張傳軍，何松，孫璽，姚佩佩

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島泰昊工程測試有限公司，山東 青島 266032)

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青島地區(qū)土巖組合地層基坑工程支護(hù)設(shè)計及變形分析

張傳軍1*，何松1，孫璽1，姚佩佩2

(1.青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266032； 2.青島泰昊工程測試有限公司，山東 青島 266032)

在總結(jié)巖石地區(qū)基坑工程典型支護(hù)方式的基礎(chǔ)上，介紹了青島地區(qū)土巖組合的一個典型超深基坑工程案例。鑒于特殊的地層，本工程采用吊腳樁+錨索支護(hù)體系，局部放坡結(jié)合鋼管樁預(yù)支護(hù)。通過有限元數(shù)值分析結(jié)果與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比表明：在上覆土層較薄的巖石地區(qū)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形主要集中在土層部分。采用上述支護(hù)體系可以有效控制基坑及周圍環(huán)境變形，同時大幅降低工程造價。

土巖組合地層；吊腳樁；變形；PLAXIS；有限元

1 引 言

各種超大、超深基坑工程在近幾年的工程建設(shè)中日益增多，且建筑物、地下管線及周邊道路等經(jīng)常緊鄰基坑?；拥拈_挖，勢必導(dǎo)致基坑周圍地基巖土體的變形、應(yīng)力場的改變和地下水的重新分布，甚至?xí)χ車h(huán)境及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生較大的影響[1，2]。為確保施工安全，必須對現(xiàn)場和周圍環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測。對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時分析，既能保證對基坑工程的實時監(jiān)控，又能保證工程的安全穩(wěn)定。同時，通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)來研究基坑在開挖過程中土體的變形特點，不僅能夠預(yù)測基坑的變形，還能為類似工程的設(shè)計施工提供參考，具有積極的指導(dǎo)作用。

在深基坑設(shè)計施工過程中，巖土體受擾動后的變形問題是設(shè)計施工中考慮的首要問題，不少專家學(xué)者已經(jīng)對類似問題進(jìn)行了一定研究，也提出了許多有意義的理論和經(jīng)驗。例如：吳文，徐松林結(jié)合武漢某樁錨深基坑工程實例，分析了支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形，并得出了被動區(qū)土的“m”值對樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力和變形有較大影響的結(jié)論[3]，呂鳳梧，徐偉等采用彈塑性有限元法對超大型深基坑的開挖和支護(hù)進(jìn)行了數(shù)值模擬[4]；對于深部巷道圍巖、邊坡穩(wěn)定性分析等類似工程則主要圍繞巖石的變形特性加以研究。本文則以青島地區(qū)某深基坑工程實例為參考，重點闡述土巖二元組合地層深基坑施工中土體開挖變形的相關(guān)特點。

2 青島地層及基坑工程簡介

組成青島巖層的主要巖石為花崗巖，上部為第四系，下部為風(fēng)化的基巖，地形多為低山、丘陵。地層中基巖面埋深一般較淺；在青島地區(qū)深基坑多為土巖組合基坑，施工中地下水問題的處理當(dāng)中最常用的方法是制作止水帷幕來截斷坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，開挖過程則通常采用邊降水邊開挖的方法施工作業(yè)。

依據(jù)地方經(jīng)驗，不同類型地層的基坑采用的支護(hù)方法主要有以下幾種，如圖1所示。

純風(fēng)化巖基坑主要采取的支護(hù)類型有：放坡開挖；非預(yù)應(yīng)力錨噴支護(hù)；預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護(hù)；復(fù)合錨噴墻支護(hù)。如圖1(a b c d1)所示：

土巖組合基坑主要采取的支護(hù)類型有：復(fù)合錨噴墻支護(hù)；嵌入基底的樁錨支護(hù)；預(yù)應(yīng)力錨噴墻支護(hù)；未嵌入基底的樁錨支護(hù)(吊腳樁)；內(nèi)支撐支護(hù)，如圖1(d2e f g h)所示。

圖1 (a～h)青島巖石地區(qū)典型的基坑支護(hù)方式

下面結(jié)合青島土巖組合地區(qū)某典型基坑工程案例進(jìn)行分析。

3 工程地質(zhì)條件

3.1 工程概況

青島某工程地基占地面積約 5 000 m2，整個工程擬建1棟超高層建筑及裙房，帶有5層地下車庫，基礎(chǔ)埋深 21.1 m。在基坑的南側(cè)和西側(cè)均為磚混結(jié)構(gòu)住宅小區(qū)，在基坑的東側(cè)和北側(cè)分別為交通十分繁忙的市區(qū)中心要道，由先前地質(zhì)資料可知，在靠近基坑北側(cè)的地下埋設(shè)有各種縱橫交錯的管線，場地條件十分復(fù)雜。3.2 工程地質(zhì)

工程所在場區(qū)為土巖二元地層結(jié)構(gòu)。場區(qū)地形平坦，屬于侵蝕堆積地貌單元，后經(jīng)人工回填整平。第四系以全新統(tǒng)沖洪積層為主，基巖則主要由花崗巖組成，基巖面埋深 4.10 m～7.50 m，基巖面總體較平緩。場區(qū)內(nèi)地層由上到下為雜填土、粉質(zhì)黏土(局部)、粗砂、粉質(zhì)黏土、礫砂；第四系以下基巖有巖脈入侵，呈帶狀穿插分布。各土層物理參數(shù)如表1所示。

由于場區(qū)位于濱海地區(qū)，場區(qū)內(nèi)的地下水位受潮汐影響較大，地下水位約在 1.40 m～2.40 m之間，穩(wěn)定水位絕對標(biāo)高 5.17 m～6.25 m。地下水類型主要為第四系孔隙潛水、承壓水、基巖裂隙水，潛水～弱承壓水主要賦存于粗砂和礫砂之中，且由于礫砂與強(qiáng)風(fēng)化花崗巖之間不存在隔水層，故而與基巖裂隙水有較好的通透性。在地下水控制設(shè)計方面，若為常規(guī)性工程且粗礫砂中的潛水～弱承壓水水量不大，可采用集水井明溝排水方式處理；對安全性及環(huán)境保護(hù)要求高的基坑工程，多采用制作止水帷幕的方法切斷基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，避免因基坑降水對周邊環(huán)境及建(構(gòu))筑物產(chǎn)生影響。

場區(qū)主要巖土層的物理參數(shù) 表1

4 基坑設(shè)計及施工

基坑設(shè)計開挖面距地表20.4 m，為規(guī)則矩形，設(shè)計室內(nèi)坪略高于現(xiàn)地面，根據(jù)有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[5]，結(jié)合該基坑工程的實際情況，確定該基坑工程安全等級為一級。

施工場區(qū)內(nèi)條件復(fù)雜，基坑周邊地下管線較多且埋深均較小，無放坡空間。由于基坑相對開挖深度較深，且地下水水頭較高，考慮到周邊建筑多采用天然地基、淺基礎(chǔ)型式，若直接排水開挖，可能會造成現(xiàn)有建筑物的不均勻沉降，故而采用高壓旋噴止水帷幕，以切斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系。

結(jié)合工程地質(zhì)資料及周邊環(huán)境和類似工程經(jīng)驗，設(shè)計采用樁錨支護(hù)體系對基坑進(jìn)行支護(hù)。基巖面以上的第四系覆蓋層采用吊腳樁加錨索支護(hù)，灌注樁打入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖 1 m?；鶐r面至中風(fēng)化底端采用放坡涂以面層的形式支護(hù)，部分微風(fēng)化巖體附加鋼管樁進(jìn)行輔助支護(hù)。

青島市內(nèi)地區(qū)巖基為花崗巖，發(fā)育有因構(gòu)造運動形成的斷層破碎帶。斷層破碎帶及其影響帶內(nèi)通常發(fā)育有碎裂巖、糜棱巖等動力變質(zhì)成因的構(gòu)造巖，其工程性狀差?；娱_挖時若側(cè)壁遇構(gòu)造巖或軟弱結(jié)構(gòu)面，其自穩(wěn)能力往往較差，可考慮采取加密、加長錨桿或注漿加固等措施進(jìn)行局部加固。若基底范圍內(nèi)揭露構(gòu)造巖及軟弱結(jié)構(gòu)面可挖出后換填。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖如圖2所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)的相關(guān)設(shè)計參數(shù)如表2所示。

基坑支護(hù)設(shè)計參數(shù) 表2

圖2 基坑典型支護(hù)剖面

5 監(jiān)測點布置

基坑施工過程中的監(jiān)測項目包括圍護(hù)樁體深層水平位移(測斜)監(jiān)測、圍護(hù)樁頂水平位移監(jiān)測、錨索拉力監(jiān)測、地下水位監(jiān)測以及周邊建筑物的沉降觀測。

工程中共布置圍護(hù)樁體深層水平位移測點4個，圍護(hù)樁頂水平位移及沉降測點15個，錨索軸力計測點22個，水位測點3個，基坑支護(hù)及監(jiān)測點布置如圖3所示。

圖3 基坑支護(hù)及監(jiān)測平面圖

6 結(jié)果分析及有限元模擬

6.1 有限元模擬

本基坑工程平面幾何形狀為規(guī)則矩形。采用PLAXIS平面應(yīng)變模型進(jìn)行模擬，根據(jù)其對稱性，取開挖深度的一半進(jìn)行計算。水平影響范圍取至開挖面以外 80 m，豎直影響范圍取至基底以下 20 m。根據(jù)本工程模擬特點，假設(shè)水平和數(shù)值邊界條件任意方向上的變形為零。Plaxis有6節(jié)點單元和15節(jié)點單元兩種，本文采用15節(jié)點單元建立模型，雖然在計算時耗時相對較長，但對于較復(fù)雜問題，往往能得到較高的計算精度。本算例的網(wǎng)格剖分采用中密，對個別應(yīng)力集中部位采用網(wǎng)格加密或繞點加密，以得到更理想的模擬效果。圍護(hù)樁采用板單元進(jìn)行模擬，支護(hù)結(jié)構(gòu)視為彈性受力狀態(tài)，開挖施工分12個施工步驟進(jìn)行。圖4為幾何模型及網(wǎng)格剖分圖，圖5中的菱形圖標(biāo)為圍護(hù)樁模擬位移[6，7]。

圖4 幾何模型及網(wǎng)格剖分圖

圖5 測斜管水平位移曲線

6.2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移

該基坑工程在每條邊的中間各設(shè)置1個測斜孔。北側(cè)測斜管在基坑開挖施工過程中被破壞。經(jīng)長期監(jiān)測，南側(cè)和西側(cè)圍護(hù)樁最大水平位移為 11 mm，東側(cè)由于緊鄰交通要道，車流量大，最大位移達(dá)到 12 mm，進(jìn)一步說明車輛等動荷載效應(yīng)對基坑變形的影響不可忽略。

圖5為某測斜孔不同時段的圍護(hù)樁深層水平位移曲線和PLAXIS模擬曲線(圖中菱形標(biāo)記)對比圖。從圖中可以看出，圍護(hù)樁的位移主要在距地表 8 m以上范圍內(nèi)。這是因為該處基巖面埋深在 8 m左右， 8 m以上為第四系覆蓋層，土體強(qiáng)度較巖體要大大降低。該處的水平位移自下而上位移呈現(xiàn)逐漸增大趨勢，這與錨索的布設(shè)結(jié)構(gòu)和位置有很大關(guān)系，故而在樁錨支護(hù)體系的基坑設(shè)計當(dāng)中，錨索的布設(shè)結(jié)構(gòu)和位置十分關(guān)鍵，樁頂水平位移較大處是設(shè)計的重點考慮因素。從圖中可以看出，PLAXIS模擬計算結(jié)果與實測的位移趨勢基本相符，說明按以上方法建立的模擬模型應(yīng)用于本工程真實有效，但位移量較實測值偏小，說明影響基坑變形量的因素不僅與設(shè)計參數(shù)和材料強(qiáng)度有關(guān)，更與基坑施工中的其他因素有重要關(guān)系，如爆破開挖等，這些在今后的基坑設(shè)計中都應(yīng)予以考慮。

6.3 圍護(hù)樁頂水平位移、沉降、水位

在圍護(hù)樁的樁頂水平位移和沉降監(jiān)測項目中共設(shè)置監(jiān)測點15個，本文選取統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的有代表性的監(jiān)測點進(jìn)行分析，即各邊中點處的監(jiān)測點，編號為CJ6、CJ3、CJ14、CJ10，分別位于基坑的東側(cè)邊、北側(cè)邊、西側(cè)邊和南側(cè)邊的中間位置，其中，北側(cè)CJ3號點緊鄰運土通道，各測點不同時間的樁頂水平位移曲線如圖6所示：

圖6 圍護(hù)樁頂位移時程曲線圖

從圖6可以看出，CJ3號點的樁頂水平位移最先達(dá)到穩(wěn)定，CJ6號點的樁頂水平位移最后達(dá)到穩(wěn)定，這與施工順序有一定關(guān)系，且CJ6號點緊鄰交通要道，持續(xù)的車輛動荷載在基坑施工中一直對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形產(chǎn)生影響。CJ6號點和CJ10號點的樁頂水平水位量相對較大，達(dá) 11 mm，CJ10號點的樁頂水平位移在 9 mm左右，而CJ3號點僅有 5 mm左右。CL6和CJ10號點位移增量較大，這是因為CJ6受車輛動荷載的持續(xù)影響，且CJ10號點由于支護(hù)過程中施工面層的需要，南側(cè)坑邊堆放了大量的材料、鋼筋、砂石以及其他相關(guān)設(shè)備。這大大增加了該區(qū)域的主動土壓力，隨著開挖深度的增加，主被動土壓力差值顯著增大，進(jìn)而導(dǎo)致了樁頂水平位移的急劇變化，因此在基坑施工過程中坑邊荷載對基坑變形的影響不可忽略，相關(guān)部門和人員應(yīng)規(guī)范施工、嚴(yán)格管理，以避免不必要的安全隱患。

圖6中各監(jiān)測點的樁頂位移呈階段性的增長變化，這主要受基坑開挖過程中施工工況的影響。土體開挖過程中每挖出一定量土體都要相應(yīng)的設(shè)置一道錨索，錨索工作后圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移達(dá)到暫時的穩(wěn)定，當(dāng)下一工況土體開始開挖后，基坑內(nèi)外的主被動土壓力被再次打破，圍護(hù)樁的樁頂水平位移進(jìn)一步增加，呈現(xiàn)出圖中的變化趨勢。其中，CJ6和CJ10點的樁頂水平位移在7月份出現(xiàn)了陡增，這主要是由7月份基坑?xùn)|南角的爆破開挖所引起的，在基坑的爆破過程中，由于用藥量過猛，導(dǎo)致基坑底角出現(xiàn)了部分坍塌，但由于搶救及時并未造成安全隱患，但致使圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較大程度的位移。結(jié)合圖7的位移變化曲線和錨桿施工時間可知增加錨索能夠有效控制維護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，但時間上相對滯后，綜合經(jīng)濟(jì)和人力工期等各方面因素，在樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的深基坑設(shè)計中，應(yīng)對錨索的位移和數(shù)量進(jìn)行合理的設(shè)計，以達(dá)到優(yōu)化的目的。

圖7 周圍建筑物沉降觀測結(jié)果

從圖7可以看出，自8月上旬開始，周圍建筑物的沉降量明顯增加，這證明爆破開挖所導(dǎo)致的基底部分坍塌對周邊建筑物的沉降有明顯影響。對比圖8相應(yīng)時期地下水位的變化曲線可知，地下水位的變化對周邊建筑物的沉降量影響不大，幾乎可以忽略。整個基坑在施工過程中并未出現(xiàn)管涌、流土、塌方。爆破開挖過程中用藥量的控制不僅關(guān)系到基坑施工能否順利進(jìn)行，更關(guān)系到坑內(nèi)及周邊建筑物的安全，故而應(yīng)進(jìn)行合理論證和計算，將安全隱患降至最低限度。

圖8 坑外地下水位變化曲線圖

圖8為止水帷幕外圍3個地下水位監(jiān)測孔的水位變化曲線圖。從圖中可以看出，除1號水位在基坑開挖后有較大幅度的水位下降外，2號孔和3號孔的水位變化基本較為穩(wěn)定，變化幅度僅 1 m左右。個別水位突變點為降雨所致，而1號水位則累計下降達(dá) 3.5 m左右。這主要是由于1號水位緊鄰道路，車輛產(chǎn)生的動荷載容易使周圍土體產(chǎn)生超靜孔隙水壓力，威脅基坑安全，因此在1號水位附近布設(shè)了若干泄壓孔，這是導(dǎo)致1號水位產(chǎn)生大幅度下降的重要原因。

7 結(jié) 語

在土巖組合地層中進(jìn)行深基坑施工，基坑周邊環(huán)境例如頻繁的車輛動荷載、場區(qū)內(nèi)堆土等因素對基坑開挖變形造成的影響不容忽視。

圍護(hù)樁的深層水平位移主要發(fā)生在距離地表 7 m～9 m的位置，距離地表越近，變形越大。本工程現(xiàn)場基巖埋深在 8 m以下，在土巖組合地層中，變形主要發(fā)生在土層中。

土巖組合地區(qū)的基坑在開挖過程中應(yīng)有效控制炸藥用量，用藥過量可能會導(dǎo)致坑底局部坍塌和周邊建筑物的沉降，不利于基坑變形和周邊建筑物的安全穩(wěn)定控制。增加錨索可起到有效預(yù)防和控制的作用。

從地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)可得出，在基坑周邊動荷載較為頻繁地帶，應(yīng)設(shè)置泄壓孔，以防止超靜孔壓的產(chǎn)生，控制基坑變形。在土巖組合地區(qū)的類似工程當(dāng)中，地下水位的下降并不會對周邊建筑物的沉降產(chǎn)生較大影響，止水帷幕截斷坑內(nèi)外地下水位的施工方法能夠收到較好成效。

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Design and Deformation Analysis of Foundation-pit Supporting Structure in Soil-rock Strata of Qingdao Area

Zhang Chuanjun1，He Song1，Sun Xi1，Yao Peipei2

(1.Qingdao Geotechnical Investigation and Surveying Research Institute，Qingdao 266032，China；2.Qingdao Taihao engineering test Ltd，Qingdao 266032，China)

The paper introduces an example of very deep pit in rock combined with soil layers by summarizing typical pits in Qingdao.Based on special geological conditions，during the excavation construction process，many comprehensive techniques were applied，such as end-suspended piles，anchors，slope，steel pipe pile and so on.The calculated results were compared with the field measured values.The results show that the mainly deformation of supporting construction appear in soil part.The supporting methed we talked above could control the displacement of excavation and builidings surrounded，reduce the construction cost. These datas were useful for the engineering.

rock combined with soil layers；end-suspended piles；displacement；PLAXIS；FEM

1672-8262(2016)05-171-06

TU94.2

B

2016—03—02

張傳軍(1980—)，男，工程師，主要從事巖土工程生產(chǎn)與科研工作。