土巖組合深基坑圍護結構受力與變形特性分析
——以青島海天中心深基坑為例

劉小良, 秘金衛, 陳佑童, 閆楠, 何來勝, 李旭輝, 于龍濤,王希瑞, 康海波, 姜志軍, 白曉宇*

(1.中國建筑第五工程局有限公司, 長沙 410004; 2.青島理工大學土木工程學院, 青島 266520)

隨著基坑逐漸向深度更深、范圍更大的方向發展,單一的基坑支護型式難以應對復雜的地質環境條件,容易造成工程事故,而采取多種支護型式共同作用的組合支護體系可以有效解決此類問題[1-2]。樁錨支護作為一種基坑支護方案因其承載力大、適應性強、支護效果好等優勢,被廣泛應用于深基坑支護工程[3-5],眾多學者已對深大基坑混合支護結構的受力變形規律、地表沉降等開展了大量的研究[6-9]。李浩等[10]對成都某超深基坑樁錨支護結構的受力和變形特性開展了現場試驗,分析了冠梁土壓力與內力變化規律,總結了支護樁的位移和錨索軸力、基坑變形的空間效應以及基坑周圍地表沉降分布特征。楊志紅等[11]探討了深基坑開挖和施工過程中,樁錨支護體系變形特性和錨索預應力損失規律。江毅等[12]采用理正深基坑軟件對廣州第一高樓基坑不同支護結構的位移和內力、周邊地面沉降進行了計算,驗證了深基坑采用內撐、土釘墻、樁錨等組合支護方案的可行性。趙凌云等[13]結合某核電站二期循環水泵房基坑工程現場監測數據,研究表明了軟土地區采用分級卸荷、重力擋墻及樁錨組合的開敞式基坑支護型式的可行性。曹程明等[14]通過建立有限元模型,計算分析不同施工階段基坑水平、豎向變形以及錨索軸力的變化情況,并與現場監測數據進行了對比分析,得到了樁錨支護結構對土巖結合基坑變形的影響規律。

由于巖土工程問題的復雜性,基坑工程事故頻繁發生,有必要采取一定手段降低基坑施工的風險,除完善和優化支護方案外,基坑監測在施工過程中也起到重要的作用。孫長軍等[15]通過對比分析鋼支撐支護體系和鋼支撐+錨索混合支護體系下地下連續墻監測數據,探討了深基坑開挖過程中地下連續墻的變形和位移特性。閆建等[16]基于北京某深基坑樁錨支護體系監測數據,分析得到了支護結構的位移特性、錨桿軸力變化規律以及基坑周邊建筑物的沉降量。何趙彬等[17]通過監測支護樁的水平位移和豎向位移、土體深層水平位移以及臨近建筑物的沉降量,研究表明多排預應力錨索的樁錨支護體系在成都地區深基坑支護中存在較大的優勢。徐飛等[18]和徐爽等[19]基于超大型深基坑工程研究背景,結合現場開挖監測數據,對超大型深基坑開挖過程中樁錨支護結構變形特性、地表沉降范圍、錨索軸力的變化規律進行了分析。王鴻運等[20]通過現場實測數據,發現基坑變形對周邊建筑有一定的影響,江杰等[21]對南寧地區復雜地質環境下多種支護結構并存的深基坑支護工程進行了成功監測,得到了基坑施工對支護結構和周邊環境的影響規律。金雪峰[22]通過分析土巖組合基坑開挖過程中的監測數據,系統地研究了土巖組合基坑支護結構的軸力在各個開挖階段的變形規律,開挖過程中周邊建筑的沉降規律。逄鐵錚等[23]通過分析深基坑施工過程中錨索軸力、地下水位、位移和沉降等監測數據,研究了施工因素對周邊環境的影響規律,并指出地質條件的不同會導致變形監測結果的分布存在差異。李東海等[24]提出采用雙排樁作為一種基坑和鄰近建筑的隔離措施,可以有效控制基坑開挖施工對既有建筑的影響程度。保證深基坑的穩定性是工程施工的前提,王超等[25]提出了一種線性擬合控制圖法,通過超前預測,采取有效措施保證基坑的持續穩定。劉小陽等[26]通過基坑邊坡監測試驗以及地基合成孔徑雷達(synthetic aperture radar,SAR)技術和高精度全站儀監測數據的對比,驗證了地基SCR技術監測基坑微形變的可靠性。徐楊青等[27]為了提高基坑監測的準確率,研發了一套基坑監測系統,該系統實現了監測數據的安全輸入、標準輸出以及高精度的預測預警,是基坑監測的有效工具。張超翔等[28]通過理論分析、現場實測和數值模擬,重點研究了基坑開挖過程中,樁錨支護結構和周邊環境實測位移和數值模擬結果的偏差,得到了基坑開挖土體壓力、變形的演變規律。

基于以上試驗研究,現以青島海天中心城市綜合體項目土巖組合超深基坑樁錨支護工程為背景,對錨索軸力、基坑水平和豎向位移以及基坑周邊建筑物沉降進行現場監測與分析,探討樁錨支護體系對土巖組合基坑變形以及對周邊建筑物沉降的影響規律。

1 工程概況

1.1 工程概況

青島海天中心城市綜合體項目基坑支護工程,面臨著復雜的周邊環境,北鄰香港西路,地下管線埋深不超過2.0 m;西鄰青島世紀名人廣場,地下室外墻線相距較近;南鄰東海路,地下管線復雜且埋深在2.0 m之內;東鄰華夏大廈及多層建筑。

本基坑開挖深度介于24～29 m,建設場區整平標高按5.5～10.5 m考慮,根據建筑要求,本工程擬建1幢73層375.4 m辦公酒店,1幢41層216.4 m的會所酒店,1幢55層251.4 m的公寓,3～5層裙帶房,5層地下車庫。設計室內坪標高12.25 m,地下室基槽底標高約-18.43 m,地下室外輪廓周長約760 m。

1.2 工程地質條件及水文地質條件

根據現場地質勘查研究報告,監測場地主要是第四系和基巖。其中第四系厚度較小,基巖埋深較淺。各巖土層參數如表1所示。

表1 巖土層物理力學參數

本基坑地下水主要來源于季節性降水,勘察期間水位標高穩定在-3.01～-3.95 m。

本基坑開挖區域以擬建地下室外墻線為紅線,采用樁錨支護+超前支護,支護效果如圖1所示。

圖1 基坑支護效果圖Fig.1 Effect diagram of foundation pit support

2 樁錨支護體系施工控制

2.1 基坑開挖

基坑開挖以及支護結構的施工嚴格按照以下步驟進行:①在基坑支護位置清理場地,整平坡頂至設計標高;②按施工次序依次進行基坑分層、分段開挖,進一步進行混凝土樁和預應力錨索施工;③下層基坑施工的前提是上層混凝土滿足設計要求。

2.2 預應力錨索施工

樁錨支護體系中預應力錨索的成孔和安裝需滿足以下要求:①基坑開挖至錨索設計標高下方0.5 m,方可進行預應力錨索的施工;②鉆機成孔時,不得擾動周圍土層;③鉆出的孔位與設計位置的誤差低于0.1 m,成孔的同時檢查孔深及成孔角度;④錨索安放之前,需清孔,并每隔1.5 m設置一個定位支架;⑤錨索長度需滿足張拉、錨固作業要求,并在自由段設置隔離層,采取防腐處理。圖2是鉆機正在現場進行錨索成孔以及技術人員對施工完成的預應力錨索進行豎向間距檢查,圖3是預應力錨索的安放與注漿過程。

圖2 錨索成孔及豎向間距檢查Fig.2 Inspection of hole forming and vertical spacing of anchor cable

圖3 錨索安放與注漿Fig.3 Anchor cable placement and grouting

2.3 腰梁施工

基坑開挖至腰梁設計標高,按圖4給出的腰梁施工流程,進行腰梁的施工,圖5為技術人員現場檢查腰梁鋼筋綁扎尺寸及混凝土澆筑過程。

圖4 腰梁施工流程Fig.4 Construction process of waist beam

2.4 錨索張拉及注漿

在錨固體、腰梁、肋梁強度達到設計強度的80%后,按規范要求,對錨索進行預張拉和超張拉,為了避免鄰側錨索相互影響,采用間隔張拉的方式,按設計鎖定值鎖定。由于環境影響,需在基坑周邊設置降排水措施防止基坑積水,在土體破碎、水量較大位置,采用水灰比0.5～0.8的水泥漿,1～2 MPa高壓下進行錨索二次注漿。

受到施工影響,基坑坑底標高,部分管線以及地下室外墻位置出現調整,設計方案改變了錨索長度和數量,增加了鋼管樁和立柱。部分混凝土灌注樁腰梁上設置了牛腿,降低了錨索由于腰梁自重引起的預應力損失,對基坑樁錨支護體系的穩定性產生積極影響。圖6為腰梁上牛腿的分布與設置情況。

圖5 鋼筋綁扎尺寸檢查及混凝土澆筑Fig.5 Inspection of steel bar binding size and concrete pouring

圖6 牛腿的分布與設置情況Fig.6 Distribution and setting of steel structure bracket

3 實測結果與分析

3.1 錨索軸力監測

3.1.1 監測概況

根據現場條件,預應力錨索軸力監測共布設25個監測點,測點平面布置圖如圖7所示。

圖7 監測點平面布置圖Fig.7 Layout of monitoring points

錨索施工完成后,采用墊板、錨具等將錨桿軸力計安裝在孔口自由段位置,如圖8所示,最大量程超過設計拉力值的120%。錨索張拉時開始監測,歷時81 d,依靠XP05智能型振弦式頻率讀數儀與應力計連接,測出各應力計頻率,通過公式換算得出應力值。監測期間,正常情況下,相關技術人員每1～3 d監測一次,特殊情況下如遇到惡劣天氣或變形速率異常時,應加大監測頻率。圖8中應力計為市場常用錨索測力計,鋼墊板尺寸為200 mm×200 mm。

圖8 軸力計安裝Fig.8 Installation of shaft force meter

3.1.2 監測結果分析

因當時施工正在進行且巖層差別不大,本文主要針對開挖深度13.5 m范圍內的強風化及中風化巖層的錨索軸力進行監測分析。基于各單元中間位置的特殊性,在3個單元中間位置各選取1個監測點進行分析,編號分別為DY1-3、DY2-1、DY3-2,各錨索軸力監測結果如圖9所示。

圖9 錨索軸力隨時間變化規律Fig.9 Monitoring data of anchor cable axial force

由圖9可以看出,當基坑開挖深度到13.5 m時,監測期間內:1單元DY1-3監測點錨索軸力初始監測值為227.81 kN,根據錨索軸力變化曲線的斜率,判斷監測進行到50 d左右時,錨索軸力監測值為190.52 kN,軸力損失率16.37%,此后不再急速下降;50～75 d,錨索軸力隨時間穩定變化,增加或減少量不大;75 d之后,錨索軸力基本維持在一個穩定的數值,約為190.00 kN。2單元DY2-1監測點錨索軸力初始監測值為207.79 kN,根據錨索軸力變化曲線的斜率,判斷監測進行到63 d左右時,錨索軸力監測值為177.08 kN,軸力損失率14.78%,此后不再急速下降;63～75 d,錨索軸力隨時間穩定變化,增加或減少量不大;75 d之后,錨索軸力基本維持在一個穩定的數值,約為178.00 kN。3單元DY3-2監測點錨索軸力初始監測值為179.00 kN,根據錨索軸力變化曲線的斜率,判斷監測進行到42 d左右時,錨索軸力監測值為153.77 kN,軸力損失率14.09%,此后不再急速下降;42～75 d,錨索軸力隨時間穩定變化,增加或減少量不大;75 d之后,錨索軸力基本維持在一個穩定的數值,約為150.00 kN。

對以上3個單元的3個監測點錨索軸力隨時間的變化規律進行分析,錨索張拉之后的錨索軸力隨時間的變化曲線主要分為3個階段:①快速下降階段,由于錨固夾具,錨索回縮變形,樁后土體壓縮以及腰梁的變形等原因,錨索軸力在一段時間內出現急速下降;②穩定變化階段,本階段錨索軸力受到土體蠕變變形和內錨固段的作用出現波動變化,變化范圍較小;③基本穩定階段,錨索軸力經過一段時間的變化,逐漸趨于一個穩定值,該段受到的影響因素主要是降雨量和環境溫度。

3.2 基坑水平和豎向位移監測

3.2.1 監測概況

為了研究基坑在開挖過程中的變形規律,采用TOPCON-GTS-102N儀器監測基坑水平和豎向位移,與錨索軸力測點相鄰,在各單元中間位置設置4個監測點(圖7),分別編號為HV1、HV2、HV3、HV4,監測點由基準點和觀測點組成,基準點設置在支護樁頂,監測期間,正常情況下,監測頻率為1次/2 d,若監測數據出現異常變化,則需增加監測頻率,并停工查明原因,確認安全后繼續施工。

3.2.2 監測結果分析

圖10為本次4個監測點基坑水平和豎向位移隨時間變化曲線。

圖10 基坑位移監測結果Fig.10 Foundation pit displacement monitoring

由圖10(a)可知,基坑水平位移隨時間的變化曲線可得出:基坑水平位移隨施工的進行逐漸增大,其中監測點HV2和HV4水平位移最大 12.30 mm,HV1和HV3位移最大值分別是 9.31 mm、9.21 mm,均滿足現行《建筑基坑工程監測技術標準》(GB50497—2019)[29]設計最大位移 20 mm要求。監測期間內,在土體蠕變和錨索預應力損失的作用下,部分監測數據出現基坑向內移動。基坑水平位移速率有一定的波動性,其中28～32 d、40～48 d兩段監測期間內,基坑水平位移增大速率較快,最大值為HV2的0.75 mm/d。

圖10(b)顯示,基坑豎向位移隨時間的變化曲線可得出:基坑沉降量隨施工的進行逐漸增大,其中監測點HV2沉降量達到11.01 mm,為監測期間內基坑最大沉降量,HV1、HV3、HV4最大沉降量分別為10.55、7.49、7.95 mm,均滿足現行《建筑基坑工程監測技術標準》(GB50497—2019)[29]最大位移不超過20 mm的要求。與基坑水平位移變形規律類似,由于土體蠕變和錨索預應力損失的作用,部分監測數據顯示基坑向上移動,基坑向上位移量較向內位移量小。在基坑開挖和錨索施工期間,基坑豎向位移增大速率較其他期間更快。

3.3 周邊建筑物沉降監測

3.3.1 監測概況

深大基坑的開挖會引起周邊建筑物基礎沉降變形,從而引起建筑物的傾斜,甚至破壞,基坑開挖對坑外土體的影響范圍大概在開挖深度的2～3倍,即本工程基坑60 m范圍內的建筑物都會受到影響,圖7簡要給出了基坑周邊面臨的建筑物分布情況,為了研究基坑開挖卸載對周邊建筑物變形影響規律,在基坑周邊建筑物(構筑物)共布設了19個沉降監測點,分別編號VS1～VS19,布設原則是近密遠疏,視野開闊。主要布置地點如:建筑物四角、地質條件有顯著變化區域及沉降裂縫處等,相鄰監測點距離在15～30 m,做好保護措施,采用高精密水準儀測出高程作為沉降監測點的起始高程。

3.3.2 監測結果分析

由于當時正在施工的原因,本文研究僅對19個沉降監測點中的2個代表性監測點VS3和VS13進行詳細的分析,其地表高程隨時間的變化曲線如圖11所示。

圖11 周邊建筑物沉降監測Fig.11 Settlement monitoring of surrounding buildings

圖11顯示,監測點VS3和VS13在監測期間內最大沉降值均為1.2 mm,局部傾斜率最大值為 0.000 1,滿足現行《建筑地基基礎設計規范》[30]的要求。從數值上看,建筑物沉降波動變化較為平緩,監測初期,周邊建筑物地表高程存在微小上升。分析原因,建筑物基礎受到基坑開挖的擾動以及基坑降水的影響,部分監測點沉降值有所回升。由于監測期間較長,考慮人為和監測儀器的影響,建筑物整體豎向位移發展比較穩定,表明本超深基坑開挖對周邊建筑物的影響不大,進一步說明樁錨支護結構體系應用于土巖組合深基坑的優越性。

通過分析以上對錨索軸力、基坑水平和豎向位移以及周邊建筑物沉降結果發現:樁錨支護結構能夠有效控制基坑變形,滿足深基坑設計要求,解決了樁撐支護體系出渣效率低的難題。

3.4 案例對比分析

為了驗證本文研究得到的樁錨支護結構對基坑變形和鄰近建筑物沉降的影響規律的科學性和準確性,選取以下2個具有代表性的案例進行對比分析。

案例一[31]:青島市市北區某深基坑工程,基坑開挖深度約11.5～14.3 m,基坑邊坡周長約250 m,與本文所述工程相差較大。地層自上而下分別是雜填土、礫砂、強風化巖,與本文所述工程地層相似。基坑采用樁錨支護體系的測點的樁頂最終水平和豎向位移分別是2.6、1.9 mm,而其余測點樁頂最終水平和豎向位移分別是22.3、9.9 mm。

案例二[14]:某地區大型商業建設項目,基坑最大開挖深度為20.2 m,周邊環境非常復雜,是典型的上土下巖地層深基坑工程,與本文所述工程地層相似,采用樁錨支護體系。通過對該基坑支護工程的數值模擬發現:基坑由12.8 m開挖至20.2 m,基坑水平位移僅增加了0.65 mm,基坑最大豎向位移約為15.78 mm。

此外,文獻[32]對重慶某樁錨支護基坑開挖對鄰近建筑物的影響進行了現場監測和數值模擬,結果發現樁錨支護結構可較好地控制地層變形并保障近鄰既有建筑物的安全。

以上案例證明樁錨支護結構可有效減少開挖過程中基坑的水平和豎向位移,保護毗鄰既有建筑物,驗證了本文得到的研究結果。

4 結論

(1)隨著基坑的開挖,錨索軸力出現波動,局部由于土體蠕變和內錨固作用,錨索軸力有所增加,但軸力增量不明顯;樁錨支護體系可以減少錨索預應力損失,監測期間內,錨索軸力平均損失率約為15.08%。

(2)基坑最大水平位移為12.30 mm,最大豎向位移為11.01 mm,周邊建筑物最大沉降量為 1.2 mm,最大傾斜率為0.1‰,均滿足現行規范和設計要求,說明樁錨支護體系可以有效控制基坑變形及周邊建筑物沉降。

(3)通過案例對比分析,進一步驗證了樁錨支護體系可有效控制開挖過程中基坑水平和豎向位移,確保毗鄰既有建筑物安全。研究結果可為類似地質條件的深基坑工程設計、施工與監測提供參考和借鑒。