合单价约150～200 元/m²），可有效利用土体的自稳能力，工艺简单且工期短，对周围环境影响较小[6]，而且基坑开挖深度多在16.0 m 以内，基坑侧壁无软弱岩土层分布，红线范围内具备一定放坡条件，坑壁地下水水量一般。综合考虑可行性、经济性以及安全性等因素，本工程采用复合土钉墙支护。基坑支护平面布置及典型支护剖面见图3、图4。

图3 基坑支护平面图

图4 典型支护剖面

2.2 土钉墙支护设计与验算

（1）设计标准

参照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）[5]，本基坑安全等级为二级，支护结构重要性系数为1.0，整体稳定安全系数为1.3，地面超载按20 kPa 考虑。

（2）支护结构设计

根据项目工程地质、水文地质及周边环境条件，结合已有同类工程施工经验，本项目基坑选用预应力复合土钉墙组合支护为主，局部采用网喷砼放坡支护；地下水采用坑内集水明排进行控制，施工过程中局部超深基础可视水量大小结合采用降水井进行控制。基坑施工尽量选择在枯水季节施工至坑底。基坑边坡倾角 73.3°，土钉（锚索）竖、横间距均为1.2 m，水平倾角15°。各区土钉（锚索）设计参数见图4。需要说明的是，考虑到地质情况的差异，图4（b）第1 道土钉距坡顶距离较大，相关验算表明现有锚固方式可以满足边坡稳定性要求。此外，基坑侧壁土质较好，可以充分利用上部土体的自稳性，也可避免土钉对后期周边项目管线埋设的影响。相应地，主要施工技术流程参照文献[5,7,8]。

（3）支护设计验算

支护设计主要验算内容包括局部稳定性验算（土钉承载力）以及基于圆弧滑移破坏的整体稳定性验算。采用圆弧滑动条分法，假设最危险滑移面破坏模式为圆弧滑移破坏，验算后整体滑动稳定安全系数均满足安全系数限值1.3 的要求。同时，根据土压力分布和土钉（锚杆）布置计算出每层土钉（锚杆）的轴向拉力标准值，在此基础上按《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）[5]规定，验算土钉（锚杆）抗拔安全系数也满足设计要求。土层物理参数和土钉墙整体稳定安全系数分别见表1 和表2。

表1 基坑北侧边坡土层物理参数

表2 复合土钉墙的整体稳定安全系数

2.3 基坑变形控制要求

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）[5]，结合支护结构安全等级、支护形式及周边环境等确定基坑监测项目和监测点部位及数量。监测项目包括支护结构顶部及深部水平（侧向）位移、地下水位、周边建筑物与道路以及坑边地面沉降等。相关控制指标中，出于安全考虑选择监测项目指标限值，具体为支护结构水平位移、周围地面及已有建筑物沉降变形的预警值为30 mm，控制值为35 mm，变化速率小于5 mm/d。

3 基坑变形智能化监测

近年来，兴起的云监测或智能化监测是基于物联网技术、电子技术以及其他先进技术的一种综合监测系统，前期主要应用于地质灾害的监控服务及自动预警，如滑坡、泥石流等自动监测项目[9-11]。为实现深基坑监测数据的信息化，提高监测项目的智能化水平，本工程应用智能化监测平台和人工监测展开综合监测。智能化监测主要内容有两点：一是预警范围内的潜在风险调控；二是以预警值为界限、数据异常波动的动态预警。与传统监测方案相比，具有如下优势：①低成本且数据量大，一次投入，长期监测；②高效率，无需人工值守，全天候24 小时实时监测，不受恶劣天气影响；③高精度，常规建筑工程监测误差为数毫米，但深基坑环境变形速率为几毫米每天，借助智能传感设备能确保监测结果可靠性。

智能化监测平台示意见图5，主要包括应用层、网络层和采集层。首先布置测点及传感器并进行设备组网，然后通过监测一体机将数据传输至数据平台，进行后台数据整理和分析。特别地，正式监测前应进行预警值设置，平台会将预警信息通过短信或消息通知预先设置的项目预警接收人，并推送至项目群和APP 客户端。监测项目具体点位布置见图6。本工程坡顶水平位移与地表沉降预警值均为30 mm，一旦超出预警值将进入处理程序[12]。

图5 智慧监测平台示意图

3.1 已有建筑沉降

大规模的深基坑开挖易引起周围土体应力产生变化，造成已有建筑物，特别是高层建筑物出现较大沉降、裂缝和倾斜等现象[13]。本工程设定变形控制标准为30 mm，结合变形最大的测点数据展开分析已有建筑沉降变化规律。土体刚开挖时，建筑物沉降变化值很小，并出现负值，这是重型机械作业时引起的挤土效应所造成的轻微隆起现象。而后，基坑开挖深度加大，建筑物开始沉降，数据有一定波动，但总体保持增大的趋势，最大值为2.9 mm，远小于沉降变形预警值30 mm，表明基坑设计及施工方案具有可行性，对周围地表和建筑物的影响控制在合理范围内。

3.2 坡顶及周边地表沉降

坡顶和周围地表沉降曲线如图7 所示。由图7（b）可看出，前100 天的地表沉降位移增速较快，这一区间内的累积沉降位移值约为整个周期累积位移沉降值的95%，主要原因是朗肯主动状态区土体被扰动，塑性区滑动面增大，土体产生小幅度的塑性流动，造成建筑物下沉速度加快[14-15]，但是后期垫层和底板施工完毕之后，支护结构稳定性有一定提高，周围地表下沉量逐渐趋于稳定；基坑开挖阶段，地表沉降最大值多发生在距坡肩水平距离约一倍开挖深度处，随着监测点与基坑边距离的增大，除了少数监测点异常之外，周围地表的监测点沉降位移值沿x轴的分布基本呈现缓慢降低，所有曲线具有类似的规律（见图7（a））。图7 监测数据显示，周围地表最大沉降约为6.8 mm，坡顶沉降约为16.9 mm，均远低于预警值30 mm，表明基坑处于安全状态。

图7 坡顶沉降位移累计曲线

3.3 坡顶水平位移

基坑北侧坑顶水平位移曲线如图8 所示，由图8可以得知，位移随着基坑开挖逐渐增大，但前期（即第2 排土钉完成前）的增速没有明显变化，说明此时的位移由上部土钉墙设计参数控制[16]，且效果较理想；前2 排土钉工序完成后，位移较快增长，变形控制能力下降。为防止位移累计值或增长速率超过预警值，施工中根据每日水平位移变化速率严格控制基坑的开挖速度，并适时采取跳仓开挖；当开挖深度临近坑底标高，位移趋于稳定，变幅很小。综合而言，坑顶水平位移的变化量及速率不仅与设计因素相关，还受周边环境以及基坑开挖速度和方式的影响。图8 中的监测数据显示，坡顶水平位移最大值约为22.5 mm，小于预警值30 mm，表明土钉支护结构可较好地控制坡顶水平位移。

图8 坡顶水平位移累计曲线

3.4 深层侧向位移

图9 为深层侧向位移测点DW3 的累计位移监测曲线，可以看出，累计位移约为25 mm，与坑顶的水平位移基本一致；侧向位移值随着开挖深度增大而增大，在前期增速明显，后期增速明显降低，临近开挖结束，所有数据较稳定，没有出现前期个别时间段的数据产生异常波动的现象；不同监测点位移值随开挖深度的增加均呈现先增大后减小的趋势，侧向变形均朝基坑内发展。受土体分布、开挖深度、周围建筑物荷载及施工荷载等因素的影响，基坑周围土体中部区域的横向变形最大，上部区域次之，底部区域变形最小，即曲线呈“鼓胀”型分布；最大侧向位移位于基坑开挖面以上，基坑开挖面以下7 m 附近，其值为25 mm，约为基坑深度的45%。开挖过程虽经历连续降雨天气，但侧向位移一直处于合理的范围内，主要原因有两方面：一是基坑土层弱渗透性，无蠕变的产生；二是变形控制效果较好，并采用了合理降排水措施。