緊鄰既有建筑物的異形深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工變形控制技術(shù)

游易楚

(福州新榕城市建設(shè)發(fā)展有限公司 福建福州 350005)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程和社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，各大城市中心城區(qū)可開(kāi)發(fā)的土地資源越來(lái)越短缺，與城市公共建筑需求急劇增長(zhǎng)的矛盾日益凸顯，導(dǎo)致緊鄰既有建筑的異形深基坑工程項(xiàng)目建設(shè)日益增多[1-4]。然而，深基坑施工極易引發(fā)周邊既有建筑產(chǎn)生不均勻沉降、建筑整體傾斜、周邊管網(wǎng)破裂等危害[5-8]，尤其是緊鄰公共建筑的深基坑，但目前其相關(guān)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)的研究成果較少[9]，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)階段緊鄰既有建筑異形深基坑工程項(xiàng)目實(shí)踐的要求。

因此，緊鄰公共建筑的異形深基坑設(shè)計(jì)、施工與基坑變形控制技術(shù)均應(yīng)進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)的設(shè)計(jì)與分析[10-11]，如何減少和控制異形深基坑對(duì)緊鄰公共建筑的影響，成為巖土工程界當(dāng)前亟待解決的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題[14-15]。

基于此，本文以某緊鄰既有建筑的異形深基坑工程項(xiàng)目為背景，將動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工相結(jié)合，對(duì)緊鄰公共建筑的異形深基坑設(shè)計(jì)與施工技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)性總結(jié)，在對(duì)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，研究不同施工階段基坑內(nèi)地下水位、支撐軸力及基坑周?chē)O(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降和水平位移隨時(shí)間的變化規(guī)律，及其對(duì)緊鄰既有公共建筑物沉降與傾斜的影響。

1 工程概況

福州市某醫(yī)院新建病房綜合大樓總用地面積2504.2m2，設(shè)3層地下室，基坑承臺(tái)墊層底標(biāo)高為-12.80～-17.45m，最大開(kāi)挖深度17.25m，即最大埋深17.25m，基坑周長(zhǎng)約215m，面積約2294 m2，整體平面形狀如圖1所示。深基坑四周均緊鄰醫(yī)院內(nèi)既有建筑，基坑陽(yáng)角兩側(cè)均緊鄰23.9m高的醫(yī)院內(nèi)部建筑，其中西側(cè)為門(mén)診樓(砼5～6，樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)約15m，距離約4m)；南側(cè)為病房樓(砼8F，樁基礎(chǔ)，樁長(zhǎng)約15m，距離約4m)，基坑典型支護(hù)剖面如圖2所示。

場(chǎng)地內(nèi)土層及厚度，自上而下依次為：(1)雜填土4.8m；(2)淤泥3.4m;(3)花崗巖殘積砂質(zhì)粘性土13.4m；(4)全風(fēng)化花崗巖10.2m；(5)砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖4.8m；(6)中風(fēng)化花崗巖。

圖1 基坑支護(hù)平面布置圖

(a)-17.25m

(b)-15.50m圖2 緊鄰門(mén)診樓基坑支護(hù)剖面圖

場(chǎng)地地下水有兩種類(lèi)型：表層潛水和基巖裂隙中的承壓水。勘察期間測(cè)得鉆孔孔內(nèi)初見(jiàn)水位埋深距離現(xiàn)地表1.10m～2.10m(標(biāo)高7.34m～7.50m)，穩(wěn)定水位埋深距離現(xiàn)地表0.90m～1.80m(標(biāo)高7.58m～ 7.82 m)，地下水的變化幅度(3～5年)0.50m～1.00m。場(chǎng)地(3～5年)年最高水位(標(biāo)高) 為8.50m；歷史最高水位(標(biāo)高) 9.00m。

2 基坑設(shè)計(jì)方案

2.1 基坑支護(hù)形式

根據(jù)異形基坑開(kāi)挖深度、周?chē)h(huán)境、水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件，該工程基坑支護(hù)形式采用排樁+3道內(nèi)支撐，坑內(nèi)局部承臺(tái)超挖部分，根據(jù)開(kāi)挖后的地質(zhì)情況，采用1∶1～2.5自然放坡支護(hù)。

支護(hù)樁采用咬合樁，鋼筋混凝土灌注樁樁徑1100 mm，素混凝土樁樁徑800 mm，鋼筋混凝土灌注樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30水下混凝土，素混凝土樁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為超緩凝C20水下混凝土，兼顧擋土與止水雙重功能，圍護(hù)樁間采用C20噴射砼面板。

2.2 基坑及邊坡的集水明排體系

咬合灌注樁不僅有效地確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形控制要求，同時(shí)也起到了止水及止泥的有利作用。

根據(jù)地下水埋藏條件及地質(zhì)情況，該工程采用明溝排水方案：(1)基坑坡頂四周應(yīng)設(shè)截(排)水溝，坑內(nèi)設(shè)置排水盲溝，于基坑陰角或每隔50 m設(shè)置坑內(nèi)集水井；(2)基坑內(nèi)分層開(kāi)挖時(shí)，設(shè)坑內(nèi)臨時(shí)排水溝及集水井；(3)在冠梁頂原自然地面設(shè)置四周明溝排水；(4)水均自然(抽)排至沉淀池后，集中抽送至市政排水系統(tǒng)中。

2.3 針對(duì)性保護(hù)措施

為保證基坑施工的安全性和緊鄰建筑物的正常使用，針對(duì)緊鄰既有建筑物異形深基坑特點(diǎn)，提出多項(xiàng)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案與施工變形的控制措施：

(1)針對(duì)異形基坑陽(yáng)角部位變形大特點(diǎn)，基坑支護(hù)方案將水平桁架支撐調(diào)整至陽(yáng)角部位，并加強(qiáng)支撐剛度，有效控制了基坑異形部位的變形。

(2)調(diào)整桁架支撐截面尺寸，增強(qiáng)支撐剛度，增加截面配筋，提高截面承載力。

(3)增大基坑陽(yáng)角部位圍護(hù)樁樁長(zhǎng)，加大樁徑，加密樁間距，增加圍護(hù)樁配筋，有效提高了圍護(hù)樁抗彎、抗剪承載力。

(4)為減少基坑土體開(kāi)挖對(duì)緊鄰建筑的不利影響，在基坑與既有建筑物之間增設(shè)一排6m深18#槽鋼，減少冠梁施工階段土方開(kāi)挖的不利影響。

(5)根據(jù)基坑安全“木桶效應(yīng)”，適當(dāng)提高基坑異形部位和緊鄰既有建筑物部位的設(shè)計(jì)安全冗余度，將基坑的施工安全“短木板”轉(zhuǎn)移到基坑不利部位之外，確保整體基坑的安全性和有效性。

3 基坑監(jiān)測(cè)方案

3.1 監(jiān)測(cè)目的

在施工期間，對(duì)可能發(fā)生的危及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建(構(gòu))筑物、管線(xiàn)等周邊環(huán)境安全隱患或事故，提供及時(shí)、準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。掌握支護(hù)結(jié)構(gòu)體、周邊建(構(gòu))筑物的變形和受力等情況，當(dāng)變形超過(guò)預(yù)警要求或現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)異常情況時(shí)及時(shí)預(yù)警，為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工第一時(shí)間提供數(shù)據(jù)支撐。

3.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

施工過(guò)程，除對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)及坡頂進(jìn)行變形觀(guān)測(cè)外。還對(duì)周邊的建筑物、永久性管線(xiàn)和市政道路進(jìn)行變形觀(guān)測(cè)、深層水平位移(測(cè)斜)、地面水平位移及沉降、地下水位觀(guān)測(cè)、立柱變形、支撐軸力等。

同時(shí)，針對(duì)緊鄰既有建筑物異形基坑特點(diǎn)，對(duì)緊鄰既有建筑物的基坑轉(zhuǎn)角處及緊鄰建筑物增設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。整個(gè)項(xiàng)目監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況如圖3所示。

圖3 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

3.3 監(jiān)測(cè)預(yù)警

基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的預(yù)警值，主要有累計(jì)值和變化速率。當(dāng)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)或周邊土體的位移值明顯增大，或基坑出現(xiàn)涌砂、管涌、隆起、陷落或較嚴(yán)重的滲漏等，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)支撐體系出現(xiàn)過(guò)大變化、壓屈、斷裂、松馳或拔出的跡象，周邊建筑的結(jié)構(gòu)部分或周邊地面出現(xiàn)較嚴(yán)重的突發(fā)裂縫或危害結(jié)構(gòu)的變形裂縫等，監(jiān)測(cè)預(yù)警則即刻發(fā)出時(shí)應(yīng)報(bào)警。

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析與方案評(píng)價(jià)

4.1 基坑坑頂沉降與水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

基坑坑頂沉降與水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿基坑周邊布置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距不大于 20m。

基坑坑頂沉降監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線(xiàn)如圖4所示，從圖4中可以看出，基坑坑頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變化量為-4.01mm～3.45mm，整體發(fā)展較平穩(wěn)，靠近既有建筑且較深的基坑西側(cè)部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，主要為負(fù)值(下沉)；基坑?xùn)|側(cè)部位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，最終沉降主要為正值(上浮)；表明了軟土基坑存在不同程度的隆起現(xiàn)象。

圖4 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降累積變化量時(shí)程曲線(xiàn)圖

基坑西側(cè)緊鄰既有建筑物的基坑陽(yáng)角和陰角兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降監(jiān)測(cè)值對(duì)比如圖5所示。從圖5中可以看出，在基坑開(kāi)挖后，位于陰角角點(diǎn)的SJ14監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降表現(xiàn)為負(fù)值(下沉)，角點(diǎn)附近各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降發(fā)展總體趨勢(shì)較為一致；隨著基坑開(kāi)挖深度增大，沉降逐漸增大，但沉降發(fā)展速率和最終累計(jì)沉降量，均處于安全可控的范圍，證實(shí)了該支撐方案的有效性。

圖5 基坑陽(yáng)角和陰角兩側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降累積變化量時(shí)程曲線(xiàn)圖

基坑坑頂水平位移監(jiān)測(cè)時(shí)程曲線(xiàn)如圖6所示。從圖6中可以看出，基坑開(kāi)挖基坑坑頂水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變化量為2mm～18mm，各測(cè)點(diǎn)說(shuō)位移發(fā)展總體趨勢(shì)較為一致，其中，SJ9、SJ10、SJ5和角部的SJ13和SJ14水平位移較大，大部分在緊鄰既有建筑物附近，受基坑側(cè)既有建筑物的影響較大。

從上述分析可知，緊鄰基坑既有建筑是影響整個(gè)異形基坑坑頂沉降和水平位移的重要因素；同時(shí)，整個(gè)基坑尤其是基坑緊鄰既有建筑物的異形部位的坑頂沉降和水平位移，整體控制較好，且沿基坑線(xiàn)上分布也較均勻。這種現(xiàn)象側(cè)面反映了緊鄰建筑物區(qū)域采取的針對(duì)性加強(qiáng)措施是有效的。

圖6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移累積變化量時(shí)程曲線(xiàn)圖

圖7 SJ1～15監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積變化量(mm)

各基坑坑頂水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變化量如圖7所示。從圖7中可以看到，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移累積變化量為2mm～18mm，累計(jì)變化量最大的點(diǎn)為SJ9(18mm)，累計(jì)變化量均未超過(guò)預(yù)警值。

4.2 支撐軸力監(jiān)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在支撐內(nèi)力較大或者在整個(gè)支撐系統(tǒng)中，起控制作用的桿件上各支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線(xiàn)如圖8所示；各層支撐軸力最終監(jiān)測(cè)值如圖9所示。從圖9中可以看出，各支撐軸力監(jiān)測(cè)值較大的依次為ZL6-2、ZL1-2、ZL2-2，均位于第二道支撐，其中ZL1-2位于基坑西側(cè)角部支撐，為各角部支撐中的最大值；基坑異形陽(yáng)角部位支撐未出現(xiàn)較為不利的支撐軸力，驗(yàn)證了該方案在支護(hù)體系設(shè)計(jì)中提高了基坑異形部位設(shè)計(jì)安全冗余度措施的有效性。

圖8 各層支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線(xiàn)圖

圖9 各層支撐軸力最終監(jiān)測(cè)值(kN)

支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終受力為-1353.6～8704.2 kN，支撐軸力最終受力最大的點(diǎn)為ZL6-2(8704.2 kN)。可見(jiàn)，監(jiān)測(cè)期間支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)均未超過(guò)預(yù)警值。

4.3 基坑緊鄰建筑沉降分析

緊鄰基坑陽(yáng)角處的門(mén)診樓和病房樓沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)F12和F13的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖10所示。從圖10中可以看出，F(xiàn)12-9監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降曲線(xiàn)特異性強(qiáng)，其累計(jì)變化量為-49.41mm，該點(diǎn)變化較大的主要可能原因?yàn)楦邏盒龂姌妒┕ひ鹜馏w擾動(dòng)，導(dǎo)致藥房產(chǎn)生明顯沉降，后續(xù)高壓旋噴樁達(dá)到強(qiáng)度要求，藥房處沉降逐漸呈收斂狀態(tài)，基坑開(kāi)挖過(guò)程沉降未出現(xiàn)明顯加劇變化。因此，在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，兩棟緊鄰基坑的既有建筑的沉降整體控制較好，側(cè)面證實(shí)了緊鄰建筑物區(qū)域采取針對(duì)性加強(qiáng)措施的重要性。

圖10 緊鄰基坑的既有建筑物監(jiān)測(cè)沉降累計(jì)值時(shí)程曲線(xiàn)圖

圖11 基坑周邊建筑沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積變化量(mm)

基坑周邊建筑各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)變化量如圖11所示。從圖11中可以看到，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降累積變化量范圍為-49.41～3.15mm，除F12-9樁體施工引起土體擾動(dòng)，導(dǎo)致基坑開(kāi)挖前發(fā)生較大沉降外，均在基坑開(kāi)挖期間較為穩(wěn)定。

4.4 基坑周邊地表與管線(xiàn)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析

基坑周邊地表與管線(xiàn)沉降D10～D16監(jiān)測(cè)點(diǎn)，位于緊鄰既有建筑的基坑部位，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降累計(jì)點(diǎn)變化量的時(shí)程數(shù)據(jù)如圖12所示。從圖12中可以看到，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降的整體發(fā)展趨勢(shì)一致，基坑周邊地表與管線(xiàn)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變化量為-11.91 mm～0.27 mm，累計(jì)變化量最大的點(diǎn)為D12(-11.91mm)位于基坑南側(cè)中部位置，其最不利位置未出現(xiàn)在基坑緊鄰既有建筑物的異形部分，說(shuō)明了該方案采取的針對(duì)性技術(shù)措施的有效性。

圖12 D10～D16累積變化量時(shí)程曲線(xiàn)圖

緊鄰基坑的既有建筑物各監(jiān)測(cè)點(diǎn)傾斜度如圖13～圖14所示，從圖13～14中可得，傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)傾斜度范圍為-2.89～2.64%，傾斜度最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)為監(jiān)測(cè)QX8(-2.89%)，向南傾斜。監(jiān)測(cè)期間，傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)未出現(xiàn)明顯異常加劇變化，變化情況相對(duì)穩(wěn)定。

圖13 基坑緊鄰建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)東西向傾斜度(%)

圖14 基坑緊鄰建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)南北向傾斜度

4.5 基坑深層水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)

由圖15可知：深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(CX1～CX8)被破壞時(shí)的最大累計(jì)變化量為4.32 mm～22.20 mm，累計(jì)變化量最大的點(diǎn)為CX1(22.20 mm)，所在深度為12.5 m。監(jiān)測(cè)期間，深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)變化量均未超過(guò)預(yù)警值。

圖15 各基坑深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果

綜上所述：基坑坑頂位移、支撐軸力、基坑立柱、基坑深層水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，均較好反映了該基坑支護(hù)體系及專(zhuān)項(xiàng)施工措施的安全性和有效性。

5 結(jié)論

本文針對(duì)緊鄰既有建筑物的異形深基坑支護(hù)體系設(shè)計(jì)方案、施工方案及監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行詳細(xì)介紹，提出了多項(xiàng)設(shè)計(jì)及施工專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)措施，并基于基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出以下結(jié)論：

(1)針對(duì)緊鄰既有建筑物異形基坑工程的特點(diǎn)，優(yōu)化了基坑支護(hù)體系設(shè)計(jì)及施工方案，提出了多項(xiàng)基坑變形控制技術(shù)，并通過(guò)對(duì)基坑施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)分析，證實(shí)了該方案對(duì)于緊鄰既有建筑物異形基坑工程的安全性和有效性。

(2)根據(jù)監(jiān)測(cè)成果的對(duì)比分析與定量分析，該基坑項(xiàng)目變形控制的要點(diǎn)為：基坑西側(cè)部位的沉降、軟土部位的隆起，以及第二道支撐的軸力，采用高壓旋噴樁施工的部位沉降位移。

(3)緊鄰的既有建筑物對(duì)異形基坑的安全性影響較大，基坑設(shè)計(jì)及施工過(guò)程針對(duì)性地采取的系列措施，有效提高了該部位設(shè)計(jì)安全冗余度，加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，并采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與信息化施工方法提高基坑安全度。

(4)綜合采用加強(qiáng)異形基坑陽(yáng)角部位的支撐剛度、提高桁架支撐的截面承載力和圍護(hù)樁的抗彎抗剪承載力等多項(xiàng)技術(shù)方案，可較好控制異形基坑緊鄰既有建筑物部位的施工變形，較好實(shí)現(xiàn)基坑安全“木桶短板”的轉(zhuǎn)移。

(5)咬合樁施工工藝試樁、土方開(kāi)挖保護(hù)措施和支撐體系合理的施工及其科學(xué)的拆除順序，對(duì)緊鄰既有建筑物的異形基坑安全尤為重要，是實(shí)現(xiàn)基坑施工安全的必要條件。