深基坑圍護結構的施工監測與成果分析

余云泉

1 工程概況與地質水文特征

1.1 工程概況

廣州某小高層住宅工程位于番禺區臨江處，兩面臨水，該工程基坑呈矩形布置，采用地下連續墻加鋼支撐的圍護結構，開挖深度為18.0 m(基坑外地面標高為7.5 m)，基坑周邊總長296 m，占地面積4 687 m2。基礎底板為C15混凝土，厚1.5 m，基礎底板下臥層為中粗砂。

1.2 地質、水文特征

根據工程地質勘察報告，本工程各層土體的物理力學性質指標見表1。

表1 各層土體的物理力學性質指標

地下水主要賦存于第四系沖積層的孔隙和基巖裂隙之中，屬孔隙水和裂隙潛水，局部為微承壓水，粉質黏土層為相對隔水層。地下水位高程在2.0 m～4.5 m左右，施工現場兩面環水，地下水直接由江水及大氣降水補給。主汛期時，江水的漲落對施工產生較大的影響。

2 基坑圍護結構設計

采用地下連續墻(全圍封)作為基坑圍護結構，墻厚0.8 m，墻深25 m，地下連續墻入強風化巖1.5 m，墻底標高為▽-20.0 m，連續墻分為68幅槽段，采用弧形鋼板接頭，鋼支撐結構采用H型鋼制作的組合鋼梁。鋼支撐系統縱橫交錯呈井字形布置，縱向設置3層支撐，橫向設置4層支撐，在基坑4個角及縱向支撐南端加設斜撐。立柱樁采用φ 25×12的圓形鋼管(共20根樁，樁長24 m，樁底標高▽-18.0 m)。所有立柱樁、鋼支撐與連續墻之間均采用對接焊縫連接。安裝鋼支撐的同時對各層鋼支撐預加軸力。

3 施工監測與成果分析

3.1 地下連續墻墻頂水平位移

表2 地下連續墻墻頂水平位移 mm

地下連續墻墻頂水平位移主要取決于基坑的寬度、開挖深度、土的性質、墻體剛度、入土深度、開挖支撐形式以及施工工藝等，是墻體變形量的最直接反映，同時也反映墻體在基坑開挖過程中整體變形的協調性。施工現場監測結果如表2所示。

由表2的數據可發現:1)基坑各邊墻頂的最大水平位移 Tmax=52 mm。2)墻頂最大水平位移與開挖深度之比(Tmax/Hw)為0.29%。3)墻頂位移在支撐安裝到位后仍然繼續增大，且各邊位移均向坑內。4)墻頂位移與基坑開挖和鋼支撐施工密切相關，由于第一道支撐距地表近4 m，在第一層土開挖結束而尚未完成第一道支撐安裝前，地下墻上部始終處于懸臂狀態，而且墻體暴露時間過長，使得墻頂位移過大，加上基坑周圍荷載分布不均勻(基坑東面布置有橋式起重機，北面為出土通道)，因而造成基坑周邊位移不均衡，可能影響到圍護結構的整體穩定。

3.2 鋼支撐端軸力與跨中應力

施工中，在12號橫向鋼支撐的第二、三層支撐一端安裝了反力計監測軸力;在11號橫向鋼支撐的第四層支撐跨中安裝了鋼筋應力計測定支撐應力。支撐的軸力與應力都是通過振弦讀數儀測出反力計與鋼筋應力計的頻率變化量后換算得出。鋼支撐端軸力監測結果見圖1，圖2。各道橫向支撐設計和實測的最大軸力及應力值見表3。

表3 各道橫向支撐最大軸力和應力設計值及實測值匯總表

監測過程中發現:鋼支撐軸力的變化受基坑開挖深度的變化與支承情況的改變(鋼支撐的增減、基礎混凝土的上升等)影響最大;其次，基坑外江水的漲落與氣溫的變化，對支承軸力的變化也有一定的影響。以上各種影響因素在鋼支撐端軸力曲線圖中均有不同程度的反映。

根據支撐監測數據與應力設計、觀測值匯總表分析發現:實測支撐應力遠遠小于設計值，第一、二層支撐實測值為設計值的50%～55%，第三、四層支撐實測應力僅為設計值的10%左右，這種受力狀況是不太合理的;鋼支撐容許應力[σ]=166.6 MPa，而鋼支撐最大實測應力48.0 MPa，僅為容許應力的29%，說明鋼支撐支護實際并未發揮到設計應有的作用。

從鋼支撐應力變化曲線可發現支撐應力的變化趨勢如下:1)第一道支撐安裝完畢并加預應力后，隨著開挖深度的增大，第一道支撐的應力平穩增長，第二道、第三道支撐的安裝，并未使第一道支撐所受軸力減小，只是在個別時段呈齒形波動。表明隨著基坑外地面荷載、地下水位的變化，鋼支撐的應力也有較小的波動，并在各層支撐間低幅調整。隨著第四道支撐安裝完畢，第一道支撐受力呈明顯下降趨勢。2)第二道支撐安裝完畢并加預應力后，其所受軸力隨著開挖而平穩增長，應力曲線呈一定的振蕩態勢。第三道支撐的安裝并未減小第二道支撐所受軸力，在第四層土方開挖的前半期軸力增加的速率加快，后半期軸力出現較大的波動，先降后升，并恢復到原有的受力水平(這是受一個洪水過程影響)。隨著第四道支撐安裝完畢，第二道支撐受力呈明顯下降的趨勢。3)第三、第四兩道支撐的應力相對平穩，呈低幅波動趨勢。而且實測應力值僅為設計值的10%左右，這可能與設計考慮的地面超載以及8月下旬地下水位下降較快有關。4)實測表明，受江水漲落的影響，地下水位發生變化，造成支撐所受軸力的波動，特別在暴雨作用下江水急漲急落。鋼支撐應力隨地下水的變化而呈現急劇振蕩，應力變化達到50%以上。5)由于溫度的變化，支撐往往產生較大的溫度應力，日夜溫差較大時，產生的附加溫度應力可達30%左右。6)監測中還發現，底板澆筑完成后，各層支撐的軸力均明顯逐漸的減小。說明底板對于支撐體系的軸力已具有分擔作用。

4 結語

1)根據本工程的實踐，在地下水來源豐富且地下水位較高的砂質地層中，進行深基坑開挖。采用地下連續墻加鋼支撐的圍護結構是經濟合理的，特別在施工場地受到周邊環境限制，不允許放坡開挖，而工期要求又緊的工程中，這一圍護結構的優勢更明顯。2)從實測資料分析發現，本工程中鋼支撐的強度發揮不夠理想，受控于其剛度，鋼支撐的軸向穩定受到很大的挑戰。在后期增加了支撐間的橫向連系后，整個圍護結構的穩定性得到改善，保證了圍護結構的安全。因此，設計中必須對結構的整體穩定性全面考慮，構件的設計剛度與強度的發揮要相平衡。3)在鋼支撐拆除過程中，由于軸力集中將使其他支撐的軸力發生顯著增加，因此，在拆除過程中，加強對未拆除的支撐軸力的監測是十分必要的。4)由于圍護結構設計中，總是考慮支撐軸心受力，但實際上偏心受壓的作用卻不容忽視，支撐偏心受壓失穩的威脅在施工過程中也有發生。因此，設計時應該充分注意到支撐偏心受力的影響。

[1] GB 50007-2002，建筑地基基礎設計規范[S].

[2] JGJ 120-99，建筑基坑支護技術規程[S].

[3] YB 9258-97，建筑基坑工程技術規范[S].

[4] 孟凡海.深基坑支護施工監測方案[J].山西建筑，2008，34(17):130-131.