基坑位移監(jiān)測及變形分析

陶雪彬， 袁金興， 張 燁， 王月香*

（1.蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州中正工程檢測有限公司，江蘇 蘇州 215129）

地鐵、高層建筑等工程的基坑開挖深度越來越大，導(dǎo)致基坑工程防護(hù)要求越來越高。基坑開挖過程中擾動了周圍土體，改變了原有土體的應(yīng)力狀態(tài)，引起周圍土體應(yīng)力重分布，從而發(fā)生位移，對基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建筑或地下管線造成影響，極大地增加施工風(fēng)險[1～2]；因此，必須對基坑進(jìn)行變形監(jiān)測，確保基坑及周邊安全[3～4]。目前基坑施工多采用單一的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，蔣宏鳴[5]以采用斜拋撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑為研究對象，比較了在不同留土面積、施工階段和拆撐工序等條件下支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果并探討了變形規(guī)律；劉厚成等[6]利用ABAQUS 有限元軟件分析了以地下連續(xù)墻為支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑變形規(guī)律；林之航[7]對采用排樁-鋼筋混凝土內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的上軟下硬深基坑進(jìn)行了變形規(guī)律和空間效應(yīng)分析；鄧宇等[8]對間隔雙排樁支護(hù)形式使用在紅黏土基坑上的加固方案及支護(hù)前后基坑變形監(jiān)測進(jìn)行分析；徐中華等[9]對鄰近地鐵隧道的深基坑采取分坑順作、兩墻合一地下連續(xù)墻、鋼支撐軸力補(bǔ)償體系等系列措施來研究對地鐵變形的控制；Cui X Y 等[10]對鉆孔樁和傾斜鋼支柱兩種基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行了研究并以平原應(yīng)變模型為重點(diǎn)，對基坑開挖進(jìn)行了分析；Benin A 等[11]對以混凝土板為支撐的深基坑用有限元法進(jìn)行三維數(shù)學(xué)建模并對其結(jié)果與巖土工程監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，分析和評價了基坑支護(hù)和軸承的變形。

也有許多學(xué)者對采用多種支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑進(jìn)行研究。葉帥華[12]根據(jù)基坑施工過程中的監(jiān)測結(jié)果分析比較了土釘+預(yù)應(yīng)力錨桿的復(fù)合土釘墻、土釘墻及排樁+預(yù)應(yīng)力錨桿3 種基坑支護(hù)形式在蘭州的適用性；朱建才等[13]對支護(hù)結(jié)構(gòu)為連續(xù)墻的深基坑采用高壓旋噴樁和水泥攪拌樁兩種形式的地基加固，根據(jù)基坑監(jiān)測結(jié)果分析基坑變形性狀；王鴻運(yùn)[14]在同一個基坑中采用單排-預(yù)應(yīng)力樁錨及雙排樁-預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)形式，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析基坑變形性狀以及對周邊建筑物變形的影響；廖少明[15]研究蘇州地區(qū)采用鉆孔灌注樁圍護(hù)、順作法施工的方形基坑及采用地下連續(xù)墻圍護(hù)的長條形地鐵車站基坑的變形性狀。研究更多的是針對不同基坑、不同支護(hù)方式，本文以采用二級放坡-坡頂注漿鋼管、放坡-鉆孔灌注樁、鋼板樁和放坡-鋼管土釘?shù)亩喾N圍護(hù)結(jié)構(gòu)的某深基坑工程為例，研究多種支護(hù)結(jié)構(gòu)作用在同一基坑的變形規(guī)律，為類似基坑工程的設(shè)計和施工提供了一定的經(jīng)驗性參考。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 基坑概況

某基坑?xùn)|西長最大約327 m，南北寬最大約86 m，基坑總周長約1 150 m，總面積約2萬m2。工程分3個施工范圍，分別為一標(biāo)、二標(biāo)和二期。基坑分兩次開挖，第一次施工一標(biāo)和二標(biāo)區(qū)域，第二次施工二期區(qū)域。自然地面標(biāo)高靠近水城路一側(cè)為2.000 m（85 國家高程基準(zhǔn)，下同），其余各側(cè)為1.600 m，坑底標(biāo)高為-2.650～-2.550 m，基坑挖深為4.25～4.65 m。

基坑西北側(cè)為風(fēng)梔路，地下室外墻距道路24～40 m；西南側(cè)為水城路，地下埋有污水管、自來水管和雨水管，道路離地下室外墻最近為8.36 m；東北側(cè)為惠昌路，地下室外墻距道路7～30 m；東南側(cè)為區(qū)內(nèi)待建號樓，號樓底板距地下室外墻約1.7～3.84 m。見圖1。

圖1 基坑周邊環(huán)境

1.2 工程地質(zhì)條件

對基坑穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的土層主要有5 個，自上而下包括①素填土，層厚0.10～4.70 m；②黏土層，厚0.40～4.90 m；③粉質(zhì)黏土，層厚1.50～5.00 m；④粉砂，層厚0.50～6.50 m；⑤粉砂，層厚3.90～9.60 m。除素填土、黏土外，其他地層自穩(wěn)性都較好?；拥撞课挥陴ね翆樱觽?cè)壁則分布于素填土、黏土之中，其自然結(jié)構(gòu)變化十分敏感，具觸變性，工程性能差，易產(chǎn)生蠕動變形。土體參數(shù)見表1。

表1 土體參數(shù)

2 基坑支護(hù)設(shè)計及監(jiān)測方案

基坑西北側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)采用二級放坡-坡頂超前注漿鋼管支護(hù)結(jié)構(gòu)；西南側(cè)靠近號樓區(qū)域采用32b 鋼板樁支護(hù)，其余各區(qū)段采用懸臂式鉆孔灌注樁-坡頂1 m放坡；東北側(cè)采用放坡-坡頂注漿鋼管圍護(hù)；東南側(cè)采用放坡-鋼管土釘圍護(hù)。

為確保安全，在基坑施工過程中對坡頂水平及豎向位移、坑外地下水位、周邊道路管線以及土體深層水平位移進(jìn)行監(jiān)測[16～17]。監(jiān)測對象主要包括基坑坡頂、周圍土體、地下水，其中坡頂部水平和豎向位移監(jiān)測點(diǎn)共用，有71 個；坑外地下水位監(jiān)測點(diǎn)13 個；周邊道路管線沉降監(jiān)測點(diǎn)13個。見圖2。

圖2 基坑測點(diǎn)平面

監(jiān)測項目的報警值見表2。

表2 警報值

3 監(jiān)測分析

3.1 坡頂部水平位移

選取HV57、HV8、HV5、HV66、HV63 共5 個測點(diǎn)進(jìn)行分析，HV57測點(diǎn)位于二級放坡-坡頂超前注漿鋼管支護(hù)區(qū)域內(nèi)，HV8 和HV5 測點(diǎn)位于放坡-鋼管土釘支護(hù)區(qū)域內(nèi)，HV66 測點(diǎn)位于放坡-懸臂式鉆孔灌注樁支護(hù)區(qū)域內(nèi)，HV63測點(diǎn)位于32b鋼板樁支護(hù)區(qū)域內(nèi)。為了同時段分析方便，選在一標(biāo)范圍內(nèi)，從7 月13 日開始監(jiān)測，最后一次監(jiān)測時間為11 月1 日，中間相隔112 d。監(jiān)測結(jié)果見圖3和圖4。

圖3 坡頂部水平位移

圖4 坡頂部水平位移變化速率

5 個監(jiān)測點(diǎn)的水平位移變化趨勢相似?；娱_挖初期水平位移變化速率較大，隨著開挖時間的增加，水平位移逐漸增大；45 d 后，變化速率減小，水平位移趨于穩(wěn)定，各測點(diǎn)坡頂水平位移基本在4～9 mm。HV5 測點(diǎn)的位移變化速率在開挖后第16 d 達(dá)到最大，為0.7 mm/d，同時該測點(diǎn)累計水平位移是5 個測點(diǎn)中最大的，達(dá)到8.9 mm。HV66 測點(diǎn)的位移變化速率在開挖112 d 內(nèi)不超過0.2 mm/d 且累計水平位移最小，為5.05 mm。各測點(diǎn)的水平位移最大值均沒有超過監(jiān)測報警值，說明4 種支護(hù)結(jié)構(gòu)均能夠控制基坑水平位移，其中懸臂式鉆孔灌注樁支護(hù)區(qū)段的基坑水平位移能得到有效控制，鋼管土釘對水平位移的控制效果最差。

3.2 坡頂部豎向位移

由于坡頂部水平、豎向位移監(jiān)測點(diǎn)共用，故豎向位移監(jiān)測點(diǎn)選取與水平位移相同。監(jiān)測結(jié)果見圖5和圖6。

圖5 坡頂部豎向位移

圖6 坡頂部豎向位移變化速率

豎向位移與水平位移變化趨勢相似。開挖后45 d 內(nèi)豎向位移變化速率最大，一般在0～0.3 mm/d，豎向位移逐漸增大；45 d 后，豎向位移變化速率變小，趨于0，豎向位移緩慢增長后趨于穩(wěn)定。測點(diǎn)的豎向位移相差較大，在3～10 mm 之間：HV8 測點(diǎn)累計豎直位移量最大，達(dá)到9.33 mm；HV66 測點(diǎn)的累計豎向位移最小，為到3.64 mm；HV5 和HV57 測點(diǎn)的豎向位移相近，約為8.5 mm且與HV8測點(diǎn)相差較小。說明二級放坡-坡頂超前注漿鋼管支護(hù)結(jié)構(gòu)與放坡-鋼管土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)對坡頂豎向位移的控制效果相近且都較差；懸臂式鉆孔灌注樁支護(hù)區(qū)段的基坑水平位移能得到有效控制，鋼管土釘對水平位移的控制效果最差。

懸臂式鉆孔灌注樁對控制坡頂水平和豎直位移有著較好的效果，這與以往的支護(hù)結(jié)構(gòu)控制效果分析結(jié)果[19]相吻合，傳統(tǒng)混凝土支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)變形介于一些支護(hù)結(jié)構(gòu)之間，說明對于控制基坑變形仍有一定的優(yōu)勢。

3.3 坑外地下水和周邊道路管線沉降

選取SW11、SW2、SW1、SW13、SW12 共5 個測點(diǎn)進(jìn)行坑外地下水的監(jiān)測，SW11測點(diǎn)位于二級放坡-坡頂超前注漿鋼管支護(hù)區(qū)域內(nèi)，SW2 測點(diǎn)位于放坡-鋼管土釘支護(hù)區(qū)域內(nèi)，SW1 測點(diǎn)位于注漿鋼管和鋼管土釘支護(hù)區(qū)域內(nèi)的交界處，SW13 測點(diǎn)位于放坡-懸臂式鉆孔灌注樁支護(hù)區(qū)域內(nèi)，SW12測點(diǎn)則位于32b鋼板樁支護(hù)區(qū)域內(nèi)。監(jiān)測結(jié)果見圖7和圖8。

圖7 坑外地下水位

圖8 坑外地下水位變化速率

坑外地下水變化集中在0～4 mm。開挖初期，坑外地下水變化較大，水位下降較大；隨著開挖時間的增加，地下水下降趨勢減緩，逐漸有少量回升和來回波動的情況；測點(diǎn)SW1 波動最為明顯，地下水下降到1.76 mm 后最先停止下降，后在0.9～1.5 mm 之間波動；SW11測點(diǎn)是5個測點(diǎn)中坑外地下水下降最小的測點(diǎn)；監(jiān)測點(diǎn)SW2 在地下水回升前的水位下降最大，達(dá)到3.32 mm。施工后期，除SW1 點(diǎn)，其他監(jiān)測點(diǎn)的水位下降都較為接近。由圖8 可以看出，測點(diǎn)的地下水位速率變化較大并且有回升的情況，這也導(dǎo)致了地下水位時常在0～3 mm波動。

在基坑西南側(cè)的水城路選擇G01、G02、G04、G06、G07 共5 個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行周邊道路管線沉降分析。監(jiān)測結(jié)果見圖9和圖10。

圖9 周邊道路管線沉降

圖10 周邊道路管線沉降速率

基坑開挖后建筑周邊地面隨即產(chǎn)生沉降且隨著開挖時間的增加逐漸加大，集中反映了圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移、土體結(jié)構(gòu)本身蠕變等作用?；娱_挖后約40 d內(nèi)沉降速率較大，各監(jiān)測點(diǎn)的沉降量都在1～2.5 mm；開挖40 d后周邊道路管線沉降速率減小，直至趨于0，沉降量也穩(wěn)定不變。5 個監(jiān)測點(diǎn)中除G04 點(diǎn)，其余測點(diǎn)的沉降趨勢相似，最終沉降量也很接近；而G04 沉降速率更快，沉降量更大，達(dá)到了2.37 mm，比其他監(jiān)測點(diǎn)的最終沉降量大了約0.6 mm。由圖10 可以看出，周邊道路管線有回彈現(xiàn)象，但回彈量較小，不對總體的沉降產(chǎn)生較大影響，周邊道路管線沉降速率最大約在基坑開挖后28 d時。

對地下水位和管線沉降綜合分析可知，SW1 測點(diǎn)受到注漿鋼管和鋼管土釘?shù)墓餐绊懙叵滤陆底钚?，放?懸臂式鉆孔灌注樁支護(hù)區(qū)域內(nèi)的SW13測點(diǎn)地下水下降也較小；監(jiān)測點(diǎn)G04 靠近放坡-懸臂式鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)時管線沉降明顯區(qū)別于其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測點(diǎn)，管線沉降最大。說明懸臂式鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)對控制周邊道路管線沉降效果較差，不適合作為對周邊道路沉降要求較高項目的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

1）懸臂式鉆孔灌注樁支護(hù)因整體性強(qiáng)、樁身強(qiáng)度高，對基坑的水平及豎向位移能夠有效控制；鋼管土釘對水平及豎向位移的控制效果最差。相對一些組合支撐方案，傳統(tǒng)混凝土支撐方案對控制基坑變形仍有一定的優(yōu)勢。

2）靠近二級放坡-坡頂超前注漿鋼管和放坡-鋼管土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)時，測點(diǎn)的地下水降低最小且有一定回彈，水位較為不穩(wěn)定。其他圍護(hù)結(jié)構(gòu)下的坑外地下水大體趨勢較為一致，穩(wěn)定后地下水位差別不大。

3）懸臂式鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)對控制周邊道路管線沉降效果較差，不適合作為對周邊道路沉降要求較高項目的圍護(hù)。

4）深大基坑工程設(shè)計應(yīng)因地制宜采用合理的支護(hù)形式。不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)有各自適用性，對基坑開挖時產(chǎn)生的各種變形也有影響，故合理選擇基坑開挖時的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，能夠很好地控制施工中出現(xiàn)的變形，保障施工的安全和順利進(jìn)行。