深基坑開挖降水對(duì)周邊環(huán)境的影響分析

馬玉飛，劉煥玉，熊 輝，趙 波

(1.濟(jì)南市勘察測繪研究院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東正維勘察測繪有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平不斷提高，有限的土地資源與日益增加的建設(shè)用地需求之間的矛盾越來越突出，由此對(duì)地下空間的開發(fā)利用日益得到重視與推廣，如地下交通樞紐、商業(yè)綜合體、高層建筑地下室等，相應(yīng)的基坑開挖深度與范圍也越來越大，周邊環(huán)境越來越復(fù)雜[1- 4]，特別是城市建筑密集區(qū)域的深基坑工程，周邊環(huán)境與建筑對(duì)其變形尤為敏感，對(duì)基坑變形的控制特別嚴(yán)格，即使支護(hù)結(jié)構(gòu)本身未發(fā)生破壞失穩(wěn)，過大變形也會(huì)導(dǎo)致周邊地面沉降、建筑物開裂、管線破壞等，帶來嚴(yán)重后果與損失[5- 6]。

為研究基坑開挖及降水對(duì)周邊環(huán)境的影響，對(duì)周邊建筑物的安全性及可能產(chǎn)生的變形進(jìn)行預(yù)測，以此指導(dǎo)基坑工程支護(hù)降水方案的實(shí)施，保證基坑本身及周邊環(huán)境的安全穩(wěn)定，本文以濟(jì)南某基坑為例，采用MIDAS GTS軟件建立了基坑及周邊建筑物的三維有限元模型，按照基坑開挖實(shí)際工況，對(duì)其開挖支護(hù)過程進(jìn)行了模擬[7]，計(jì)算分析了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與周邊建筑物在基坑開挖過程中的位移變形規(guī)律，研究了基坑開挖對(duì)周邊建筑物的影響，可為后期類似工程提供一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

擬建項(xiàng)目位于濟(jì)南市緯十二路與經(jīng)四路交叉口西南角，包括2個(gè)主樓及樓間地下車庫，地上12—27層，地下4層，其中B- 1樓主樓為框架-抗震墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為灌注樁基礎(chǔ)，車庫為框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為獨(dú)立基礎(chǔ)；B- 2樓主樓為框架-核心筒結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)形式為灌注樁基礎(chǔ)，車庫為框架結(jié)構(gòu)。

場地內(nèi)現(xiàn)狀地面東高西低，自然地表標(biāo)高約為34.00～37.50m，主樓及車庫基底標(biāo)高23.50～24.50m，基坑開挖深度約10.50～13.50m。

1.2 基坑周邊環(huán)境

本項(xiàng)目地處市區(qū)繁華地段，交通繁忙，周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑?xùn)|側(cè)與北側(cè)均為市政道路，地下室外墻線距離東側(cè)與北側(cè)道路邊線最近分別為27.14、11.13m，道路沿線埋設(shè)有雨污水、通信、電力等多種市政管線，管線埋深0.5～3.0m，地下室外墻線距離以上市政管線最近約14.80m；基坑西側(cè)為臨近地塊地下車庫及臨時(shí)地面道路，本項(xiàng)目地下室外墻線距西側(cè)地塊地下車庫最近約21.16m；基坑南側(cè)為已建成的28—33F高層住宅樓及底層商鋪，其中住宅樓為框剪結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)，商鋪及售樓中心為框架結(jié)構(gòu)、獨(dú)立基礎(chǔ)，本項(xiàng)目地下室外墻線距離住宅樓約14.24～20.42m，距離底層商鋪?zhàn)罱s12.60m；此外，基坑南側(cè)埋設(shè)有給水和污水管道，埋深約1.5m，局部緊鄰基坑邊緣，基坑開挖時(shí)需重點(diǎn)保護(hù)，加強(qiáng)監(jiān)測。

1.3 工程地質(zhì)條件

圖1 典型工程地質(zhì)剖面圖

表1 支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

2 基坑工程設(shè)計(jì)方案

2.1 基坑支護(hù)方案

考慮場地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、基坑周邊環(huán)境及基坑深度，依據(jù)基坑工程有關(guān)技術(shù)規(guī)范、規(guī)程，結(jié)合周邊類似工程經(jīng)驗(yàn)，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用樁錨支護(hù)方式[8- 9]，此處僅以基坑南側(cè)典型支護(hù)剖面為例進(jìn)行說明。

基坑南側(cè)西段范圍(4—4剖面)基坑開挖深度約13.5m，采用單排樁聯(lián)合預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，支護(hù)樁樁徑800mm，間距1.6m，樁長20.00m，主筋18C25，箍筋A(yù)8@150，加強(qiáng)筋B14@2000，砼強(qiáng)度C30；設(shè)置4道預(yù)應(yīng)力錨索，水平間距1.6m，豎向間距2.6m，傾角20°，成孔直徑150mm，自由段長度5.0～7.0m，錨固段長度11.0～11.5m，桿體采用2As15.2鋼絞線；腰梁采用2[25a雙拼槽鋼，砼冠梁尺寸850mm×700mm；樁間掛網(wǎng)噴砼。支護(hù)剖面如圖2所示。

圖2 典型支護(hù)剖面(4—4剖面)

基坑南側(cè)東段范圍(5—5剖面)基坑開挖深度約12.7m，上部3m采用1∶1放坡，下部采用雙排樁聯(lián)合預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，支護(hù)樁樁徑1000mm，樁間距1.6m，排間距3.0m，樁長20.70m，主筋18C25，箍筋A(yù)8@150，加強(qiáng)筋B14@2000，砼強(qiáng)度C30；設(shè)置1道錨索錨固于前排樁冠梁，成孔直徑200mm，水平間距1.6m，傾角60°，桿體采用3As15.2鋼絞線，自由段長度7.0m，錨固段長度12.0m；砼冠梁尺寸1200mm×1000mm；前排樁間掛網(wǎng)噴砼。支護(hù)剖面如圖3所示。

圖3 典型支護(hù)剖面(5—5剖面)

2.2 地下水控制方案

場地地下水埋深較淺，地下水較豐富，為避免地下水位下降給周邊建筑物及周邊管線造成不利影響，沿基坑周邊設(shè)置封閉式止水帷幕，采用樁間高壓旋噴施工工藝，相鄰支護(hù)樁之間設(shè)置2根高壓旋噴樁，樁徑800mm，間距550mm，保證搭接長度不小于250mm，帷幕頂標(biāo)高為33.00m，底標(biāo)高16.65m。止水帷幕平面示意圖詳見圖2。

在帷幕內(nèi)側(cè)沿基坑周邊布置降水井，井間距約12m，基坑內(nèi)部布置疏干井，井間距約25m，井底絕對(duì)標(biāo)高為18.35m。

為減少基坑降水對(duì)周邊環(huán)境影響，在帷幕外側(cè)沿基坑周邊布置回灌井備用，回灌井間距一般為30m(基坑南側(cè)回灌井間距約15m)，井底標(biāo)高23.00m，回灌井與降水井間距不小于6m。

2.3 基坑監(jiān)測方案

根據(jù)相關(guān)規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)要求，基坑工程現(xiàn)場監(jiān)測采用儀器監(jiān)測與巡視檢查相結(jié)合的方法。針對(duì)監(jiān)測對(duì)象的關(guān)鍵部位，做到重點(diǎn)觀測、項(xiàng)目配套并形成有效的、完整的監(jiān)測系統(tǒng)[9- 10]。

本項(xiàng)目儀器監(jiān)測項(xiàng)目主要包括坡(樁)頂水平位移和沉降、深層水平位移、周邊地表及建筑物沉降監(jiān)測、地下水位監(jiān)測、錨索內(nèi)力、管線位移監(jiān)測等，各監(jiān)測預(yù)警值見表2。

表2 基坑及周邊環(huán)境監(jiān)測預(yù)警值

3 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

MIDAS GTS是一款針對(duì)巖土領(lǐng)域研發(fā)的通用有限元分析軟件，其建模過程主要包括定義材料特性、建立幾何模型、劃分網(wǎng)格、定義分析條件、定義施工階段、分析求解等階段[11- 12]。通過建立有限元模型，按照開挖深度不同劃分為6個(gè)開挖階段，分別對(duì)基坑周邊地面沉降、樁頂水平位移、周邊建筑沉降、基坑降水影響進(jìn)行了分析討論。

3.1 基坑周邊地面沉降

基坑開挖至基底后基坑周邊地面沉降云圖如圖4所示，在模型中垂直于基坑開挖邊線的方向上分別選取了距離基坑邊緣3～58.5m的15個(gè)地面節(jié)點(diǎn)，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)在不同開挖階段的地面沉降值做出沉降-距離關(guān)系曲線如圖5所示。

圖4 基坑周邊地面沉降云圖

圖5 基坑周邊地面沉降曲線

由圖4—5可見，在基坑開挖過程中，距離基坑邊緣35m(約為3倍基坑開挖深度)以內(nèi)的范圍內(nèi)地面沉降較為明顯，地面沉降分布近似呈“勺形”，隨著開挖深度的增加，地面沉降值逐漸增大，最大沉降約5.5mm；對(duì)于每一個(gè)開挖階段，地面沉降最大值均位于距離基坑邊緣25m左右的位置附近[11- 12]，建議施工現(xiàn)場在該范圍內(nèi)布置監(jiān)測點(diǎn)并加強(qiáng)監(jiān)測。

3.2 樁頂水平位移

基坑開挖至基底后支護(hù)結(jié)構(gòu)樁頂水平位移變形情況如圖6所示，根據(jù)模擬結(jié)果，樁頂水平位移隨著基坑開挖深度的不斷增大而隨之增大，最大位移約35mm。

圖6 樁頂水平位移

3.3 周邊建筑沉降

基坑開挖至基底后南側(cè)兩棟高層住宅建筑位移變形情況如圖7所示。

圖7 基坑周邊建筑位移變形

基坑開挖過程中南側(cè)兩棟高層住宅建筑及管樁均產(chǎn)生一定的位移變形，隨著開挖深度的增加，最大位移值也隨之增大，當(dāng)基坑開挖到基底標(biāo)高時(shí)，最大位移約為11.6mm，最大位移產(chǎn)生在管樁中上部，對(duì)應(yīng)于基坑開挖深度的中下部。

3.4 基坑降水對(duì)周邊建筑影響

為了研究止水帷幕在基坑降水中所發(fā)揮的作用，將原模型進(jìn)行調(diào)整，取消止水帷幕，通過模擬計(jì)算，在該條件下，基坑周邊建筑物與管樁的最大位移由11.6mm增加至32.7mm。由此說明基坑周邊設(shè)置封閉式止水帷幕可切斷降水漏斗曲線的外延部分，縮小降水影響范圍，延長地下水滲流路徑，減小水力梯度，能夠有效降低基坑降水對(duì)周邊建筑物及周邊環(huán)境的影響。

4 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

在基坑開挖及基礎(chǔ)施工期間，現(xiàn)場按照設(shè)計(jì)方案要求進(jìn)行了持續(xù)監(jiān)測，在此以周邊建筑物沉降為例，對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用狀態(tài)進(jìn)行分析。基坑周邊的建筑物及周邊道路共設(shè)置41個(gè)建筑及路面沉降監(jiān)測點(diǎn)，取其中代表性監(jiān)測點(diǎn)Z10、Z22、Z30，作出基坑周邊建筑物沉降與日期之間的關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 周邊建筑時(shí)間-沉降曲線

通過以上監(jiān)測數(shù)據(jù)及關(guān)系曲線可以發(fā)現(xiàn)，周邊建筑沉降在基坑開挖前期變化較大，采用樁錨及雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)后，曲線變化趨勢(shì)趨于平緩，基坑開挖至基底后臨近建筑物最大沉降僅為5mm左右，遠(yuǎn)小于監(jiān)測報(bào)警值，基坑開挖對(duì)臨近建筑物影響較小，滿足相關(guān)規(guī)范要求，表明本工程所采用的支護(hù)設(shè)計(jì)方案合理可行，能夠保證基坑邊坡穩(wěn)定性，有效控制邊坡位移，同時(shí)將基坑開挖對(duì)周邊環(huán)境與建筑物的影響程度降至了最低，切實(shí)保護(hù)了基坑周邊環(huán)境與建筑物。

5 結(jié)語

通過建立三維有限元模型，研究了基坑開挖降水對(duì)周邊環(huán)境與建筑物的影響，得出以下主要結(jié)論：

(1)應(yīng)對(duì)距離基坑邊緣三倍開挖深度以內(nèi)的范圍加強(qiáng)沉降監(jiān)測。

(2)增加錨索道數(shù)與錨索預(yù)應(yīng)力鎖定值比增加樁徑更能有效控制周邊建筑物的位移變形。

(3)對(duì)多支點(diǎn)樁錨支護(hù)形式，建議排樁嵌固深度為基坑深度的0.6～0.8倍。

(4)全封閉式止水帷幕可有效降低基坑降水對(duì)周邊建筑物及周邊環(huán)境的影響。

(5)數(shù)值模擬由于其參數(shù)選取、模型建立具有一定的局限性，需經(jīng)大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對(duì)所采用的參數(shù)、模型進(jìn)行不斷修正。