復雜地質條件下深基坑支護技術與監測分析

黃訓平

1 工程概況

某基坑四周均為道路或建筑物場地呈狹長形,長邊約120 m,短邊約30 m～40 m,場地面積約4 200 m2。場地位于低丘臺邊緣,西高東低,北高南低,東西向相對高差2.5 m～5.3 m,南北向相對高差3.8 m～4.8 m,最大相對高差6.8 m,基坑開挖深度為9 m～14.0 m。

2 地質條件

經過地質鉆探揭露,地層情況由上而下依次為:①人工填土:雜填土為主,厚度0.90 m～6.15 m。②粉質黏土:分布于場地東南部,厚度0.6 m～3.5 m,軟塑～硬塑。③黏土:硬可塑～可塑,厚度0.3 m～8.25 m,西邊淺,東邊深。④泥質粉砂巖:少數鉆孔夾有中細砂和含礫粉砂巖。根據巖石的風化程度可將其分為①強風化巖和②微風化巖。

3 基坑特點及支護方案的選擇與施工

本工程地處鬧市區,場地狹窄,場地地質情況復雜,基巖埋深起伏變化大。因此,基坑支護一方面要絕對排除地下室土方和結構施工中對周圍道路、房屋及地下管線等設施產生的危害,保證深基坑和周圍建筑物的安全。另一方面要根據工程施工場地的地質條件、現場條件及周邊環境,從基坑支護工程的安全可靠性、技術可行性、經濟合理性及施工工藝出發,選擇造價低、工期短、施工工藝先進成熟的支護方案[1]。因此,根據多年的施工經驗及現場的實際條件,將整個基坑分為4部分,采用了4種不同的支護結構形式,支護結構平面布置如圖1所示。

3.1 AB區支護方案

AB區位于場地南邊,建筑外墻邊緊鄰建筑紅線,此區巖面埋深-10.0 m左右,采用人工挖孔樁擋土支護。由于受到建筑紅線及建筑物外墻的影響,將地下室底板以上部分的擋土樁做成半邊樁,在樁頂設置工字鋼支撐。在土方開挖后,半邊樁形成了一個平整的支護面,將之稍加處理后即可作為地下室外墻的模板。且擋土樁和工程樁排列在同一軸線上,在有限空間上增加了建筑面積。由于AB區有4根1 200 mm工程樁,為方便工程樁的施工,滿足擋土排樁的設計要求,將工程樁與擋土樁同時在地面開挖,樁徑均為1 800 mm,4根工程樁開挖至地下室底板下2.0 m時,將直徑縮為1 200 mm挖至設計標高。

3.2 BC區支護方案

BC區巖面埋深較深。該區基坑開挖深度為10 m左右,基坑內外地面標高相差近3.0 m,所以在基坑未開挖前就存在近3.0 m高的邊坡,表明該區上部土層的工程性質較好。因此,BC區采用疏散的人工挖孔樁加錨桿作為支護結構。BC區采用人工挖孔樁和錨桿聯合支護,保證了樁頂不至于發生較大的位移,同時拉大挖孔樁間距,樁間用造價低的少筋混凝土板連接和支撐,降低了基坑單位面積上的支護造價,既安全又經濟。

人工挖孔樁直徑1.2 m,間距2.5 m,樁間采用 100 mm厚鋼筋混凝土擋板,板內配置縱向筋為12@100,橫向筋為16@500,并將橫向筋用沖擊鉆錨入相鄰樁內大約100 mm,挖孔樁樁頂設置1 200 mm×600 mm壓頂梁。在每根樁打入一條130錨桿,錨桿長25.0 m,傾角30°,單錨最大軸向抗拉力為600 kN,錨索采用4束75鋼絞線,灌漿材料為0.45水灰比純水泥漿。

3.3 CD區支護方案

CD區基坑開挖深度為14.0 m,該區強風化巖面埋深為地面以下8.0 m左右。由于巖面自身穩定性好,上部土層含水量較少,選擇了造價相對較低的土釘墻支護技術,保持土層穩定,防止土體滑動剝落,保證土方開挖過程中基坑的穩定與安全[2],如圖2所示。在強風化巖面以上,土釘水平間距1.5 m,豎直間距1.0 m,傾角15°,直徑120 mm,0.45水灰比純水泥漿,梅花形布置。要求土釘錨固段中點落在土體滑動面以外,滿足承載力要求[3]。坡面鋪設鋼筋網并噴射混凝土,在土釘錨頭位置設200×200×16鋼墊板,墊板下加設4Ф 6鋼筋加強,坡面混凝土厚150 mm,強度等級C20。土方開挖至強風化巖面以下時,在裸露巖面上采用厚150 mm混凝土面保護,內掛鋼筋網,土釘水平間距2.0 m,豎直間距1.0 m,土釘長適當減小,梅花形布置。

3.4 DE區支護方案

DE區地下室外墻邊距已有多層建筑物,距外墻邊只有1.5 m,且該區巖面埋深變化很大,西邊自然地面下2.5 m即為中風化巖層,東邊基巖埋深為14.5 m左右。根據此特點,采用了樹根樁加錨桿聯合支護技術,樹根樁為小直徑鉆孔灌注樁,以前多用于軟弱地基處理。另外考慮了人工挖孔樁懸臂擋土的穩定性,減少樁的臂懸高度及入土深度,局部采取了卸載方式,以減輕外部荷載對排樁的影響[4,5]。

4 CD段基坑的水平位移監測

4.1 邊坡整體位移

4月22日進行第一次測量,并把測試數據作為初讀數。從基坑開挖到監測工作結束時,邊坡在粉質黏土層中靠近地面最大位移達到42.0 mm,在土層底面位移達到24.9 mm,而在強風化基巖面以下1 m處,最大位移為9.7mm,邊坡底最大位移只有3.3mm。由此得出,粉質黏土層中基坑位移較大,而進入強風化基巖后,基坑邊坡位移減小。因此可以認為,第1排,第2排土釘的錨固力可能達到了極限狀態,而強風化巖中土釘的錨固力并沒有得到充分發揮,在今后基坑邊坡支護設計中,強風化巖中土釘的布置參數可適當調整,減少土釘密度。此外,6月7日時,基坑邊坡位移比前兩次觀測時增加很多,之后位移基本上穩定下來,說明邊坡在成第10排土釘設置之后,邊坡已經達到穩定狀態。

4.2 土釘位移

圖3為土釘孔口位置處的位移隨時間的變化規律圖。從圖3可以發現,第1排～第5排土釘在前3次監測中的孔口位移急劇變大。隨著第5排土釘的設置,到第3次監測時,前5排土釘孔口位移變化速率僅僅為第2次監測時的50%左右,說明第5排土釘的設置對邊坡的位移場有至關重要的作用。從圖3還可以看出,第5次監測時,即10排土釘全部設置完成,此時各排土釘的孔口位移變化速率已經接近于穩定,土釘的施加已經基本上控制了邊坡的變形,使得邊坡達到了穩定狀態,這與1號孔所得到的結果是一致的。此外,從圖3還可以看出由于前5排土釘全部或部分設置在粉質黏土范圍內,土釘位移相對比較大,而后5排土釘主要進入強風化基巖,因而位移相對前面5排土釘要小很多。

5 支護的效果

本基坑支護工程支護計算工期100 d。靈活采用了多種支護結構形式,既適應了該場地復雜的地質條件和周圍環境,又縮短了工期,實際工期88 d。在施工過程中,監理部門對施工質量進行了抽樣檢查,合格率為100%,全部達到設計噸位。在施工的全過程中對邊壁進行了檢測,邊壁位移微小,在允許范圍之內。

6 結語

1)樹根樁應用于擋土結構,其剛度介于大直徑混凝土灌注樁與鋼板樁之間,樹根樁作為擋土結構的受力機理及計算模型有待進一步研究。2)采用半邊人工挖孔樁擋土,充分發揮了鋼筋混凝土的作用,節省造價,同時減少了占地面積。3)如將人工挖孔樁擋土的少筋混凝土板改為少筋混凝土拱形板,可進一步加大樁間間距,更能發揮人工挖孔樁鋼筋混凝土的作用,降低造價。4)基坑支護應根據不同的地質條件及周圍環境,采用不同的支護形式。有時單一的支護形式不能滿足要求,采用多種結構組合更為合理,降低造價。

[1] 黃 強.深基坑工程支護設計技術[M].北京:中國建筑出版社,1995.

[2] 魏希成.支擋結構設計手冊[M].北京:中國建筑出版社,1995.

[3] 廣東省土木學會,同濟大學巖土工程研究所.地基與基礎[M].北京:中國建筑出版社,1995.

[4] 陳肇元.土釘支護技術[M].北京:清華大學出版社,1996.

[5] Proterfield J A.Soil nailing field inspectors manual[J].soil nail walls.FHWA/SA-93/068,1994(3):25-27.