快速公交車輛基地基坑支護設計與監測分析

莊　妍　張　飛　鄭玉梅

(1. 河海大學 土木與交通學院 巖土工程研究所， 南京　210098; 2. 河海大學 土木與交通學院， 南京 210098)

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快速公交車輛基地基坑支護設計與監測分析

莊妍1張飛2鄭玉梅2

(1. 河海大學 土木與交通學院 巖土工程研究所， 南京210098; 2. 河海大學 土木與交通學院， 南京 210098)

摘要：以南京快速公交某車輛基地基坑工程為例，介紹了該基坑施工的流程，并介紹了其中支護樁施工和鋼支撐施工二個重要工序的施工工藝．分析了基坑施工過程中樁頂水平位移、土體深層水平位移、坡頂豎向位移、鋼支撐軸力的變化．現場監測結果顯示：施工結束后，除土體深層水平位移介于藍色警戒值與橙色警戒值之間以外，其它3個監測對象都小于警戒值．由此表明，基坑的施工方案設計合理，能把變形控制在警戒范圍內．該基坑設計對類似的工程具有參考借鑒意義．

關鍵詞：基坑工程；支護結構；現場監測

近年來，不斷發展的高層建筑和地下工程帶動了深基坑工程的發展，也給基坑開挖工程帶來了新的挑戰，基坑的開挖和支護技術問題越來越突出[1]．我國已經相繼發生了多起深基坑事故，因此深基坑的變形和穩定性問題也變得更加重要[2]．南京快速公交某車輛基地所在地區屬長江漫灘地貌單元，地勢平坦低洼，軟弱土層深厚，一般為飽和流塑狀高壓縮性淤泥質粉質粘土[3]，地質條件較差，在基坑開挖時要特別注意對圍護結構和周圍環境的監測．在施工期間可以根據監測信息對比設計方案和施工方案及時調整不合理的設計，預測下一步施工的新動態，為后續施工提出更合理的方法，對施工中出現的異常情況立即采取必要的措施，將問題抑制在初始階段，確保施工的順利進行[4]．本文基于南京快速公交某車輛基地基坑施工情況，介紹了基坑的施工方案與施工工藝，并對基坑北側樁頂水平位移、土體深層水平位移、坡頂豎向位移、鋼支撐的軸力進行了監測分析，總結在施工過程中基坑的變形規律，旨在給類似工程地質條件下的基坑建設和監測提供一定的參考．

1工程概況

南京快速公交某車輛基地項目占地面積約8.2公頃．基地基坑周長約1 340 m，長邊約512 m，短邊約190.5 m，基坑開挖深度約為11.5 m．基坑總面積約為84 000 m2．

根據勘察結果，場地內分布有較多的水塘、河溝，勘察期間實測主要水塘、河溝水面標高為5.17～5.65 m，水深為1～2 m，淤泥厚度為0.5～1.0 m．場地覆蓋層厚度較大，為典型的長江漫灘相沉積物，工程性質與土性和狀態相關．場地從上到下的土層參數見表1．

表1　各土層參數表

2施工方案

合理的支撐體系是影響深基坑安全性的一個重要因素[5]．基坑支護結構除滿足自身強度要求外，還須滿足變形要求[6]．南京快速公交某車輛基地基坑的設計中，施工方案靈活采用基坑周邊支護樁加固、放坡開挖結合斜支撐體系加固的支護結構．此支護結構針對南京河西地區的工程地質條件設計，具有一定的示范意義．

本節先對基坑開挖整體的施工方案進行描述，然后對支護樁的施工方案、鋼支撐的施工方案做詳細說明．

2.1基坑開挖的施工方案

由于在類似工程地質條件下以支護樁加斜撐支護形式為核心的工法在設計、施工等方面經驗相對較少，同時本工程工期緊任務重，因此根據本工程的實際工程特點合理安排施工工序，有助于在保障工程安全進行的同時，增加作業面、配足資源，縮短工期，創造工程效益．該工程中，基坑施工流程圖如圖1所示．整個基坑施工歷時200 d，不同工序對應的工期見表2．

2.2支護樁的施工方案

基坑支護樁的作用是維持臨空土體的穩定，以保證基坑施工的安全，其施工是基坑施工中最重要的工序之一．基地基坑的支護樁采用鉆孔灌注樁，樁徑為1 m，樁長16.5～35.5 m．鉆孔灌注樁的施工工藝如圖2所示．

表2　基坑施工工序一覽表

圖1　基坑施工流程圖　　圖2　鉆孔灌注樁施工工藝圖

2.3鋼支撐的施工方案

在整個基坑施工中另一最重要的工序是鋼支撐的施工．基坑工程采用支護樁加斜支撐的體系進行支護．施工過程中先采用盆式開挖，然后在基坑中間澆筑底板形成中心島，最后在底板與支護樁之間設置斜支撐，斜支撐能把土體水平側壓力傳遞給中心島，中心島提供足夠反力保證土體穩定．斜支撐采用Φ609×16鋼管．鋼管斜支撐施工流程如圖3所示．

圖3　鋼支撐施工工藝圖

3監測方案及監測結果分析

3.1監測點的布設

本文選取基坑北側監測點的測量結果進行數據分析，各監測點的布設如圖4～5所示．

圖4　樁頂及土體深層水平位移監測點

圖5　坡頂豎向位移及支撐軸力監測點

基坑北側布置樁頂水平位移監測點8個，在圖4中用實心圓圈表示．從西向東依次為ZDWY-28至ZDWY-21，根據空間對稱性可分成ZDWY-28、21，ZDWY-27、22，ZDWY-26、23，ZDWY-25、24四組．布置土體深層水平位移監測點6個，在圖4中用實心正三角表示．從西向東依次為TSWY-25至TSWY-20，按照對稱性共分成3組，分別為TSWY-25、20，TSWY-24、21，TSWY-23、22．布置坡頂豎向位移監測點共6個，在圖5中用實心正三角表示．從西向東為PDWY-30至PDWY-25，按照空間對稱性分成PDWY-30、25，PDWY-29、26，PDWY-28、27．布置鋼支撐軸力監測點共4個，在圖5中用實心正方形表示，從西向東為ZCZL-04至ZCZL-01．

3.2安全監測警戒值的確定

安全監測警戒值一般以設計值或設計者提出的允許值為基準，然后建立絕對值或變化速率的安全系數，并根據安全系數的大小設置不同的等級的警戒水平．參照《建筑基坑工程檢測技術規范》[7]，本基坑施工安全監測的警戒值見表3．

表3　監測警戒值

3.3現場監測結果

本文對基坑北側樁頂水平位移，土體深層水平位移，坡頂豎向位移，鋼支撐的軸力變化規律進行了分析．

3.3.1樁頂水平位移監測數據分析

監測點的樁頂水平位移變化如圖6所示．從圖6可以看出，隨著施工過程的不斷推進，樁頂水平位移不斷增加，但在不同的施工階段樁頂位移增加速率不同．基坑的3層及3層土體開挖階段(施工時間見表2)變化速率較快，澆筑底板過程中變化緩慢，開挖支撐下1層及2層土體時變化較快．

圖6　樁頂水平位移變化圖

施工結束時，樁頂水平位移趨于穩定在最大值．具體變化數值見表4．由表4可知，不同監測組在不同位置樁頂位移最大值相差較大，其中第4組監測點位于基坑北側的中部，監測值最大，第1組位于基坑北側角點，監測值最小．對稱監測位置上監測值變化相似，呈現空間效應．北側基坑樁頂位移最大值為49.23 mm，小于累計水平位移50 mm(樁頂水平位移累計報警值)，處于安全警戒范圍內，變形合理．

表4　樁頂水平位移對比表

由以上監測數據分析可知，在澆筑中心底板和鋼支撐施工前后的土體開挖過程中，樁頂水平位移變化較快，要加大監測頻率；基坑邊坡的中部樁頂水平位移值最大，兩側最小，因此可以在監測點布置時采用“中間密，兩側稀”的布置方式．

3.3.2土體深層水平位移監測數據分析

選取基坑北側中部的一組點TSWY-23、22分析監測數據進行分析，如圖7所示．

圖7　監測點TSWY-23、22土體深層位移變化圖

監測點TSWY-23在第2層土體開挖時最大土體深層水平位移為18.69 mm，第3層土體開挖時最大位移為24.69 mm．鋼支撐施工過后開挖支撐下第1層土體時，最大水平位移為35.49 mm，且最大水平位移略微下移，開挖支撐下第2層土體時土體深層位移變形規律同開挖支撐下第1層土體，最大變形為43.01 mm，拆除鋼支撐以后土體深層位移達到最大為50.12 mm，略大于50 mm，在橙色警戒值范圍內．監測點TSWY-22在第2層土體開挖時最大土體深層水平位移為19.23 mm，第3層土體開挖時最大水平位移為26.42 mm，最大位移值均位于監測點的上部．開挖支撐下第1層土體時，最大水平位移為35.16 mm，開挖支撐下第2層土體時，最大變形為42.76 mm，拆除鋼支撐以后土體深層位移達到最大為51.26 mm，在橙色警戒值范圍內．由TSWY-23及TSWY-22各工序下土體深層位移數值對比分析可知，相同的工序下，對稱的監測點變形相似，數值相近．

由以上分析可知，在進行較深層的土體開挖如進行工序3、4、7、8的施工時，土體深層位移變化較大，應增加監測頻率．

3.3.3坡頂豎向位移監測數據分析

坡頂豎向位移監測數據的變化如圖8所示.從圖8可以看出，第1組監測點位于基坑北側中心的位置，PDWY-28點的最大側移值為24.66 mm，PDWY-27點的最大側移值為23.12 mm；第3組PDWY-30、25點位于基坑的西北及東北角，由于空間效應，總體變形較小、增長緩慢．在工序5澆筑中心底板階段，坡頂豎向位移變化較大．這是由于基坑所在的南京河西地區地下水位很高，在中心底板澆筑的施工過程中要不斷排水．為了確保邊坡的安全穩定，這一階段可以適當增加監測頻率．另外，邊坡中心處的坡頂豎向位移大致是邊坡兩側的2.5倍，因此可以考慮增加邊坡中心處監測點的密度．

圖8　坡頂豎向位移變化圖

3.3.4鋼支撐的軸力監測數據分析

取每道支撐下土體自開挖時為開始工期，作為X軸，繪制軸力的變化圖如圖9所示．

圖9　鋼支撐軸力變化圖

從圖9可以看出，監測點ZCZL-03、02的支撐軸力較大，且變形規律及數值接近，最大值分別為1 412.23 kN、1 354.36 kN，均小于1 500 kN(鋼支撐軸力警戒值)；監測點ZCZL-04、01的支撐軸力略小于監測點ZCZL-03、02，且變形規律及數值接近，最大值分別為1 025.65 kN、964.12 kN，同樣小于1 500 kN．

從圖9可以分析得，位于基坑角部兩側監測點的軸力均小于基坑邊中心處的軸力，主要原因是由于位于空間基坑的角部的監測點存在明顯的角部加強效應，基坑角部的空間效應明顯，角部的位移很小，支撐變形相對減小，軸力減小[8]．鋼支撐的軸力在鋼支撐開始受力后40～50 d最大，這時整個基坑施工的工序是工序7、8，也即開挖支撐下第1、2層土體．因此在工序7、8階段要加強鋼支撐軸力的監測頻率．基坑邊坡中心處鋼支撐的軸力是兩側的1.4倍，在施工時可以加密基坑邊坡中心處的鋼支撐．

4結論

本文對南京快速公交某車輛基地基坑工程監測數據進行了分析，繪制了基坑北側不同監測點的樁頂水平位移、土體深層水平位移、坡頂豎向位移及鋼支撐支護結構的支撐軸力隨時間變化的動態曲線圖．通過本文的介紹分析，主要結論有：

1)基坑開挖過程中，支護樁的水平位移與基坑開挖的深度、內支撐所處的位置以及基坑開挖的時間有密切的聯系．在基坑開挖初期，樁頂水平位移較小，隨著施工的不斷推進樁頂水平位移逐漸增大，最后穩定在最大值49.23 mm，小于警戒值50 mm．

2)基坑開挖過程中土體深層水平位移變形與樁頂水平位移緊密相連，開挖初期，土體深層位移量均較小，最大水平位移主要集中在上部，隨著開挖深度的增加圍護結構逐漸向坑內傾斜，最大水平位移也隨之下移；隨著內支撐的布置，圍護結構水平位移受到了限制，開挖后期水平位移主要集中在坑底附近，從內支撐軸力變化規律也可以看出，開挖越深，鋼支撐受力越大．現場后期監測數據顯示，基坑開挖至基底后，隨著后續支護與內部結構相應完成，墻體下部水平位移不再明顯增大，最終墻體水平位移趨于穩定．土體深層水平位移最大值為51.25 mm，稍微超過藍色警戒值，但小于橙色警戒值．

3)坡頂豎向位移與與監測點的位置和基坑開挖時間有關．在同一時刻，由于空間效應，基坑北側中間位置處的坡頂豎向位移比基坑角部的大．隨著時間的增加，整個坡頂的豎向位移增加至趨于穩定．坡頂豎向位移最大值為24.66 mm，遠小于警戒值．

4)軸力隨時間變化的曲線圖反應了支撐受力不僅與支撐的空間位置有一定的關系，而且與基坑開挖的深度、開挖速度以及外界環境條件的變化都有著密切的關系．鋼支撐軸力最大值為1 412.23 kN，小于警戒值．

5)從總體監測數據分析可知，基坑工程是一個系統的整體，樁頂位移、坡頂位移、土體深層位移及支撐軸力的變化均與施工進程及周邊環境相關，故應整體分析，面對異常數值應全面對比分析，排除危險，保證施工安全．

6)由于基坑地質條件的復雜性，基坑施工采用周邊排樁加固、放坡開挖結合斜支撐體系的支護結構．基坑邊坡中心處的樁頂水平位移、土體深層水平位移、坡頂豎向位移及鋼支撐的支撐軸力都比兩側的大，因此在監測點布置時可以采用“中間密，兩側稀”的方式．在澆筑中心底板和鋼支撐施工前后的土體開挖過程中，樁頂水平位移和土體深層水平位移變化較大，要加大監測頻率；在底板澆筑過程中坡頂豎向位移變化較大，要加大監測頻率；在鋼支撐施工結束后的土體開挖過程中，鋼支撐軸力達到最大，要加大監測頻率．

參考文獻：

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[8]張磊．基于FLAC3D對深基坑空間效應的分析[D]．太原：太原理工大學，2011．

[責任編輯王康平]

Design and Monitoring Analysis of Supporting Structures for

Vehicle Bases Excavation of a Rapid Transit

Zhuang Yan1Zhang Fei2Zheng Yumei2

(1. Geotechnical Research Institute, College of Civil & Transportation Engineering， Hohai Univ.， Nanjing 210098， China; 2. College of Civil & Transportation Engineering， Hohai Univ.， Nanjing 210098， China)

AbstractTaking the vehicle bases excavation of a rapid transit in Nanjing for example， this paper presents the excavation construction process， especially two vital construction technologies of row piles and steel supported structures. Besides， the variation of horizontal displacement of the pile head， horizontal displacement of deep soils， vertical displacement at the top of slope and axial force of steel support are analyzed. It is shown that the monitoring results are within the security line， except the horizontal displacement of deep soils lies between the blue security line and orange security line. The construction method is therefore found to be reasonable; and the deformation can be kept in the security line. The excavation design has reference significance for similar engineering.

Keywordsfoundation engineering；supporting structure；field measurement

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51409151)；三峽大學人才科研啟動基金資助項目(KJ2012B031)

收稿日期：2015-05-21

中圖分類號：TU472

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2015)06-0060-05

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.013

通信作者：莊妍(1982-)，女，教授，博士生導師，主要從事軟土地基加固研究．E-mail：joannazhuang@163.com