市政道路交通荷載下深基坑開挖的穩(wěn)定性研究

汪文兵

（安徽省公路工程建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230051）

引言

隨著城市化的速度建設(shè)，城市密度增加，城市中可用的建設(shè)空間越來越有限，為滿足城市發(fā)展需要，深基坑工程的數(shù)量不斷增加。施工中，考慮到城市地面公共建筑和地下建筑結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，加之道路運輸和地下管線的分布十分復(fù)雜，為此，工程方對于深基坑工程的施工提出了更高的要求。相比其他工程，深基坑開挖具有難度大、工程任務(wù)重等特點，淺基坑工程的施工與設(shè)計技術(shù)已不能適應(yīng)此類深基坑工程的需要，在工程建設(shè)中容易出現(xiàn)安全隱患。因此，要在施工中全面考慮市政道路交通的運營需求，設(shè)計針對深基坑的開挖施工作業(yè)方法，以此提高基坑工程建設(shè)的穩(wěn)定性。

1 工程實例

所選的工程項目概況見表1。

表1 市政道路深基坑工程概況

考慮到此工程為市政道路工程，工程周圍人流量與車流量較大，加之工程所在地的交通管線較為復(fù)雜，導(dǎo)致工程所在地的施工難度較大，因此，在工程施工前，應(yīng)先結(jié)合實際情況，進行工程的初步規(guī)劃，設(shè)計方案見圖1。

圖1 市政道路深基坑工程方案

2 市政道路交通荷載下深基坑開挖施工

2.1 深基坑開挖支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

在市政道路交通荷載的影響下，進行對深基坑的開挖前，需要在開挖位置設(shè)置基坑支護的基本結(jié)構(gòu)。在設(shè)計開挖支護結(jié)構(gòu)時，根據(jù)市政道路施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件、基坑開挖深度、周邊環(huán)境等情況綜合分析[1]。以上述市政道路建設(shè)項目為例，其基坑深度設(shè)置見圖2。

圖2 基坑深度設(shè)置示意

按照圖2 所示的內(nèi)容進行對基坑深度的設(shè)置，其中，ABCD 段基坑支護結(jié)構(gòu)采用規(guī)格為Φ600 mm 直徑的螺旋鉆孔壓灌注樁和二排錨桿聯(lián)合的結(jié)構(gòu)；DE段采用規(guī)格為Φ600 mm 直徑的螺旋鉆孔壓灌注樁和三排錨桿聯(lián)合的結(jié)構(gòu)；EF 段采用125 m 以上比例為1:1 的放坡掛鋼絲網(wǎng)，在該結(jié)構(gòu)上涂抹厚度在25～50 mm 范圍內(nèi)的水泥砂漿材料；FA 段采用125 m以上比例為1:1 的放坡掛鋼絲網(wǎng)，在該結(jié)構(gòu)上涂抹厚度在30～40 mm 范圍內(nèi)的水泥砂漿材料并配合鋼筋釘固定[2]。按照上述方式對需要進行開挖的基坑進行加固，避免后續(xù)開挖時出現(xiàn)塌陷或其他穩(wěn)定性缺失的問題產(chǎn)生[3]。同時，在實際施工中，還需要根據(jù)實際情況，確定深基坑Z 位置上的主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值：

式中：eajk代表在深基坑Z 位置上的主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值；σajk代表深基坑Z 位置上數(shù)值方向上的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值；kai代表在某一層土體i 上的主動土壓力系數(shù)；C代表系數(shù)。根據(jù)上述公式，確定深基坑主動土壓力標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，根據(jù)不同位置上的主動土壓力，對深基坑開挖支護結(jié)構(gòu)參數(shù)進行調(diào)整。

2.2 螺旋鉆孔壓灌樁施工

在確定深基坑開挖支護結(jié)構(gòu)后，采用長螺旋鉆機進行成孔施工，根據(jù)上述項目條件，將樁結(jié)構(gòu)直徑設(shè)置為500 mm，將兩個樁結(jié)構(gòu)之間的距離設(shè)置為1 200 mm。為確保施工質(zhì)量，樁結(jié)構(gòu)的位置偏差不得超過50 mm，垂直度偏差不得超過0.5%。在此基礎(chǔ)上，進行螺旋鉆孔壓灌樁施工，其基本流程為：“場地整平處理”——“測量放線”——“鉆孔施工到指定深度”——“灌注施工材料”——“下入鋼筋籠”——“樁頂標(biāo)高檢驗與鋼筋籠標(biāo)高檢驗”——“樁頭保護”——“循環(huán)上述施工工序”[4]。按照上述流程，完成對所有樁結(jié)構(gòu)的施工。在施工之前，使用全站儀進行準(zhǔn)確的測量、編號和標(biāo)記。采用步履式250 長螺旋鉆機進行鉆探，按照“先慢后快”的原則鉆進[5]。同時，在施工過程中，隨時查看鉆出的誤差，并及時改正，直至達到設(shè)計高度[6]。使用強力攪拌設(shè)備，按配比進行計量，保證坍落度達到設(shè)計要求。當(dāng)需要連接主筋時，用交流焊接機進行雙面搭接，搭接長度和寬度符合標(biāo)準(zhǔn)，搭接部位不得在一個橫截面上，箍筋為螺旋形，制造誤差不得超出規(guī)范要求[7]。壓注混凝土后，先清理孔口附近的土壤，然后用輔助卷揚機將鋼筋籠豎立在孔口，由人工扶正從孔的中央快速下到孔中，在扶籠時由專人指揮，不可傾斜、插幫，邊壓邊轉(zhuǎn)動壓入孔內(nèi)直至設(shè)計深度，以此完成整個螺旋鉆孔壓灌樁施工工序。

2.3 深基坑分區(qū)開挖

在整個基坑施工中，基坑開挖是最大的變形，在開挖過程中，由于土方的卸荷，導(dǎo)致了基坑內(nèi)外的壓力差異。由于支座和土方開挖不能同時進行，在此時差下，圍護結(jié)構(gòu)會受到坑外土體的壓力而發(fā)生橫向位移，從而導(dǎo)致坑外土體的運動[8]。另一方面，由于土方開挖消除了坑底上方土方向下的壓力，使原有的均衡場發(fā)生變化，使坑底部的土方向上受壓，使坑底部的土方向上壓，使坑底凸出。因此，在基坑施工中，基坑的主要變形是：水平位移，坑外地表沉降，坑底隆起。根據(jù)不同的基坑工程，各基坑的具體變形曲線也不盡相同，但多數(shù)基坑在開挖時均表現(xiàn)出明顯的變形傾向（見圖3），即地面沉降、圍護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)變形、坑底上升。

圖3 深基坑開挖變形示意

在基坑開挖時，由于受外力的影響，圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生了水平位移，其位移曲線可分為以下三種：當(dāng)基坑開挖深度較淺，或無內(nèi)支撐時，其變形曲線通常為懸臂；對于埋設(shè)于淺層、深淺、內(nèi)支承不強的基坑，其圍護結(jié)構(gòu)的變形以拋物線形為主；而對于深埋并設(shè)有多道內(nèi)支承的基坑，其變形曲線為懸臂型與拋物線型組合。圖4 為圍護結(jié)構(gòu)變形示意圖。

圖4 圍護結(jié)構(gòu)變形示意

在圖4 所示圍護結(jié)構(gòu)變形基礎(chǔ)上，為確保深基坑開挖穩(wěn)定性，采用分層、分段和分塊的方式開挖，在完成一個深基坑區(qū)域的開挖，并達到底部后，澆筑基坑內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在深基坑封頂后，進行對另一個區(qū)域深基坑的開挖。依次不斷重復(fù)施工，直到所有需要開挖的區(qū)域均完成施工后停止。同時，在開挖時，還需要對隔墻部分進行鑿除。

3 實證分析

以上述工程項目為例，對其進行基坑開挖施工。施工前，應(yīng)全面考慮到現(xiàn)場的多種影響因素，周圍建筑物對深基坑施工的影響主要表現(xiàn)在：在基坑開挖過程中，由于基坑開挖，原有的穩(wěn)定土層會受到干擾而出現(xiàn)受力不均，使原有結(jié)構(gòu)的承力層受力發(fā)生變化，從而導(dǎo)致基坑開挖方向的應(yīng)力集中。造成地基土體滑坡、地基土體凸出、支護結(jié)構(gòu)整體滑移、剪切破壞、坍塌等事故，此項現(xiàn)象不僅會對工程建設(shè)造成安全和經(jīng)濟上的損害，同時也會對周圍的建筑物造成潛在的危害，造成房屋的傾斜、開裂、坍塌，甚至?xí)椖克诘鼐用袢粘Ｉ钤斐刹槐匾捏@慌。

隨著基坑開挖深度增加，水平位移將呈現(xiàn)增加趨勢，垂直沉降越來越大，最大變形量的位置也會隨之改變，這是因為基坑開挖時產(chǎn)生的應(yīng)力釋放，使其外部土體向內(nèi)運動，沒有市政道路交通荷載的情況下，基坑的變形較小，因此有必要在施工后進行基坑開挖成果的質(zhì)量驗收，以此檢驗本研究設(shè)計方法的合理性與可靠性。

3.1 基坑承載力檢驗

市政道路交通荷載作用下的地表振動是隨機的，在不同時段下，市政道路交通變化數(shù)目較大，車速也將在此過程中呈現(xiàn)出非平穩(wěn)狀態(tài)，同時市政帶路上存在多個車輛影響，導(dǎo)致路面交通荷載對基坑穩(wěn)定性的影響較大。因此，在竣工后基坑中不同測點的承載力要求是不同，為檢驗施工成果是否能滿足承載力需求，可在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，選擇基坑最高承載力值作為標(biāo)準(zhǔn)，進行承載力的檢驗。檢驗結(jié)果見圖5。

圖5 承載力檢驗結(jié)果

3.2 支護點位移檢驗

考慮到基坑實際載重和基坑設(shè)計間距，分析在不同載重條件下基坑支護結(jié)構(gòu)在不同荷載下的變形，由于路面車輛的類型比較復(fù)雜，難以計算出車輛的平均載重，而且在施工過程中，基坑周圍會有大量的工程車輛，所以在實驗中，只考慮了基坑的平均載重，并在測試過程中，對車輛進行持續(xù)集中力模擬，檢驗支護點在市政道路交通荷載條件下的位移量，實驗結(jié)果見表2。

表2 支護點在市政道路交通荷載條件下的位移量

4 結(jié)論

根據(jù)上述研究，得到以下幾個方面的結(jié)論：

（1） 根據(jù)圖5 承載力檢驗結(jié)果，不同測點的承載力均＞最高承載力要求，證明所設(shè)計的方法不僅可以滿足基坑基礎(chǔ)支護需求，還可以保證各個測點的承載力達到市政道路交通荷載標(biāo)準(zhǔn)。

（2） 根據(jù)表2 支護點在市政道路交通荷載條件下的位移量，所選擇的14 個測點中，只有3 個測點在交通荷載影響下出現(xiàn)了位移，其他測點的位移量均為0 mm。在對存在位移的多個支護點剖析中發(fā)現(xiàn)，支護點位移量均未達到1 mm，即存在較小的位移不會對工程整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成影響。證明該方法可以起到夯實基礎(chǔ)、保證基坑結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定性的作用。