武漢某基坑支護工程施工監測分析

王建筱, 范 然, 李光誠

(湖北省城市地質工程院,湖北 武漢 430072)

為將基坑施工過程中地表位移和變形量盡可能的降到最小,并減少基坑開挖對周邊環境設施以及建筑物產生的不利影響,需要對潛在的移動和變形做出正確的預測和估計,從而據此選擇最適宜的施工方案和技術,并制定完善的措施積極應對可能出現的狀況,也可通過調整施工工藝或者修改設計參數,將差錯減小到最小[1]。因此,只有在深基坑的施工過程中,對基坑周圍的土體、支護結構以及相鄰的構筑物進行系統全面的監測,對周邊環境的變化情況進行實時的把控,才能對基坑工程本身的情況有徹底的了解,才能保證工程順利安全的進行。現場的監測數據是基坑施工全工程沉降變化的客觀反映,也是人們認識基坑沉降變形特點的有效途徑。當通過監測結果發現現場出現異常情況時應及時將存在的問題進行反饋并分析原因,積極采取相應的工程應急措施,以確保工程安全順利進行。

1 工程概況

東湖城K4地塊位于武漢市洪山區團結大道以南鐵機汽車展銷中心征地范圍內。基坑南北長約130.58 m,東西寬約74.33～96.00 m,周長約462 m,地下室開挖面積約12 874 m2,開挖深度9.6～10.0 m。

基坑北側為4S店停車場,東臨4S店,南為拆遷空地,西與正施工的另一工地相接。

2 工程地質條件

2.1 地層巖性

場地內地勢較平坦,場地整平標高為20.80 m,地貌單元屬長江I級階地。本場地在勘探深度59.5 m范圍內所分布的地層除表層分布有0.5～3.2 m厚(1-1)層素填土(Qml)、0.5～2.0 m厚(1-2)層淤泥(Ql)外,其下為第四系全新統沖積成因(Q4al)的粘性土及砂土,下伏基巖為白堊系—下第三系(K-E)粉砂質泥巖、砂礫巖。典型地質剖面圖見圖1。

2.2 水文地質條件

本場地地下水主要包括賦存于(1-1)層素填土中的上層滯水及下部砂土層中的承壓水。上層滯水水位、水量隨季節變化,主要受大氣降水、生活排放水滲透補給,穩定水位埋深0.6～1.7 m;承壓水位埋深為5.8 m,承壓水水頭高度年變幅為3.0～4.0 m。因被(2)、(3)層阻隔與上層滯水無水力聯系。

3 基坑支護設計方案

3.1 方案設計

依據有關規范[2-3],根據地質條件及周邊環境情況,確定本基坑工程安全重要性等級為一級,典型支護剖面見圖2、圖3。參考武漢常用基坑支護形式與經驗,關于基坑支護方法的選擇考慮如下:

(1) 本工程擬建二層地下室,基坑開挖9.60～10.00 m,深度較大,周邊距紅線較近,坑壁土層軟弱,不能采用錨桿(索),也不具備雙排樁的布置空間,為控制變形,采用鉆孔灌注樁+內支撐支護是較成熟的方法。

圖1 典型地質剖面圖Fig.1 Typical geological profile

圖2 典型支護剖面圖1Fig.2 Typical cross section of excavation 1

(2) 支撐豎向位置選擇:由于支護樁與紅線間可用空地局限,且需布置現場施工道路,因此西側支護樁樁頂勢必抬到地面附近;北側與東側因放坡距離不足,也需抬升樁頂到地面附近,只有基坑南側存在樁頂放坡的空間。若在樁頂設冠梁處架設支撐,則支撐與坑底距離過大,造成樁身彎矩大,支護樁樁徑和配筋同樣會較大,產生經濟浪費,因此選擇設置腰梁布支撐的方案,基坑西側、北側與東側腰梁和支撐設于地面下2.3 m處,南側配合樁頂放坡,樁頂下落,不設腰梁,支撐支于冠梁。支護結構受力較理想。

圖3 典型支護剖面圖2Fig.3 Typical cross section of excavation 2

(3) 支撐平面布置:基于主樓關鍵線路的工期考慮,支撐平面上盡量避讓主樓,南邊支撐不夠的區段,設雙排樁支護予以加強。

(4) 豎向止水帷幕:擬采用雙排單軸攪拌樁作止水帷幕。

綜上所述,支護結構主要采用鉆孔灌注樁+鋼筋混凝土支撐的支護形式,部分區段為雙排樁支護,雙排單軸攪拌樁作止水帷幕。

3.2 理論分析

采用彈性抗力計算法對各剖面進行計算,結果顯示基坑水平位移在20～36 mm之間,被動區最小抗力安全系數均≥1.2,滿足規范要求,可證明此設計方案可滿足基坑使用要求,理論計算方面是安全可靠的。

4 監測方案

4.1 監測項目

根據相關規范要求[4],本基坑按一級基坑進行監測,確定監測項目包括:基坑地表沉降、基坑周邊建筑物沉降、臨近基坑高壓電塔沉降、立柱沉降、冠梁沉降、支護樁頂水平位移、支撐軸力、支護樁測斜監測等。本文選取支護樁頂水平位移、支護樁深層水平位移、臨近基坑高壓電塔沉降,支撐軸力四個項目監測數據進行分析。

4.2 監測點布置

從土方開挖至回填結束,對基坑及周邊建筑物監測進行了全過程動態監測信息化施工,監測點平面布置見圖4。

圖4 基坑監測點平面布置圖Fig.4 Layout of monitoring points

5 監測數據分析

2017年5月22日開始土方開挖,自此對基坑進行了初始監測,監測于8月16日結束。9月25日地下室底板全部澆筑完成,之后逐步拆除部分支撐,并于11月6日完成全部拆撐工作,11月12日完成地下室回填。

通過獲取實時監測數據,選取典型數據進行處理分析,并與理論計算值進行對比,以驗證支護方案的合理可行。

5.1 支護結構頂部水平位移監測

選取S3、S8、S13、S17、S21、S24六個典型監測點進行分析,各監測點水平位移隨時間變化曲線如圖5所示。

圖5 支護結構頂部水平位移變化曲線圖Fig.5 Curve of horizontal displacement at the top of supporting structure

由圖5可知,隨著基坑的不斷開挖,支護結構頂部水平位移變化整體上呈增長趨勢,8月13日前各監測點位移變化量差距較小,之后差距逐漸變大,11月11日出現最大位移值17 mm,根據施工現場記錄可知,11月6日完成了混凝土支撐的全部拆除,由此可以說明基坑開挖對周邊土層水土壓力的改變需要經過一定的時間[5],同時支撐的設置與拆除對基坑整體受力狀態起到重要的影響。支護結構上的土壓力是隨著開挖進程逐步形成,又隨著支撐的設置而產生受力狀態的改變。基坑東側外有構筑物,荷載較大,S3與S8均位于此側,相對其他監測點,位移值較大。

5.2 深層水平位移監測

深層水平位移監測是考察支護結構安全狀況的重要指標。根據CX11監測點監測結果,繪制水平位移變化曲線(見圖6)。2017年6月24日,最大水平位移值為1.39 mm,出現在-5 m深度處,8月31日與9月21日,在地表下1～2 m處位移量為負值,略有異常。11月12日在-4 m處出現最大水平位移值9.01 mm。此變化趨勢與施工工況有關,-3.1 m處設置支撐后,支撐力較大推動基坑外移,負值產生,9月25日開始逐步拆除支撐,直至11月6日全部拆除完畢,在原支撐設置處附近(-4 m)出現了位移值。整體而言,該監測點深層水平位移前期變化幅度較小,后期變化較大,由此說明支撐體系的設置與拆除在控制基坑變形方面起著重要作用。

圖6 CX11監測點水平位移—深度關系變化曲線圖Fig.6 Relationship curves between horizontal displace and depth of CX11 monitoring points

5.3 臨近高壓電塔沉降監測

臨近基坑東側有兩座高壓電塔,在高壓電塔四周選取D1、D2、D3、D4分析,各監測點沉降變化曲線如圖7。從圖7可知,4個監測點沉降量隨時間變化趨勢一致,沉降量均較小,數值上相差甚微,累計最大沉降量為5.12 mm,出現在D3監測點,由此說明該基坑的開挖對高壓電塔的沉降影響很小,基坑支護措施有效,起到了必要的保護作用。

圖7 高壓電塔沉降變化曲線圖Fig.7 Settlement curves of high voltage towers

5.4 支撐軸力監測

通過對采集數據的處理分析,繪制支撐軸力隨時間變化曲線(見圖8)。在基坑開挖初期,支撐軸力都在逐漸增大,這是由于基坑開挖使迎土側主動土壓力增大,導致圍護樁水平方向上有向基坑內側發展的趨勢,從而使軸力增大;9月21日基坑底板澆筑完成后,各支撐軸力出現下降并趨于穩定,之后局部角撐的提前拆除,對未拆除支撐的受力產生影響,軸力出現波動。

圖8 支撐軸力變化曲線圖Fig.8 Variation curve of axial force

6 結論

通過對基坑監測結果的分析,得出以下結論:

(1) 支撐的設置對支護結構頂部與深層水平位移均有重要影響,土方開挖的逐步加深使支護結構頂部與深層水平位移增加,且隨著土體開挖而呈現出波動性變化,而支撐的設置會抑制這種變形,支撐的拆除又會引起位移的小幅增長。

(2) 基坑支護措施的合理建立,可以有效控制周邊土體及臨近建(構)筑物的沉降變形。選擇可靠的基坑支護方案不僅能夠保證基坑與周邊環境的安全,同時有利于施工組織的連續開展,節省工期。

(3) 支撐軸力的變化主要受施工工況、周邊荷載等因素的影響呈規律性波動。

(4) 監測工作對于基坑施工而言,十分必要,為基坑信息化施工提供了基本手段,將變形控制在安全的范圍內,當出現超過報警值的情況時,及時報警,采取相應的措施,能夠很好的保證工程的安全進行。