深基坑支護降水設計及變形監測分析

吳麗華 陶玥辰

(1中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2蘭州理工大學 土木工程學院，甘肅 蘭州 730050)

20世紀90年代以來，隨著我國經濟的高速發展，高層建筑以及城市地下工程迅猛增多，使基坑工程向規模更大、深度更深的方向發展，而復雜的周邊環境以及地下構筑物等使基坑的施工條件變得愈來愈惡劣。在深基坑施工中如何進行支護體系的位移計算與變形控制，使得支護體系與周邊環境對基坑變形的要求相適應，是擺在工程技術人員和學者面前的嚴峻課題。

根據基坑工程事故的統計，事故發生率特別高，尤其是近年來，基坑工程事故高達基坑總數的25%以上[1]。而這些工程事故主要表現為支護結構產生較大位移造成支護結構破壞，基坑塌方及大面積滑坡，周圍道路開裂和塌陷，地下設施變位以至于破壞，臨近的建筑物開裂甚至倒塌等，給國家經濟和人民生命財產造成了巨大的損失，甚至影響到當地居民與企業和政府間的關系和一方的安定團結。因此在繁華市區進行深基坑開挖支護，是當今土木工程最為復雜的技術領域之一，它不僅要保證基坑施工過程中的土體穩定，而且要嚴格限制周邊的地層變形以確保四周環境的安全[2-5]。

在我國，基坑工程變形的研究始于20世紀90年代，主要是圍繞東部沿海城市深基坑開挖引起土工公害的環境效應而展開的，尤以上海市飽和軟粘土為地質背景的施工控制為重點[6-8]。

隨著城市建設的高速發展，深基坑工程無論在數量上還是在難度上都有大幅度提高，深基坑工程中發生的事故也越來越多，其中最大問題是由于開挖引起周圍土體變形從而導致周圍的建筑物和地下管線等設施的破壞。傳統的基坑支護結構設計僅考慮到支護結構的強度滿足抗傾覆、抗滑移的要求，隨著基坑工程的發展，周邊環境對基坑支護系統的變形要求愈來愈嚴格，在深基坑施工中進行支護體系的位移計算與變形控制，使得支護體系與周邊環境對基坑變形的要求相適應，是目前基坑工程中亟待解決的技術難點之一。因此對基坑開挖過程中實行信息化施工，位移計算與變形控制已成為基坑工程研究的發展趨勢。

1 工程背景

1.1 工程概況

蘭州紅樓時代廣場位于蘭州市城關區繁華地段的南關什字東南角，是蘭州市標志性建筑物；北臨慶陽路、西接酒泉路、南靠中街子、東鄰蘭州交通銀行（16F和18F）和地下設備用房。占地面積78m×115m，設計主樓56層，裙樓12層，設3層地下室。建筑場地地表絕對標高在+1520.22～+1521.34m，設計±0.000標高為1521.10m，基坑實際開挖深度可統一按19.3m考慮?；又車械缆泛痛罅抗芫€分布，且部分地段相鄰地下室或地下信道，整個基坑規模較大，長×寬約為120m×70 m，周長約400m。基坑外側地面作用均布荷載為10kPa，基坑重要性系數取1.1，巖土工程勘察土工試驗報告的土體參數見表1。

表1 地基土層參數表

1.2 支護設計

通過方案優選，支護方案確定為上部土釘墻，下部排樁預應力錨桿。土釘墻的設計采用文獻[7，8]的方法，排樁預應力錨桿采用文獻[9]提出的方法。

上部0～-4.5m采用1：0.1坡率放坡開挖、錨噴支護：沿坑壁垂直方向布1排錨桿、2排土釘，與水平面交角均為10°，水平間距均為1.3m；設Ф8@200mm×200mm鋼筋網片，噴射80mm厚C20混凝土面層，頂部外翻1.0m或至防護圍墻，設1Ф14插筋，80cm長，水平間距1.5m。第1排錨桿長度8.0m，在地表下1.5m，桿體采用1Ф25鋼筋，孔徑150mm，M10水泥砂漿，全長黏結，設計抗拔力80kN，預加應力40kN；第2排土釘長度6.0m，在地表下2.7m，桿體采用1Ф48mm×3.5mm錨管，M10水泥砂漿；第3排土釘長度5.0m，在地表下3.9m，桿體采用1Ф48mm×3.5mm錨管，M10水泥砂漿。

下部-4.5～-19.3m采用單排鉆孔灌注樁與預應力錨桿相結合的樁錨支護方案：樁徑1000mm，樁間距1.9m，樁長21.0m，嵌固深度7.0m，樁頂設1200mm×800mm冠梁，樁身掛一道背靠背雙普通槽鋼腰梁，槽鋼型號選[20b；樁身及冠梁采用混凝土強度等級均為C30，支護樁主筋混凝土保護層厚度為100mm，冠梁為50mm；樁間設置直徑1000C15素混凝土樁，深入基坑底面2.0m，樁長為16.0m；預應力錨桿入射角為10°，錨桿孔徑150mm，水平間距1.9m，桿體采用1 36鋼筋，灌漿材料采用M30水泥砂漿。第1排錨桿長度15.0m，錨固段8.0m，在地表下4.75m，設計抗拔力300kN，預加應力150kN；第2排錨桿長度14.0m，錨固段8.0m，在地表下6.75m，設計抗拔力300kN，預加應力150kN。如圖1所示。

圖1 設計剖面

1.3 降水設計

擬建場地地下水類型屬第四系孔隙潛水，主要含水層為卵石層，第三系砂巖為下部隔水層。地下水主要受上游地下水徑流及大氣降水滲入補給。地下水總體流向由西南向東北。最終排泄于黃河。地下水位隨季節變化，一般春、冬季節較低，夏、秋季節較高?？碧狡陂g內，穩定地下水水位埋深3.7m～4.6m，相應水位標高1516.80m～1517.41m；根據區域水文地質資料，本區地下水水位變化幅度一般為0.5m～1.5m。根據《蘭州紅樓房地產開發有限公司紅樓時代廣場（55F）巖土工程勘察報告》，其單孔涌水量400m3/d左右，滲透系數k為20m/d。工程降水設計時，取卵石含水層厚度為5.8m，滲透系數k為50m/d。

工程基坑開挖深度為-19.3m，根據蘭州地區基坑降水經驗，采用樁間素混凝土樁加注漿止水、基坑開挖時在樁間滲漏點進行堵漏、坑外管井井點（D=350mm）降水與基坑內明排疏干多種手段相結合的方法，確?；A施工時，實現基坑內干作業的目標。

降水計算時視卵石層下砂巖為非含水層，按基坑開挖深度為-10.0m，地下水降深-10.5m考慮。

考慮到井點外露高度1.0～1.5m和井管長度均為2.5m/根，確定降水井井深為15.0m?；用娣eA約為8990m2，滲透系數k為50m/d，設計水位降深S按5.8m考慮，含水層厚度H按5.8m考慮。通過計算可得基坑降水影響半徑R= 1 97.5 m ，基坑等效半徑基坑總涌水量為估算管井的單井出水量為，計算管井的數量為：n= 1 .1Qq= 1 .1× 3 422.5/243=15.5。

最終在基坑周邊布設22眼降水井，如圖2所示，井深按深入風化砂巖層內3.5m控制，成孔直徑800mm，井管直徑350mm，基坑西南側井間距約為15m，其余側約為20m，使之形成穩定的降水漏斗，盡可能切斷外圍水源對基坑的補給，使基坑形成封閉狀態。

圖2 降水井平面布置

基坑開挖后，根據坑內積水情況，在基坑坑底四周設置500mm×500mm×1000mm大小集水坑，一般間距20m～30m，采用磚砌、M10水泥砂漿抹面。同時，順基坑坡底四周設置200mm×300mm大小排水明溝，磚砌、M10水泥砂漿抹面，溝底坡度取0.5%；溝內充填30mm～50mm干凈卵石形成盲溝，將基坑滲水引入集水坑內，由集水坑抽至沉砂池排出。

2 位移監測分析

本次監測主要依照監測方案，對基坑樁頂水平位移及鄰近建筑物沉降作了詳細監測，檢測點布置如圖3所示?；娱_挖初期位移較大，觀測間隔1天，當后期位移趨于穩定時，間隔2～3天。

圖3 監測點布置

2.1 水平位移監測分析

圖4 基坑北側樁頂水平位移曲線

圖5 基坑西側樁頂水平位移曲線

從水平位移曲線圖4、圖5可以看出，在基坑北區土方開挖第一層（－2.7m）時，由于未安裝錨桿，各樁呈懸臂狀態，支護結構開始出現水平位移，但是位移變化不大，最大位移點S1為9mm，最小位移點S7僅為1mm；第一層錨桿安裝后，由于錨固砂漿尚未達到強度要求，錨桿沒有施加預應力，隨著第二層土方開挖，樁頂水平位移開始變大，開挖第三層土（－5.3m）時，位移速率增大，S1、S2與S3均超過3mm／d。第二層錨桿安裝后，隨著土方繼續開挖，各測點位移不斷增加，挖至基底標高位置時最大位移S1點已發展到24.6mm，其次S2點22.3mm，由于南區土方剛開挖第一層，西側各測點此時位移很小；土方開挖結束后，隨著錨桿預應力的施加，各測點位移開始收斂，由水平位移曲線可以看出，基坑西側S4～S7測點位移變化佷小，北測S1～S3測點已趨于穩定；基坑北側測點位移普遍大于西側，分析認為：其一是由于基坑開挖北側在先，北側的暴露時間大于西側的緣故。其二是北側距離一幢住宅樓僅有9m，對支護結構的位移影響較大；基底墊層的澆筑與地下室的施工對基坑變形有一定的影響，4月22日北部墊層澆筑完畢后，基坑北側墻頂水平位移速率減緩，到5月4日進行地下2層主體施工時，S1、S2、S3位移已基本穩定；由圖3可以看出，S1、S2、S3曲線開始階段斜率比較大，越往后斜率越小，5月14日之后斜率變為0。而西側各點的位移曲線一直很平緩，位移持續時間較長，直到6月11日進行一層主體施工時，位移才不再發展。這說明基坑開挖后，基坑周邊的土體處于臨空狀態的時間以及土方開挖的速度與位移的速率有很大的關系，臨空時間短，位移曲線平緩，開挖速度快，位移速率大。受空間效應的影響，基坑中部位移較大，S5、S6分別為25.9mm、22.5mm，而拐角處位移較小，S4與S7僅為16.9mm和18.0mm。由于圖4中的監測點位于基坑短邊，而圖5中的監測點位于基坑邊長邊，基坑尺寸效應使得位于短邊水平位移速率減小，說明基坑短邊比長邊穩定。

2.2 豎向沉降監測分析

圖6 監測點1#沉降曲線

圖7 監測點2#沉降曲線

圖6、圖7給出了沉降觀測曲線，從3月20日首次觀測到11月5日末次觀測以來，觀測點沉降最大值為21.01mm，最小沉降點沉降值1.6mm，最近3次沉降觀測單點最大沉降量為0，單點最大沉降速率為0，已經達到國家規范規定的沉降穩定標準（小于0.01-0.04mm／d）；最大局部傾斜為0.00142，小于國家規范（GB50007-2002）第5.3.4條規定：砌體承重結構的局部傾斜（中、低壓縮土）小于0.002的規定；土體剛開挖第一層時，對周邊建筑物影響不大；大幅度沉降開始在基坑支護結束后地下室負二樓的施工中，在施工地下室負一樓時，沉降趨于平穩；沉降和位移有關聯性，在支護結構產生位移大的對應部位，建筑物沉降也較大，且沉降滯后于水平位移，由數據顯示，一般在10天左右；距基坑距離遠近不同建筑沉降差別很大，這是因為基坑開挖后，基坑及周圍土體的應力場發生變化，隨著基坑內土體自重應力的釋放，土體原結構平衡遭到破壞，地基土在原有荷載作用下產生新的沉降。距支護結構越遠土體受擾動越小，土體將保持相對較好的整體穩定性，因此，離基坑越近，建筑物越容易產生更大的沉降。

3 結 語

1）支護結構產生的水平位移主要出現在土方開挖階段，基底墊層澆筑完畢后，位移速率減緩，在進行地下室主體施工時位移趨于穩定；

2）基坑開挖引起的周邊建筑物沉降與支護結構產生的位移并不同步，而是在支護結構位移產生后10天左右，且沉降與水平位移有關聯，距水平位移大的部位愈近，建筑物產生的沉降也越大；

3）基坑開挖后，圍護結構的變形大小與基坑周邊的土體處于臨空狀態的時間以及土方開挖的速度有很大的關系，臨空時間長，結構變形大。

[1]徐至鈞，趙錫宏.逆作法設計與施工[M].北京:機械工業出版社，2002.

[2]Vaziri，H.H.&Troughton，V.An efficient threedimensional soil-structure interaction model.Canadian Geotechnical Journal，1992，29:529-539.

[3]朱彥鵬，李忠.深基坑土釘支護穩定性分析方法的改進及軟件開發[J].巖土工程學報，2005，27(8):939-943.(ZHU Yan-peng，LI Zhong.Improvement on stability analysis of soil nailing in foundation excavations and its software development[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2005， 27(8):939-943.(in Chinese))

[4]朱彥鵬，王秀麗，張貴文，等.蘭州中廣大廈超長深基坑支護的設計、施工與實驗監測[J].工程力學，2003，19( 增 刊 ):336-341.(ZHUYan-peng，WANGXiuli，ZHANGGui-wen，etal.Design，constructionandexperiment almonitoringofdeepfoundationinZhongguanghighrisebuilding ofLanzhou[J].EngineeringMechanics，2003，19(S0):336-341.(inChinese))

[5]朱瑞鈞，高謙，齊干.深基坑支護樁周邊建筑物沉降分析[J].重慶建筑大學學報，2006，28(2):52-55.

[6]高文華.基坑變形預測與周圍環境保護[J].巖石力學與工程學報，2001(4).

[7]朱彥鵬，魏升華.深基坑支護樁與土相互作用的 研 究 [J].巖 土 力 學 ，2010，31(9):2840-2844.(ZHU Yanpeng，WEI Sheng-hua.Research on interaction between deep excavation supporting pile and soil[J].Chinese Journal of Rock and soil Mechanics，2010，31(9):2840-2844.(in Chinese))

[8]張亞奎.深基坑開挖對近鄰建筑物變形影響的研究[D].北京工業大學碩士學位論文，2003.6

[9]朱彥鵬，羅曉輝，周勇.支擋結構設計[M].北京:高等教育出版社 ，2008，6.