軟土地區某高校學科樓基坑監測研究

劉強

（上海市市政工程建設發展有限公司,上海市 200025）

軟土地區某高校學科樓基坑監測研究

劉強

（上海市市政工程建設發展有限公司,上海市 200025）

基坑工程是一個復雜的多學科交叉的課題,尤其在上海等軟土地區,基坑實施風險較大,再加上高校校區建設特有的周邊條件,不可避免地需要解決一系列基坑相關問題。基于具有高校校園環境、開挖深度較深、軟土地質較差等特點的上海某高校一交叉學科樓基坑項目,針對性地進行了監測設計與實施。結果表明,各項指標未超報警值,從監測的數據總體來看在可控制范圍內,圍護結構相對穩定,無重大險情出現,采用其圍護設計方案是可靠有效的。

軟土地區；高校教學樓；基坑；監測

0 引言

基坑工程是一個既十分古老又時刻更新具有時代特點的傳統巖土工程課題[1],基坑圍護（如木樁圍護、放坡開挖等）的實施甚至可以追溯到遠古時代。近十年來,在我國經濟持續穩定增長的形勢下,全國工程建設亦突飛猛進,基坑工程越來越多,對基坑工程的要求越來越高,隨之出現的問題也越來越多,這給建筑施工特別是如高校學科樓項目等城市中心區的建筑施工帶來了較大的困難[2-3]。

通過開展監測設計與實施,可以及時識別基坑項目建設中可能引發的風險,基于監測數據分析其影響程度,可提出對應的風險防范化解措施和建議,并預判措施后的風險等級,從源頭上動態防范化解基坑項目風險[4-6]。

上海作為長三角的主要經濟中心,具有顯著的“三高一低”特點,場地地貌單元屬濱海平原,地貌形態相對單一,地層主要由飽和黏性土、黏性土及砂土組成,具水平層理,地質條件非常差。某高校學科樓基坑工程就是其中的典型,既具有普遍的代表性,又具有高校校園環境等特點,因此對該基坑的監測設計實施進行研究,對以后上海乃至濱海濱河軟土地區的基坑項目實施具有較高的參考價值。

1 工程概況

某高校學科樓項目,主要作為大數據科學與技術學院和數學科學學院的科研辦公場所,分為西區和東區兩棟樓。地上5層地下1層,建筑總高度23.6 m。總建筑面積為3.2萬m2,地上總建筑面積2.5萬m2,地下總建筑面積為0.7萬m2。該工程±0.00 m相當于絕對標高4.800 m。

該工程基坑普遍挖深約5.3 m,雖然基坑工程安全等級及環境保護等級為三級,但考慮到位于高校校園,為確保師生安全及避免可能產生的社會穩定風險,基坑設計施工需要確保非常安全。圍護結構采用一排850@600三軸水泥土攪拌樁內插H700×300×13×20型鋼的圍護形式,攪拌樁有效長度14.3 m,型鋼有效長度為15.0 m,型鋼采用插一跳一的形式。貼邊深坑區域坑內采用雙軸攪拌樁加固,樁長4.0 m,壓密注漿封底。支撐體系在豎向設置一道鋼管支撐,支撐平面布置為對撐+角撐的形式（見圖1）。圈梁采用鋼筋混凝土結構,截面尺寸1 200×700,混凝土強度等級C30,支撐采用609×16鋼管,聯系桿采用H488×300× 11×18型鋼。

基坑施工期間需要設置立柱來承受水平支撐及其上的豎向荷載,立柱采用H488×300×11×18型鋼,長度15.0 m。鋼立柱在穿越底板的范圍內需設置止水片。該工程基坑降水共需設置12套輕型井點,開挖前降水至坑底以下0.7 m。

該項目基坑開挖面積大,設一層地下室,開挖深度5.3～6.6 m,形狀呈梯形,總基坑面積達7 680 m2,結合底板后澆帶進行分區施工,整個基坑的圍護結構在保證安全的前提下,盡可能方便施工。

圖1 基坑分區平面示意圖

2 周邊環境

該工程項目周邊環境較為復雜,北側為經三路,南側為經四路,東側緯二路,西側緯三路。道路上分布有污水、雨水、路燈等管線。部分管線在基坑開挖影響范圍以內。

其余環境分別描述如下（見圖2）:北側為校內已建經三路和校內空地,場地內均為雜草；南側為校內已建經四路和校內綠化場地,場地內均為綠化草皮；東側為已建緯二路和在建環境科學樓,緯二路兩側分別有DN300污水管和DN600雨水管,東側在建建筑已結構封頂,距離該工程基坑邊約50 m；西側在建建筑正在打樁施工,距離該工程基坑邊約50 m。

圖2 周邊環境實景圖

3 監測項目及測點布設

3.1 監測項目

基坑開挖施工的基本特點是變形的時空效應。在進行基坑開挖及支護施工過程中,每個分步開挖的空間幾何尺寸和開挖部分的無支撐暴露時間,都與圍護結構、土體位移等存在較強的相關性。這就是基坑開挖中經常運用的時空效應規律。做好監測工作可以可靠而合理地利用土體自身在基坑開挖過程中控制土體位移的潛力,從而達到保護環境、最大限度保護相關方面利益的目的。

根據該工程的設計要求、周圍環境、基坑本身的特點及相關工程經驗,按照安全、經濟、合理的原則,測點布置主要選擇在3倍基坑開挖深度范圍內布點。

該工程監測內容主要包括兩大類:

（1）基坑圍護結構體系監測

圍護結構頂部水平位移、垂直位移監測；圍護體深層側向變形（測斜）監測；支撐軸力監測；立柱垂直位移監測；地表垂直位移監測；坑外水位監測。

（2）周邊環境監測

地下綜合管線垂直位移監測；圍墻垂直位移監測。

3.2 測點布設

各監測項目的測點布設位置及密度應與樁基施工、圍護施工的區域、圍護結構類型、基坑開挖順序、被保護對象的位置及特性相匹配,同時參照圍護結構位置、形式等參數進行測點布置,同時也注意了斷面的布設,主要為了解變形的范圍、幅度、方向,從而對基坑變形信息有一個清楚全面的認識,為圍護結構體系和基坑環境安全提供全面、準確、及時的監測信息。

設計各監測項目布點情況如下:

（1）垂直及水平位移測點設置共用點,采用圍護樁（或頂圈梁）內埋設沉降標志的方式布設測點,監測點布設間距20 m。

（2）SMW工法樁的基坑圍護側向位移變形（即為測斜）測斜管應隨基坑圍護同步埋設。將測斜管用束節逐節連接一起,連接時管口對齊,管與管連接口應涂上PVC膠水,在束節4個方向用自攻螺絲固緊束節與測斜管,每個束節接頭兩端用防水膠布包扎,防止水泥漿滲入管內。

（3）坑外地表沉降剖面監測點按設計位置用鋼筋布設在原狀土內,遇到路面等,應將結構層打穿再布設,確保監測點隨周邊的土體同步變形。

（4）坑外潛水水位監測點布設擬在基坑周圍一定范圍內布置潛水水位觀測孔,具體位置可能會視地下障礙物分布情況適當調整。

（5）對各類地下管線的監測點應盡可能采用直接監測點對其進行監測,在現場條件受限制的時候也應采用設置模擬監測點對其監測。

綜上所述,對布設的各類監測元件情況及數量進行統計（見表1）。

表1 基坑各類監測項目布設情況統計表

4 監測技術要求

4.1 精度要求

根據上海市《基坑工程施工監測規程》（DG/TJ 08-2001-2016）（J 13459-2016）中要求,監測不得低于以下指標:

（1）水平位移對中誤差小于±0.5 mm,水平位移測量監測點坐標中誤差1.0 mm；

（2）垂直位移監測網測站高差中誤差±0.15 mm,監測點測站高差中誤差0.15 mm；

（3）振弦類的傳感器感測分辨率不大于0.2%（F.S）,精度為±0.5%（F.S）；

（4）地下水位的觀測精度不應低于±1 cm；

（5）測斜儀的系統精度不低于±0.25 mm/m,分辨率不低于±0.2 m/500 mm。

4.2 監測頻率

根據上海市《基坑工程施工監測規程》（DG/TJ 08-2001-2016）（J 13459-2016）及設計相關要求,監測工作自始至終要與施工的進度相結合,監測頻率應與施工的工況相一致,應根據基坑施工的不同階段合理安排監測頻率（見表2）。

表2 各項監測項目監測頻率表

各監測項目的測試及測量頻率,根據實際的開挖順序和監測數據變化情況,調整各監測點的實際監測項目和監測頻率滿足工程要求。

4.3 報警指標

監測報警指標一般以累計變化量和變化速率兩個量控制,累計變化量的報警指標一般不宜超過設計限值。該工程報警指標擬定見表3。

表3 各項監測項目報警值

5 監測數據分析

根據表4施工工況,該工程監測從2016年3月15日開始至2016年10月29日結束,共計完成監測100次。

為了便于直觀分析各監測點變化情況,根據監測成果按監測項分別分析。

（1）圍護墻頂沉降位移監測

該工程在施工期間圍護墻頂沉降變形趨勢比較明顯。其中,基坑挖土期間呈現明顯下降趨勢。底板澆筑完成至回填結束后各監測點逐漸趨于穩定,整個監測過程中,墻頂垂直位移均未達到報警值。

表4 施工工況匯總一覽表

圍護墻頂沉降累計最大點為WY09,累計量達-10.13 mm。分析其原因,由于此處重型挖土車輛經過,加上施工期間雨水較多,雨水的沖刷導致土體的下滑,是造成基坑圍護墻體沉降的主要原因。

（2）圍護墻頂水平位移監測

在開挖至底板澆筑階段,各監測點均有不同程度向基坑內位移,至底板澆筑完成后,隨著基坑底板強度的增加,變形逐步趨于穩定。其中,南北兩側變形較為明顯,由于預留土的挖除使基坑內外應力釋放,從而導致圍護體外側土體向坑內位移,在此期間WY7、WY8變形尤為明顯,最大位移量為9.2 mm。至回填結束后各監測點逐漸趨于穩定。整個監測過程中,墻頂水平位移均未達到報警。

（3）圍護體深層側向位移（測斜）監測

在基坑開挖至底板完成階段,各圍護墻體受坑外土壓力、水壓力等影響普遍向坑內位移,最大變形量為31.35 mm,深度約地下7.5 m。隨著地下結構的進一步施工,支撐拆除期間受拆除的影響,各圍護墻體向坑內位移,但變形較小,約3 mm。故可以表明,支撐拆除對圍護墻體的影響較小。隨著地下結構施工完畢至監測結束,最終各監測孔變形逐步趨于穩定。

（4）坑外水位監測

施工期間,隨著基坑內土體的挖出,坑外地下淺層水位呈現出明顯的下降波動趨勢,但波動幅度均在控制范圍內,未出現明顯的下降及報警情況。證明基坑圍護結構止水帷幕在該工程中發揮了良好的止水效果。監測數據表明,坑外水位累計最大值為-730 mm,均未達到報警值。

（5）支撐軸力監測

在基坑開挖至底板完成階段,各鋼支撐受坑外土壓力、水壓力等影響普遍受力增大,最大值達到1 304.8 kN,未達到報警值。隨著地下結構施工完畢至監測結束,最終各支撐軸力受力情況逐步趨于穩定。

（6）周邊地下管線監測

周邊地下管線及周邊道路地表在基坑開挖施工期間,均呈現出一定的下降趨勢。尤其在基坑開挖期間,在外圍土體向基坑方向變形的情況下致使周邊鄰近地下管線產生豎向方向的變形趨勢,至底板澆筑完畢最大變形為-8.78 mm。基坑地下結構施工至±0.00,各監測點變形逐步趨于穩定,在此過程中未發生險情。

（7）坑外地表沉降監測

施工期間,對周邊環境有不同程度的影響,其中靠近基坑北側、南側變形尤為明顯,最大變形值為-4.97～-25.47 mm,均未超過報警值。由此可見該工程圍護結構SMW工法樁擋土結構在該工程基坑施工過程中效果較好,在很大程度上控制了周圍環境的變形,達到了預期效果。

（8）基坑立柱垂直位移監測

施工期間基坑立柱整體呈現出一定的上抬趨勢,變形速率較小,最大上抬量為8.40 mm。其中基坑挖土期間上抬變形較為明顯。監測數據表明,施工期間未發生突變現象,均未達到報警值。

綜上,該項目在基坑施工過程中因坑內土體卸載、坑內降水等施工活動造成坑外土壓力、水壓力向基坑方向移動,圍護結構變形帶動基坑周圍土體下沉,使周邊環境及圍護結構產生不同程度的變形。在個別監測點速率較大及出現報警后,監測方加密監測頻率,觀察其變形值及變形速率,施工方優化施工工序,從而最大限度地控制了對周邊環境、地下管線的影響。

在該工程整個監測過程中,從監測的數據總體來看在可控制范圍內,圍護結構相對穩定,無重大險情出現。

整個監測期間基坑未發生流砂、滲漏、拱起及坍塌等異常現象,監測人員通過及時監測基坑形變和巡視周邊環境的變化,將信息反饋給相關單位,確保了人身、基坑及周邊環境的安全,保證了各項工作順利進行。

6 結 語

本文依托上海軟土地區某高校學科樓基坑項目,針對其位于高校校園內、地質條件差等情況,針對性地進行了監測布設與實施。監測過程中及時反饋調整,較好地解決了高要求下軟土基坑的建設難點。工程實踐表明,基于監測數據指導軟土地區基坑實施合理可靠,可以為類似工程提供參考。

[1]蔣國盛,李江民.基坑工程[M].武漢:中國地質大學出版社,2000.

[2]唐夢雄,陳如桂.深基坑工程變形控制[M].北京:中國建筑工業出版社,2006.

[3]劉建航,侯學淵.基坑工程手冊 [M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

[4]孫成雙,王要武.建筑項目動態風險分析方法研究[J].土木工程學報,2003,36(6):40-45.

[5]周紅波,姚浩,盧劍華.上海某軌道交通深基坑工程施工風險評估[J].巖土工程學報,2006,28(增):1902-1906.

[6]邊亦海,黃宏偉,李劍.可信性方法在深基坑施工期風險分析中的應用[J].地下空間與工程學報,2006,2(1):70-73.

TU7

B

1009-7716（2017）07-0303-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.091

2017-03-07

劉強（1987-）,安徽安慶人,助理工程師,主要從事房建項目管理工作。