SMW工法支護軟土深基坑施工對周邊環境影響監測

蘇昭劍

(福建省建筑設計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

在城市復雜密集地帶進行深基坑開挖施工，不僅要考慮基坑圍護結構本身的變形和穩定，還要考慮其對周邊環境(既有建筑物、道路、地下管線等)的不利影響[1]。在眾多基坑支護技術中，SMW(Soil Mixing Wall)工法支護在軟土深基坑工程中的得到廣泛地應用[2]。對SMW工法支護深基坑開挖施工對周邊環境的影響進行分析與研究，總結基坑工程實踐經驗，分析基坑工程事故與險情產生的原因，對于改進與完善SMW工法支護技術，使SMW工法支護結構在各種不利、復雜的工程地質條件下和對變形要求嚴格的基坑周邊環境下發揮作用，都具有十分重要的意義[3]。

基于此，本文運用科學的監測方法，對背景工程基坑開挖施工過程實施跟蹤監測，收集整理受影響的周邊環境的監測數據；分析基坑開挖對周邊敏感環境造成的影響：結合基坑開挖深度與實際工況，分析重點環境區域監測數據(樁頂水平位移、深層土體水平位移、鄰近建筑物沉降、道路沉降等監測值)的變化規律與變化趨勢[4-11]。

1 工程概況

1.1 場地周邊環境

本文研究的基坑工程實例，位于福州市鼓樓區，場地東側距離基坑10m左右為單位宿舍樓(淺基礎)。地下室為2層，開挖深度約為10m，基坑面積約為11 000m2。

1.2 水文地質條件

根據建設單位提供的《福州市某項目巖土工程勘查報告》， 場地內基坑開挖深度影響范圍內的主要土層如下：

①雜填土，厚度為3.50m～6.10m；

②淤泥，厚度為3.50m～14.30m；

②-1淤泥質土，厚度為1.70m～5.30m；

③(含泥)粉砂，厚度為2.90m～15.10m；

④粉質粘土，厚度為1.20m～3.60m；

⑤(含泥)粗中砂，未揭穿，揭示厚度為8.00m～12.30m。

基坑開挖深度影響范圍內的水文條件為：場地內含水層主要為③(含泥)粉砂及⑤(含泥)粗中砂中的孔隙承壓水水位標高約3.73m，滲透系數Km=10.23m/d?？辈炱陂g測得的鉆孔穩定水位埋深約為2.50m，工程地質典型剖面如圖1所示，土層物理參數如表1所示。

圖1 工程地質剖面圖

表1 土層物理參數表

2 基坑支護設計方案

基坑支護結構為單排SMW工法樁+兩道混凝土支撐組成的結構體系。SMW工法三軸攪拌樁截面為Φ850@600，樁長為25m，所采用的型鋼截面尺寸為H700×300×13×24，如圖2所示。第一道支撐底面標高是-3.20m，第二道支撐底面標高是-7.2m。構件尺寸：冠梁為GL1200×800，腰梁為YL1200×800，支撐為ZL1000×800，連梁為LL800×800。

基坑內沿圍護墻周邊土體，采用Φ850@700三軸攪拌樁加固，樁長4m,加固范圍寬6m?；又ёo剖面圖如圖3所示，支撐平面布置圖如圖4所示。

圖2 三軸攪拌樁截面圖

圖3 基坑支護剖面圖

圖4 基坑支撐平面布置與監測測點布置圖

2.1 基坑降水設計方案

(1)為保證地下室與基坑的正常施工，地下水位須降至承臺墊層底以下0.5m。該背景工程采用管井降水法，水位降深S為8.0m?；觾仍O置降水井54口，井底標高為基坑底以下18m，抽水流量為35t/h。管井采用焊接管，管徑325mm，壁厚5mm。共布設19口回灌井，井距6m，距SMW樁邊距離大于5m，根據現場施工情況進行回灌水。

(2)基坑頂周圍地面設截水溝，坡角設臨時小排水溝；基坑底四角及各邊按20m～40m間距挖一直徑800mm、深500mm集水井，集水井中的地下水由水泵抽到基坑頂截水溝，最后排入下水道中。

2.2 基坑監測方案

基坑開挖過程監測是基坑風險控制中必不可少的項目。通過對開挖過程中的基坑及其周邊環境的監測，直觀反映基坑本身的風險以及對周邊環境的影響。然后，借助信息化手段可以對基坑周邊風險的演變進行連續監測，出現險情后立即向相關責任人報警，及時采取應急措施，確保工程順利推進?；娱_挖過程監測主要目的是：

(1)及時向參建各方反饋基坑安全狀態；

(2)通過對基坑本身及周邊環境的監測，及時向參建各方反饋支護結構的變形、受力狀態，以及基坑周邊建筑、管線等安全狀態；

(3)評估基坑設計方案、基坑開挖方案的合理性。

2.2.1監測內容

根據相關規范，背景工程的基坑保護等級為一級。結合項目實際情況，該項目基坑開挖過程主要的監測內容：

(1)深層水平位移(測斜)

要想充分了解基坑在開挖過程中周邊土體對圍護結構的影響，應進行深層水平位移監測。挖出基坑內的土體后，基坑外土體發生變形。如果深層水平位移值太大，基坑結構以及周邊環境的安全都會受到影響。

(2)基坑周邊建筑物、周邊圍墻、周邊道路及基坑立柱沉降觀測。

隨著基坑開挖卸載，土體應力釋放后，圍護結構的變形、地下水位變化都可能引起基坑周邊建筑物、周邊圍墻、周邊道路及基坑立柱沉降。

(3)基坑圍護樁頂水平位移

坑內土體被逐漸挖掉后，圍護樁墻將向坑內發生側移，如果位移過大圍護墻將發生失穩，釀成重大安全事故。測斜值可以與樁頂水平位移值相比對，驗證監測數據的準確度。

(4)混凝土內支撐內力

隨著基坑開挖，混凝土內支撐內力將不斷變化，當其所承受的荷載超過設計允許值時，將會導致基坑支撐體系失效，引發安全事故。

(5)地下水位觀測

地下水對基坑變形及周邊環境的沉降有影響，對于承壓水位較高的情況，需要降低承壓水位。對基坑周邊水位觀測，可以及時了解基坑周邊水位變化情況，監測值超預警值時及時應對，保證周邊建筑的安全。

(6)周邊建筑物傾斜度觀測

通過對鄰近基坑建筑的傾斜度進行觀測，了解基坑施工過程對周邊建筑的影響情況。

2.2.2監測點的布置

基坑工程監測點的布置必須能反映監測對象的實際狀態及其變化趨勢，監測點應布置在具有變形關鍵特征點上，在滿足監控要求的前提條件下，還要保證不影響正常施工。所有的監測點要做好明顯標記，并做好保護，避免施工過程被破壞，從而保障監測數據的連續性并能及時準確地獲得監測數據。基此，該工程基坑東側局部區域鄰近建筑沉降監測點位布置圖如圖5所示，基坑監測的測點布置圖如圖4所示。

圖5 基坑東側局部區域鄰近建筑沉降監測點位布置圖

2.2.3監測頻率

施工監測項目的起始值在制定施工流程前明確，單個監測位置的觀測應至少采集3次，并選取3次的均值。在基坑開挖階段，應保證攪拌樁頂部的水平位移值監測頻率每天1次，其余類型監測頻率按以下標準執行：

基坑開挖深度應低于5m，且監測頻率應控制在2天1次；開挖深度在5m～10m，監測頻率應控制在1天1次；基坑深度大于10m，監測頻率應控制在2天1次?；拥牡装鍧仓?天內，監測頻率為每天1次；在1～2周時間內，監測項目的監測頻率值應設定為每2天1次；在2至4周內，監測頻率為每3天1次；超過4周以上，監測頻率應控制在每5天1次。

2.3 主要監測結果分析

2.3.1圍護樁頂水平位移分析

本文背景工程采用的是SMW工法樁配合混凝土內支撐相結合的基坑圍護形。該工程沿支護結構邊緣共布置了18個水平位移觀測點(S1～S18)，測點布置圖如圖5所示。觀測時間為2014年5月14日至2014年11月24日。在此期間，圍護樁頂水平累計位移最大值為8mm，測點編號為S13，未超出設計警戒值(10mm)，滿足設計要求。本文選取S16、S17、S18測點作分析，將水平位移繪制成時程曲線，如圖6所示。

分析結論：

(1)S16、S17、S18測點分別位于基坑長邊的靠邊、半中間、正中間位置。S16測點由于位于基坑角部，其樁頂水平累計位移值為3mm，明顯小于位于中部的S17、S18測點的樁頂水平累計位移值(6mm)。由此可見，基坑長邊中部是較薄弱位置，其監測數據對支護結構變形起到控制作用。

(2)5月14日至6月10日期間，S16、S17、S18測點樁頂水平累計位移值均為零；6月11日至7月20日期間，樁頂水平位移值逐步增加，隨著開挖土壓力釋放完成，第二道支撐的形成，樁頂水平位移趨于穩定。此見，圍護樁、冠梁、支撐形成的支護結構體系，對抑制樁頂水平變形起著很好的協調作用。

2.3.2深層土體水平位移分析

從深層土體水平位移監測值的變化，能推斷開挖對基坑開挖周邊環境造成的的影響。深層土體的水平位移通過側斜管進行監測，在前文中已經論述了側斜管的安裝方法及測量原理，這里不再贅述。該工程共設置了18個測斜監測點，測點編號為C1～C18，測點的平面布置圖如圖4所示，采用專用的測斜儀對土體深層水平位移值進行測量。測量值顯示，在基坑開挖過程中，深層土體最大水平位移為20.96mm，出現在測點C16測斜孔-9.0m位置處，均未達到設計警戒值(50mm)，滿足設計要求。本文選取C10這個測點在不同時間段中的測斜情況進行分析，監測數據如圖7所示。

圖7 C10監測點深層水平位移過程圖

分析結論：

C10監測點處于基坑支護結構外邊緣，地理位置靠近海潮東路南側。分析圖7中C10監測點監測數據可以看出，隨著土體開挖加深，各個深度的位移在明顯增大。最大位移約為18mm，其深度位置出現在支護結構頂部以下5m附近，而不是出現在支護結構頂部，這說明基坑支撐結構起到限制圍護墻變形的作用。

2.3.3周邊道路沉降分析

在基坑北側海潮路共設置20個測點，觀測基坑周邊道路沉降情況(圖4)。觀測時間：2014.5.14～2014.11.17。其中，最大累計沉降量為19.6mm(D6點)，未達到預警值25mm，滿足設計要求。本文選取測點D8～D20共13個監測數據進行分析，沉降過程曲線圖如圖8所示。

圖8 基坑周邊道路沉降過程曲線圖(D8～D20)

分析結論：

從圖8可以看出，5月中旬基坑挖土開始，隨著開挖加深各測點沉降量逐漸加大，6月中旬至7月中旬期間(開挖第一道支撐至坑底之間土層)沉降速率較大。而后地下室底板完成后，沉降速率趨于平衡，最終沉降趨于穩定。

2.3.4基坑地下水位分析

該工程沿著支護墻外邊緣設置18個觀測孔(W1～W18)，孔深為14m，觀測時間：2014.5.14～2014.11.3。本文選取W1～W7共7個觀測孔水位監測數據進行分析。地下水位變化過程曲線如圖9所示。

圖9 基坑地下水位變化過程曲線

從圖9地下水位變化過程曲線可以看出，5月中旬至10月中旬，實施管井降水期間水位總體呈下降趨勢；7月中旬采取回灌水措施后，水位短暫回升，而后進入平緩下降狀態，最終趨于穩定。

2.4 鄰近建筑沉降原因分析

2.4.1沉降監測結果分析

該項目三倍挖深范圍內的重要建筑物主要集中在東側，因此，對東側宿舍樓進行基坑開挖過程中的沉降監測，共布置了沉降觀測點33個，監測點布置圖如圖5所示。在施工過程中，F5、F19、F20 3個測點被破壞，因此沒有監測數據。觀測時間：2014.2.18～2014.10.24。最大沉降值發生在F28點，沉降值為28.25mm。共有11個觀測點沉降量超過設計預警值10mm。

本文選取F31、F32、F33等3個測點進行分析，將監測數據繪制成沉降時程曲線，如圖10所示。

圖10 基坑邊鄰近建筑物沉降時程曲線(測點F31～F33)

對照基坑開挖施工進度，分析以上監測圖表數據，可以得出以下結論。

(1)30個沉降監測點(不含F5、F19、F20)隨基坑開挖加深沉降量逐漸變大，曲線變化趨勢大致相同；隨時間推移，沉降速率變緩，最終沉降趨于穩定。

(2)3月10日開始基坑降水后，累計沉降值F31為16mm、F32為5mm、F33為14mm，開挖前的這一階段的沉降僅是由于降水引起的；從開挖至第一道支撐形成(5月20日至7月9日左右)，各監測點沉降速率進入一個穩定階段；第二道支撐形成后(7月10日左右)，各監測點沉降先是得到抑制并回彈，而后進入緩慢而平穩沉降階段。

(3)共有11個監測點累計沉降量達到10mm以上，超過監測預警值，施工單位調整基坑降水量，沉降得到控制。累計沉降最大的監測點F28(累計沉降量為28.25mm)，不是靠基坑邊最近的監測點；但是這30個測點累計沉降量的總體分布情況是距離基坑邊越遠累計沉降量越小。

2.4.2沉降量超預警值原因分析

(1)基坑降水引起鄰近建筑物(水產局宿舍)沉降。基坑開挖施工前20d，施工方按基坑降水設計要求，在基坑內設置54口降水井，從坑底以下18m用水泵抽取地下水。按設計要求水位應降至基坑底以下0.5m。從圖10可以看出3月15日左右F31、F32、F33觀測點下降速率突然增大，此時坑內尚未開始挖土。因此，可以推斷出這一期間的鄰近建筑沉降是由于坑內降水引起的。

(2)基坑開挖后，坑內土壓力卸載，產生不平衡力，東側圍護墻及坑外土體向坑內開挖區方向移動，引起坑外地面沉降，從而引起東側鄰近建筑物沉降。分析東側深層水平位移觀測點C7觀測值可以發現，其最大水平位移發生在8m～9m深度附近，如圖11所示?？梢酝茢?，東側C7點附近圍護墻水平位移也發生在8m～9m深度附近，即第二道支撐梁以下。因此，可以通過加固坑內圍護墻周邊附近土體，抑制圍護墻的側向變形，從而控制東側周邊鄰近建筑物的沉降。

圖11 C7觀測點深層水平位移過程圖

2.4.3控制鄰近建筑物沉降的設計方案改進建議

(1)原降水設計中要求水位降至坑底以下0.5m，施工方以此為標準安排降水，結果造成水位被降得太低。建議在保證坑底不發生突涌的前提下，根據現場情況調整降水高度(S)。降水井數量建議控制在15口左右；同時，關注地下水位觀測值及鄰近建筑物沉降值動態，及時調整抽水量。在發生沉降預警時，及時安排回灌水。

(2)建議靠東側坑內土體加固的Φ850@700三軸攪拌樁，樁長由原設計4m增加至8m，樁底標高不變，樁頂向上延伸約至與淤泥層頂面平。

3 結論

(1)監測數據分析表明，基坑開挖對周邊環境的影響：隨著基坑開挖加深，周邊鄰近建筑物沉降、土體深層水平位移、周邊道路沉降監測值均呈現增加趨勢，再隨著兩道的設立支撐及地下室底板的施工完成，監測值變化進入緩慢而平穩增加階段，最終監測值變化趨于穩定。

(2)深基坑開挖過程中，圍護墻變形值未超出警戒值，滿足設計要求。圍護墻與冠梁、腰梁、兩道支撐形成的支護結構體系，對抑制圍護樁墻水平變形起著很好的協調作用。本工程SMW工法支護結構是有效可靠的。

(3)基坑東側既有建筑的沉降值部分監測點沉降量超出預警值，施工方及時采取回灌措施后，沉降得到控制?；又苓呁馏w深層水平位移值及周邊道路(坑外地表)沉降值都在設計允許范圍內，深基坑開挖過程中，基坑周邊環境是安全的和穩定的，基坑開挖給周邊環境造成的影響處于可控的范圍內。

(4)分析得出基坑開挖期間東側既有建筑物沉降量超預警值的原因為：基坑降水的水位降深過大；基坑東側圍護墻8m～9m深度處側向位移較大。

(5)提出控制鄰近建筑物沉降的設計方案改進建議：原降水設計中要求水位降至坑底以下0.5m，水位降得太低，應在保證坑底不發生突涌的前提下根據現場情況調整；建議靠東側坑內地基土采用三軸攪拌樁加固，樁長增加至8m，樁底標高不變，樁頂向上延伸約至與淤泥層頂面平。