吳麗華 陶玥辰

(1中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

20世紀90年代以來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，高層建筑以及城市地下工程迅猛增多，使基坑工程向規(guī)模更大、深度更深的方向發(fā)展，而復(fù)雜的周邊環(huán)境以及地下構(gòu)筑物等使基坑的施工條件變得愈來愈惡劣。在深基坑施工中如何進行支護體系的位移計算與變形控制，使得支護體系與周邊環(huán)境對基坑變形的要求相適應(yīng)，是擺在工程技術(shù)人員和學(xué)者面前的嚴峻課題。

根據(jù)基坑工程事故的統(tǒng)計，事故發(fā)生率特別高，尤其是近年來，基坑工程事故高達基坑總數(shù)的25%以上[1]。而這些工程事故主要表現(xiàn)為支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大位移造成支護結(jié)構(gòu)破壞，基坑塌方及大面積滑坡，周圍道路開裂和塌陷，地下設(shè)施變位以至于破壞，臨近的建筑物開裂甚至倒塌等，給國家經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)造成了巨大的損失，甚至影響到當(dāng)?shù)鼐用衽c企業(yè)和政府間的關(guān)系和一方的安定團結(jié)。因此在繁華市區(qū)進行深基坑開挖支護，是當(dāng)今土木工程最為復(fù)雜的技術(shù)領(lǐng)域之一，它不僅要保證基坑施工過程中的土體穩(wěn)定，而且要嚴格限制周邊的地層變形以確保四周環(huán)境的安全[2-5]。

在我國，基坑工程變形的研究始于20世紀90年代，主要是圍繞東部沿海城市深基坑開挖引起土工公害的環(huán)境效應(yīng)而展開的，尤以上海市飽和軟粘土為地質(zhì)背景的施工控制為重點[6-8]。

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，深基坑工程無論在數(shù)量上還是在難度上都有大幅度提高，深基坑工程中發(fā)生的事故也越來越多，其中最大問題是由于開挖引起周圍土體變形從而導(dǎo)致周圍的建筑物和地下管線等設(shè)施的破壞。傳統(tǒng)的基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計僅考慮到支護結(jié)構(gòu)的強度滿足抗傾覆、抗滑移的要求，隨著基坑工程的發(fā)展，周邊環(huán)境對基坑支護系統(tǒng)的變形要求愈來愈嚴格，在深基坑施工中進行支護體系的位移計算與變形控制，使得支護體系與周邊環(huán)境對基坑變形的要求相適應(yīng)，是目前基坑工程中亟待解決的技術(shù)難點之一。因此對基坑開挖過程中實行信息化施工，位移計算與變形控制已成為基坑工程研究的發(fā)展趨勢。

1 工程背景

1.1 工程概況

蘭州紅樓時代廣場位于蘭州市城關(guān)區(qū)繁華地段的南關(guān)什字東南角，是蘭州市標(biāo)志性建筑物；北臨慶陽路、西接酒泉路、南靠中街子、東鄰蘭州交通銀行（16F和18F）和地下設(shè)備用房。占地面積78m×115m，設(shè)計主樓56層，裙樓12層，設(shè)3層地下室。建筑場地地表絕對標(biāo)高在+1520.22～+1521.34m，設(shè)計±0.000標(biāo)高為1521.10m，基坑實際開挖深度可統(tǒng)一按19.3m考慮?；又車械缆泛痛罅抗芫€分布，且部分地段相鄰地下室或地下信道，整個基坑規(guī)模較大，長×寬約為120m×70 m，周長約400m?；油鈧?cè)地面作用均布荷載為10kPa，基坑重要性系數(shù)取1.1，巖土工程勘察土工試驗報告的土體參數(shù)見表1。

表1 地基土層參數(shù)表

1.2 支護設(shè)計

通過方案優(yōu)選，支護方案確定為上部土釘墻，下部排樁預(yù)應(yīng)力錨桿。土釘墻的設(shè)計采用文獻[7，8]的方法，排樁預(yù)應(yīng)力錨桿采用文獻[9]提出的方法。

上部0～-4.5m采用1：0.1坡率放坡開挖、錨噴支護：沿坑壁垂直方向布1排錨桿、2排土釘，與水平面交角均為10°，水平間距均為1.3m；設(shè)Ф8@200mm×200mm鋼筋網(wǎng)片，噴射80mm厚C20混凝土面層，頂部外翻1.0m或至防護圍墻，設(shè)1Ф14插筋，80cm長，水平間距1.5m。第1排錨桿長度8.0m，在地表下1.5m，桿體采用1Ф25鋼筋，孔徑150mm，M10水泥砂漿，全長黏結(jié)，設(shè)計抗拔力80kN，預(yù)加應(yīng)力40kN；第2排土釘長度6.0m，在地表下2.7m，桿體采用1Ф48mm×3.5mm錨管，M10水泥砂漿；第3排土釘長度5.0m，在地表下3.9m，桿體采用1Ф48mm×3.5mm錨管，M10水泥砂漿。

下部-4.5～-19.3m采用單排鉆孔灌注樁與預(yù)應(yīng)力錨桿相結(jié)合的樁錨支護方案：樁徑1000mm，樁間距1.9m，樁長21.0m，嵌固深度7.0m，樁頂設(shè)1200mm×800mm冠梁，樁身掛一道背靠背雙普通槽鋼腰梁，槽鋼型號選[20b；樁身及冠梁采用混凝土強度等級均為C30，支護樁主筋混凝土保護層厚度為100mm，冠梁為50mm；樁間設(shè)置直徑1000C15素混凝土樁，深入基坑底面2.0m，樁長為16.0m；預(yù)應(yīng)力錨桿入射角為10°，錨桿孔徑150mm，水平間距1.9m，桿體采用1 36鋼筋，灌漿材料采用M30水泥砂漿。第1排錨桿長度15.0m，錨固段8.0m，在地表下4.75m，設(shè)計抗拔力300kN，預(yù)加應(yīng)力150kN；第2排錨桿長度14.0m，錨固段8.0m，在地表下6.75m，設(shè)計抗拔力300kN，預(yù)加應(yīng)力150kN。如圖1所示。

圖1 設(shè)計剖面

1.3 降水設(shè)計

擬建場地地下水類型屬第四系孔隙潛水，主要含水層為卵石層，第三系砂巖為下部隔水層。地下水主要受上游地下水徑流及大氣降水滲入補給。地下水總體流向由西南向東北。最終排泄于黃河。地下水位隨季節(jié)變化，一般春、冬季節(jié)較低，夏、秋季節(jié)較高?？碧狡陂g內(nèi)，穩(wěn)定地下水水位埋深3.7m～4.6m，相應(yīng)水位標(biāo)高1516.80m～1517.41m；根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，本區(qū)地下水水位變化幅度一般為0.5m～1.5m。根據(jù)《蘭州紅樓房地產(chǎn)開發(fā)有限公司紅樓時代廣場（55F）巖土工程勘察報告》，其單孔涌水量400m3/d左右，滲透系數(shù)k為20m/d。工程降水設(shè)計時，取卵石含水層厚度為5.8m，滲透系數(shù)k為50m/d。

工程基坑開挖深度為-19.3m，根據(jù)蘭州地區(qū)基坑降水經(jīng)驗，采用樁間素混凝土樁加注漿止水、基坑開挖時在樁間滲漏點進行堵漏、坑外管井井點（D=350mm）降水與基坑內(nèi)明排疏干多種手段相結(jié)合的方法，確?；A(chǔ)施工時，實現(xiàn)基坑內(nèi)干作業(yè)的目標(biāo)。

降水計算時視卵石層下砂巖為非含水層，按基坑開挖深度為-10.0m，地下水降深-10.5m考慮。

考慮到井點外露高度1.0～1.5m和井管長度均為2.5m/根，確定降水井井深為15.0m?；用娣eA約為8990m2，滲透系數(shù)k為50m/d，設(shè)計水位降深S按5.8m考慮，含水層厚度H按5.8m考慮。通過計算可得基坑降水影響半徑R= 1 97.5 m ，基坑等效半徑基坑總涌水量為估算管井的單井出水量為，計算管井的數(shù)量為：n= 1 .1Qq= 1 .1× 3 422.5/243=15.5。

最終在基坑周邊布設(shè)22眼降水井，如圖2所示，井深按深入風(fēng)化砂巖層內(nèi)3.5m控制，成孔直徑800mm，井管直徑350mm，基坑西南側(cè)井間距約為15m，其余側(cè)約為20m，使之形成穩(wěn)定的降水漏斗，盡可能切斷外圍水源對基坑的補給，使基坑形成封閉狀態(tài)。

圖2 降水井平面布置

基坑開挖后，根據(jù)坑內(nèi)積水情況，在基坑坑底四周設(shè)置500mm×500mm×1000mm大小集水坑，一般間距20m～30m，采用磚砌、M10水泥砂漿抹面。同時，順基坑坡底四周設(shè)置200mm×300mm大小排水明溝，磚砌、M10水泥砂漿抹面，溝底坡度取0.5%；溝內(nèi)充填30mm～50mm干凈卵石形成盲溝，將基坑滲水引入集水坑內(nèi)，由集水坑抽至沉砂池排出。

2 位移監(jiān)測分析

本次監(jiān)測主要依照監(jiān)測方案，對基坑樁頂水平位移及鄰近建筑物沉降作了詳細監(jiān)測，檢測點布置如圖3所示。基坑開挖初期位移較大，觀測間隔1天，當(dāng)后期位移趨于穩(wěn)定時，間隔2～3天。

圖3 監(jiān)測點布置

2.1 水平位移監(jiān)測分析

圖4 基坑北側(cè)樁頂水平位移曲線

圖5 基坑西側(cè)樁頂水平位移曲線

從水平位移曲線圖4、圖5可以看出，在基坑北區(qū)土方開挖第一層（－2.7m）時，由于未安裝錨桿，各樁呈懸臂狀態(tài)，支護結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)水平位移，但是位移變化不大，最大位移點S1為9mm，最小位移點S7僅為1mm；第一層錨桿安裝后，由于錨固砂漿尚未達到強度要求，錨桿沒有施加預(yù)應(yīng)力，隨著第二層土方開挖，樁頂水平位移開始變大，開挖第三層土（－5.3m）時，位移速率增大，S1、S2與S3均超過3mm／d。第二層錨桿安裝后，隨著土方繼續(xù)開挖，各測點位移不斷增加，挖至基底標(biāo)高位置時最大位移S1點已發(fā)展到24.6mm，其次S2點22.3mm，由于南區(qū)土方剛開挖第一層，西側(cè)各測點此時位移很小；土方開挖結(jié)束后，隨著錨桿預(yù)應(yīng)力的施加，各測點位移開始收斂，由水平位移曲線可以看出，基坑西側(cè)S4～S7測點位移變化佷小，北測S1～S3測點已趨于穩(wěn)定；基坑北側(cè)測點位移普遍大于西側(cè)，分析認為：其一是由于基坑開挖北側(cè)在先，北側(cè)的暴露時間大于西側(cè)的緣故。其二是北側(cè)距離一幢住宅樓僅有9m，對支護結(jié)構(gòu)的位移影響較大；基底墊層的澆筑與地下室的施工對基坑變形有一定的影響，4月22日北部墊層澆筑完畢后，基坑北側(cè)墻頂水平位移速率減緩，到5月4日進行地下2層主體施工時，S1、S2、S3位移已基本穩(wěn)定；由圖3可以看出，S1、S2、S3曲線開始階段斜率比較大，越往后斜率越小，5月14日之后斜率變?yōu)?。而西側(cè)各點的位移曲線一直很平緩，位移持續(xù)時間較長，直到6月11日進行一層主體施工時，位移才不再發(fā)展。這說明基坑開挖后，基坑周邊的土體處于臨空狀態(tài)的時間以及土方開挖的速度與位移的速率有很大的關(guān)系，臨空時間短，位移曲線平緩，開挖速度快，位移速率大。受空間效應(yīng)的影響，基坑中部位移較大，S5、S6分別為25.9mm、22.5mm，而拐角處位移較小，S4與S7僅為16.9mm和18.0mm。由于圖4中的監(jiān)測點位于基坑短邊，而圖5中的監(jiān)測點位于基坑邊長邊，基坑尺寸效應(yīng)使得位于短邊水平位移速率減小，說明基坑短邊比長邊穩(wěn)定。

2.2 豎向沉降監(jiān)測分析

圖6 監(jiān)測點1#沉降曲線

圖7 監(jiān)測點2#沉降曲線

圖6、圖7給出了沉降觀測曲線，從3月20日首次觀測到11月5日末次觀測以來，觀測點沉降最大值為21.01mm，最小沉降點沉降值1.6mm，最近3次沉降觀測單點最大沉降量為0，單點最大沉降速率為0，已經(jīng)達到國家規(guī)范規(guī)定的沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)（小于0.01-0.04mm／d）；最大局部傾斜為0.00142，小于國家規(guī)范（GB50007-2002）第5.3.4條規(guī)定：砌體承重結(jié)構(gòu)的局部傾斜（中、低壓縮土）小于0.002的規(guī)定；土體剛開挖第一層時，對周邊建筑物影響不大；大幅度沉降開始在基坑支護結(jié)束后地下室負二樓的施工中，在施工地下室負一樓時，沉降趨于平穩(wěn)；沉降和位移有關(guān)聯(lián)性，在支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移大的對應(yīng)部位，建筑物沉降也較大，且沉降滯后于水平位移，由數(shù)據(jù)顯示，一般在10天左右；距基坑距離遠近不同建筑沉降差別很大，這是因為基坑開挖后，基坑及周圍土體的應(yīng)力場發(fā)生變化，隨著基坑內(nèi)土體自重應(yīng)力的釋放，土體原結(jié)構(gòu)平衡遭到破壞，地基土在原有荷載作用下產(chǎn)生新的沉降。距支護結(jié)構(gòu)越遠土體受擾動越小，土體將保持相對較好的整體穩(wěn)定性，因此，離基坑越近，建筑物越容易產(chǎn)生更大的沉降。

3 結(jié) 語

1）支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移主要出現(xiàn)在土方開挖階段，基底墊層澆筑完畢后，位移速率減緩，在進行地下室主體施工時位移趨于穩(wěn)定；

2）基坑開挖引起的周邊建筑物沉降與支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的位移并不同步，而是在支護結(jié)構(gòu)位移產(chǎn)生后10天左右，且沉降與水平位移有關(guān)聯(lián)，距水平位移大的部位愈近，建筑物產(chǎn)生的沉降也越大；

3）基坑開挖后，圍護結(jié)構(gòu)的變形大小與基坑周邊的土體處于臨空狀態(tài)的時間以及土方開挖的速度有很大的關(guān)系，臨空時間長，結(jié)構(gòu)變形大。

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