相鄰基坑先后開挖互相影響研究

郭思磊

(中鐵十四局集團建筑工程有限公司,山東 濟南 250000)

0 引言

工程施工中,有時受場地限制,需要在既有基坑周邊開挖坑外坑,或者大基坑內部存在不同深度的坑中坑,相鄰基坑之間的地基受力及變形特征、穩定性等無疑變得更加復雜,給理論設計及工程實踐都提出了新的挑戰。與單基坑相比,相鄰基坑之間存在明顯耦合作用,圍護結構的變形、受力和對周圍環境的影響也變得更加復雜[1-2]。特別是在軟土地區,由于淤泥質土層強度低、壓縮性高等特點,相鄰基坑開挖的相互影響效應尤為明顯,施工中不得不予以考慮。目前,大多是根據經驗判別施工時可能出現的問題,只是針對特定的實例提出某個觀點,未能形成較為系統的理論,施工中可借鑒資料匱乏。許多專家學者已對相鄰基坑同步開挖產生的相互影響進行了研究。張竹庭[3]利用二維數值模擬分析了相鄰基坑交界處土坡的穩定性;陳江等[4]研究了連續墻在相鄰深基坑同時開挖工況下的受力,分析了圍護墻頂部水平位移、沉降、支撐軸力的變化規律;馬雪妍等[5]對軟土地區相鄰基坑開挖時序對圍護結構位移的影響進行了研究;文仁學等[6]對復雜填海地層相鄰超大深基坑開挖相互影響穩定性進行了分析研究;秦奇峰[7]研究了基坑開挖對相鄰建筑物的影響。

1 工程實例

本工程為昆明地鐵5號線工程世博車輛段,位于昆明市東三環與白龍路交叉口東南側,西南林業大學以北,建筑面積39萬m2,設有2座綜合樓、停車列檢庫等功能單體建筑。勘察期間水深1.5 m。各結構物相對位置及地質情況如圖1所示。

1)車輛段落地區基坑。車輛段落地區基坑寬度45 m,長度250 m,底板埋深約16.5 m。圍護結構采用放坡+地連墻結合內支撐,明挖順作法施工。

圍護結構開挖深度約13 m,采用地連墻圍護,墻厚1.0 m,深度約28 m,內支撐采用1道混凝土支撐+1道型鋼支撐,坑底設置旋噴樁裙邊加固。主體結構形式為三柱四跨箱型結構,底板厚1.5 m。其主要結構斷面見圖2。

第一道為混凝土支撐,水平桁架混凝土對撐組,混凝土支撐間距9 m,布置如圖3所示。

第二道為型鋼支撐,型鋼截面HW400×400×13×21支撐,每組3根～4根,布置如圖4所示。

2)樓座基坑設計方案。在車輛段落地區基坑外同步施工2處樓座鋼板樁基坑,深度約8 m,鋼板樁長18 m,一道鋼支撐,圍檁為3拼Ⅰ40工字鋼,支撐為φ609 mm×14 mm鋼管,鋼板樁布置及結構立面如圖5,圖6所示。

2 施工監測

本處施工安全風險涉及兩個方面:一是車輛段落地區基坑開挖的安全及對鄰近樓座基坑的影響,二是鄰近樓座基坑本身開挖時的安全狀況。

2.1 監測項目

主要針對車輛段落地區基坑及相鄰樓座鋼板樁基坑進行監測。

車輛段落地區基坑監測項目主要有:

1)圍護墻頂水平豎向位移;2)圍護墻體深層水平位移;3)立柱水平豎向位移;4)支撐軸力;5)鄰近橋墩承臺觀測點。

樓座鋼板樁基坑監測項目主要有:

1)鋼板樁深層水平位移;2)樁頂水平豎向位移;3)支撐軸力。

基準點在基坑施工前設置,監測項目在開挖前應測得初始值,且不少于兩次。位移和沉降觀測基點應設在影響范圍以外,主要監測項目測點應設置在觀測量最大處。

2.2 監測控制值

本項目施工安全監測等級為一等,構筑物及周邊巖土體監測控制值按表1采用。

表1 車輛段落地區基坑變形監測控制值

3 工況介紹

根據施工安排,車輛段落地區基坑先行開挖,2個樓座基坑后開挖,步序如下:

步驟1):施作鋼板樁和地下連續墻圍護,施作雙軸攪拌樁及袖閥管注漿地基加固土。

步驟2):落地區基坑施作冠梁及混凝土支撐(見圖7)。

步驟3):落地區基坑開挖至鋼支撐底部,施作圍檁以及鋼支撐。

步驟4):落地區基坑開挖至基底設計標高(如圖8所示)。

步驟5):落地區基坑開挖完成后,2個樓座基坑同時開挖,施作圍檁及支撐。

步驟6):樓座鋼板樁基坑開挖至底部(見圖9)。

4 數據統計

將實測位移及軸力數據導入軟件,自動生成相應圖表,便于對比分析。

4.1 落地區基坑圍護結構

4.1.1 地下連續墻監測

1)車輛段落地區基坑開挖至基底時。地下連續墻圍護結構位移如圖10所示,水平方向總位移最大為21.62 mm,位移最大值出現在距地連墻頂部約10 m的位置。

2)樓座鋼板樁基坑開挖至基底時。1號、2號樓座基坑同時開挖,此時落地區基坑地連墻圍護結構位移如圖11所示,水平方向總位移最大為21.64 mm,位移最大值出現在距離地連墻頂部10 m位置。

為直觀對比地連墻在單基坑開挖和雙基坑開挖工況下的水平位移變化,在基坑兩側長邊向各取3個位置,根據實測數據,繪制最終開挖步下地連墻沿深度下的變形曲線,如圖12所示,其中1-1′和3-3′分別為距離樓座鋼板樁最近的位置。

1-1′最大水平向位移約為10.1 mm;3-3′最大水平位移約為11.9 mm,出現在地連墻深度約8 m的位置,如圖13所示。

4.1.2 內支撐

1)車輛段落地區基坑開挖至基底時。基坑內支撐圍護結構位移如圖14所示,水平方向總位移最大為16.71 mm。

重點關注落地區鄰近鋼板樁附近的鋼支撐變形,統計實測支撐軸力圖,如圖15所示,拉為正壓為負,其軸力最大值為1 567.54 kN。

2)樓座鋼板樁基坑開挖至基底。車輛段落地區基坑內支撐圍護結構位移如圖16所示,水平方向總位移最大為16.72 mm。

重點關注落地區基坑鄰近鋼板樁附近的鋼支撐變形,統計實測支撐軸力,如圖17所示,拉為正壓為負,軸力最大值1 556.64 kN。

4.2 對樓座圍護結構的影響

4.2.1 鋼板樁

樓座基坑開挖至底部時,圍護結構位移如圖18所示,水平方向總位移最大為9.85 mm。

4.2.2 內支撐

樓座基坑開挖至底部時,內支撐位移如圖19所示,水平方向總位移最大為8.82 mm。

統計實測支撐軸力圖如圖20所示,軸力最大為311.64 kN。

5 數據匯總

為了研究車輛段落地區基坑及其與1號、2號樓座基坑開挖過程中的相互影響,以地連墻、鋼板樁為主要研究對象,統計了各開挖步驟下的圍護結構變形及支撐內力如表2所示。

表2 車輛段落地區基坑及樓座鋼板樁圍護結構變形及內力詳表

6 統計分析

6.1 單基坑開挖

開挖步驟1)—4)時,車輛段落地區基坑遠離樓座基坑區域(5-5′和6-6′處)幾乎不受相鄰基坑開挖影響,可視作單基坑開挖。

6.1.1 圍護墻側移

從上圖可以看出,單工況下,水平方向最大側移為20.52 mm,位于地面以下10 m處,兩側圍護墻側移曲線對稱,隨著開挖深度的增加,最大側移點深度逐漸下移,同時墻體下端出現明顯的踢腳現象。

6.1.2 圍護墻軸力

遠離雙基坑開挖處,支撐軸力對稱分布,最大軸力為1 567.54 kN。

6.2 雙基坑開挖

6.2.1 圍護墻側移

兩端圍護墻側移分布規律類似,墻頂側移量較小,隨著土層深度的增加,墻體側移先增大后減小,最大側移位于埋深約10 m位置處。由于受樓座側基坑開挖卸載影響,水平位移比單基坑開挖時要小。

6.2.2 圍護墻軸力

遠離雙基坑開挖處,支撐最大軸力為1 567.54 kN,1號、2號樓鋼板樁基坑開挖至底部后,支撐最大軸力變為1 556.64 kN,表明相鄰基坑開挖后,對本體基坑存在明顯的卸載效應。

7 結論和建議

7.1 結論

軟土地區基坑工程受相鄰基坑開挖的相互影響,呈現以下特征:

1)相鄰基坑開挖將引起本體基坑整體向相鄰側的附加位移,且根據兩個基坑施工順序的不同,本體基坑兩側圍護墻產生附加位移的大小也不同。當采用同步施工時,近端墻附加位移遠大于遠端墻,對基坑安全不利。

2)本體基坑與相鄰基坑之間夾心土的位移存在明顯的疊加效應,相鄰基坑的開挖將顯著增加該部分土體的位移量,這對地表沉降的控制極為不利。基坑的開挖順序對夾心土地表最終變形量影響不大。

3)受格構柱和橫向支撐的影響,支撐軸力呈現兩端高、中間低的分布特點。相鄰基坑的開挖將引起本體基坑土壓力的非對稱分布,進一步引起支撐軸力的非對稱分布,靠近相鄰基坑一側支撐軸力較小。

7.2 建議

為確保整體工程安全,建議采取如下措施:

1)繼續樓座基坑與車輛段落地區基坑鄰近地層,可考慮施作一排抗滑樁或插打一排鋼管樁,增加整體剛度。

2)所有基坑挖土卸載應分層、緩慢進行,施工前及施工過程中及時動態檢測圍護結構變形情況,發現調整時及時修整。

3)優先考慮車輛段落地區基坑與樓座基坑相鄰區域范圍內測點的布置與保護,確保測點數據能真實反映圍護結構變形以及施工過程中數據的完整性,對于因意外而導致測點損壞的情況,需及時對測點進行補充布置。

4)在車輛段落地區基坑與樓座鋼板樁基坑開挖過程中,加強監控量測(至少一天兩測),當監測數值達預警限值時,應立即停止施工,根據動態評估結果調整施工工藝和工程措施。