丁 簡，鄧宗偉

(湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

高填土基坑降水開挖對周邊環(huán)境的影響性分析

丁 簡，鄧宗偉*

(湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000)

為了分析高填土基坑降水開挖對周圍環(huán)境的影響及基坑穩(wěn)定性，筆者以實際工程為例，對該基坑的地下水位、深層水平位移、地表沉降值、錨索軸力和樁頂水平位移進行了監(jiān)測．監(jiān)測分析表明，在施工過程中，基坑周邊地下水位的變化大且變化不均勻，部分已超過了預警值；隨著開挖深度的增加，深層水平位移隨深度的變化曲線由線性逐漸向“弓”形分布轉(zhuǎn)變，最后深層水平位移最大值位于地表以下一定深度；在施工過程中地表沉降可分為急劇增長和平穩(wěn)增長兩個階段，地表沉降主要發(fā)生在基坑開挖期；樁頂水平位移和錨索拉力均隨開挖深度的增加而增大，當基坑開挖至設計標高時達到最大并趨于穩(wěn)定，測試值均小于預警值，滿足要求．

高填土；基坑；環(huán)境影響；穩(wěn)定性；監(jiān)測

城市的快速發(fā)展，用地變得越來越緊張，地下空間的開發(fā)成為必然趨勢，而地下空間的開發(fā)離不開基坑工程[1-3]．地鐵與高層建筑物的修建，已經(jīng)成為城市發(fā)展的必然趨勢，基坑不可避免的會在一些有高填方的地區(qū)施工，但是我國現(xiàn)在對高填方地區(qū)的研究甚少，尤其是關(guān)于內(nèi)陸地區(qū)的研究，因此對高填方基坑的研究已經(jīng)是一種趨勢[4-5]．通過研究高填方土的深層位移與地表沉降的變化，監(jiān)測基坑降水開挖過程中，對高填方基坑周邊環(huán)境的影響，為日后高填方地區(qū)基坑工程的設計、施工與防護提供理論依據(jù)[6-8]．同時，減少因不了解高填方基坑降水開挖對周邊環(huán)境的影響而造成間接或直接的經(jīng)濟損失，減少基坑上部建筑物的安全隱患，提高工程質(zhì)量，并找出對高填方基坑的有效防護方案，以保證高填方基坑周邊的建筑物、市政管線和道路交通的安全[9-10]．

1 工程概述

本基坑工程位于湖南省益陽市高新區(qū)龍州南路與鹿角園路交叉口的西南角，場地東鄰龍州南路，南靠益陽橡膠機械集團有限公司，西側(cè)為廠房，北鄰鹿角園路，為一長方形地塊．該項目規(guī)劃用地面積約為40 799 m2，總建筑面積232 739 m2，總建筑占地面積17 722 m2，擬建1棟超高層、1棟高層和多棟底層商業(yè)建筑．

根據(jù)勘察，該場地土層主要是人工填土、淤泥質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土、中風化板巖和中風化玄武巖等．在場地范圍內(nèi)未見較大的地表水系，場地地下水賦存、運移于人工填土、第四系沖積層、殘積層及基巖各風化帶的孔隙、裂隙中．根據(jù)其埋藏條件及含水層的性質(zhì)，該場地的地下水主要為上層滯水，因上層滯水受季節(jié)變化和降雨的影響較大，因此其水位變化存在著一定的規(guī)律性變化，且變化幅度較大．勘察期間為枯水季節(jié)，測得地下水初見水位埋深為4.00 ～7.90 m，相當于標高65.16 ～69.99 m；測得穩(wěn)定水位埋深為2.90～7.20 m，相當于標高66.02～70.50 m．

根據(jù)周邊環(huán)境條件、巖土工程條件及基坑支護深度的不同，將本基坑分為AB段、BCD1段、D1D段、DEFG段、GH段、HI段、IJ1段、J1J段和JKA段共九段，AB段采用鋼管樁結(jié)合錨桿支護，BCD1段，D1D段，DEFG段，GH段，HI段JIJ段采用樁錨進行支護，IJ1段采用懸臂樁進行支護，JKA段采用放坡結(jié)合旋噴樁進行支護．

在基坑頂修筑截水溝，基坑底修筑排水溝，尺寸300 mm×350 mm，按3 ‰坡度流向集水井中，排水溝、截水溝采用MU10燒結(jié)粘土空心磚，M7.5水泥砂漿砌筑及抹面，厚度≥10 mm，C15素混凝土墊層，厚度100 mm．根據(jù)基坑內(nèi)實際水量情況，布置一定數(shù)量的集水井，尺寸 1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm，用MU10燒結(jié)粘土空心磚，M7.5水泥砂漿砌筑及抹面，厚度≥10 mm．抽排地下水統(tǒng)一匯入沉淀池，并經(jīng)沉淀后方可排入市政管道．

2 基坑降水方案

地下水是基坑工程施工過程中影響基坑穩(wěn)定性的重要性因素，與流砂、管涌和整體性穩(wěn)定都有著密切的聯(lián)系．因此基坑降水是基坑開挖，特別是深基坑開挖中極為重要的一部分．基坑降水是保證在基坑內(nèi)干作業(yè)的有效手段，也是防止基坑發(fā)生管涌，增加開挖邊坡和基坑的穩(wěn)定性，提高基坑內(nèi)地基土強度，改善基坑開挖的條件，加快工程進度，保證土石方工程質(zhì)量和安全的必要措施[11]．

根據(jù)場地地層情況和水文地質(zhì)條件，結(jié)合益陽地區(qū)的工程經(jīng)驗，擬采用井點降水法．井點降水即在周圍按一定間距埋入井點管，并在地面鋪設一定水平集水管，用用抽水設備將地下水抽走使地下水位降至設計深度．井點法降水適用于不同幾何形狀的基坑，它能穩(wěn)定邊坡，并能有效的克服流砂．

根據(jù)本工程水文地質(zhì)條件以及降水深度的要求，本工程采用二級輕型井點降水，井點管直徑為48 mm，采用壁厚為3 mm的無縫鋼管，井點管間距為1.0 m，井點管長6.0 m．預抽水時間為10 d，具體按每日觀測水位參考值確定，如達到基坑底面0.5 m以下立即開始挖土工作，降水持續(xù)至地下室結(jié)構(gòu)施工結(jié)束，回填土前．根據(jù)施工工藝的要求，在本工程施工中，選用真空射流泵及其成套施工設備進行井點降水．

3 監(jiān)測方案

因為巖土體的復雜性，同時施工過程中有著眾多的不可預料的因素，各種計算方案均有著一定的局限，因此通過對基坑的實時監(jiān)測能及時的了解基坑開挖過程中基坑的變形和對周圍建筑物的影響，能很好的保證基坑工程施工的安全性，同時對以后基坑工程的施工和設計有著實際參考作用．通過實時狀態(tài)的反饋，能不斷優(yōu)化施工和設計方案，做到經(jīng)濟和安全．

3.1 地下水位監(jiān)測

本次采用電子水位計對基坑內(nèi)外的地下水進行監(jiān)測，該電子水位計主要由電子水探頭、鋼尺電纜、接受系統(tǒng)和繞線盤等部分組成．當電子水位計探頭觸碰到水面時水位計會發(fā)出蜂鳴報警聲時讀取鋼尺讀數(shù)．同時通過水準儀測出孔口處的標高，即可求出該測孔的水位值．

3.2 深層土體水平位移監(jiān)測

支護樁傾斜變形與深層土體水平位移監(jiān)測采用測斜儀進行．深層土體水平位移監(jiān)測觀測孔采用地質(zhì)鉆機鉆孔至指定位置，然后在鉆孔中安裝相應大小的測斜管，通過測斜儀按0.5 m間距對不同深度處的位移值進行讀取，并根據(jù)初始位移值計算出累計變形位移值．同時測斜管的埋設應避免接口出現(xiàn)在讀數(shù)處．

3.3 錨索內(nèi)力監(jiān)測

錨索內(nèi)力采用VWA型振弦式錨索測力計進行監(jiān)測，監(jiān)測錨索的預應力損失，錨索的軸力發(fā)展情況．

錨索測力計一般計算公式為

式中，Pm為測力計測量出的荷載量；k為測力計的測量靈敏度；ΔF為測力計實時測量值相對于基準值的變化量；b為測力計的溫度修正系數(shù)；為溫度實時測量值相對于基準值的變化量；F0為測力計測量基準值的平均值；T為溫度的實時測量值；T0為溫度的測量基準值．

VWA型振弦式錨索測力計的敏感測量元件，因其與測力鋼筒的材料線膨脹系數(shù)非常接近，試驗所得其溫度修正系數(shù)b甚小，由此一般計算可用下列公式

3.4 基坑周圍環(huán)境監(jiān)測

基坑的開挖對周圍環(huán)境有著不同程度的影響，此項目周圍環(huán)境監(jiān)測重點為基坑旁的道路，根據(jù)實際情況對道路的沉降位移和水平位移進行監(jiān)測．

沉降監(jiān)測采用高精水準儀進行側(cè)向，并在穩(wěn)定區(qū)域建立3個以上基準點，定期對基準點進行連測，校核基準點的穩(wěn)定性．在基坑周圍的道路上布設沉降監(jiān)測點，根據(jù)測得的標高可求出沉降量，整個監(jiān)測過程按國家二等水準測量進行監(jiān)測．而水平位移利用全站儀進行測量，與樁頂水平位移監(jiān)測方法類似．

3.5 樁頂?shù)乃脚c垂直位移監(jiān)測

樁頂?shù)谋O(jiān)測采用全站儀進行監(jiān)測，并采用基準線發(fā)建立基準線，基準線的兩端點按照兩級控制的原理設置．

4 監(jiān)測結(jié)果及分析

該工程至2015-01-07基坑開挖到底．本次取2014-12到2015-12的的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析．

4.1 地下水位監(jiān)測結(jié)果分析

本基坑監(jiān)測項目根據(jù)監(jiān)測目的沿基坑四周共布置了 6個地下水位測試孔，編號依次為SW1～SW6，此處選取其中3個水位孔對的水位變化進行分析．

從圖1至圖3的監(jiān)測分析可得，在整個基坑開挖施工過程中，基坑周邊的水位變化較大，而且不同測試孔位處的水位變化不均勻．從2014-12-21到 2015-12-18，SW1、SW3和 SW6孔處的水位變化趨勢基本一致，呈先減小后增大又減小的變化趨勢，在施工期地下水位下降明顯，至開挖完成后，地下水位有逐漸上升，并在6月份水位高程達到最大值，在9月份之后，地下水位基本趨于穩(wěn)定，僅在小范圍內(nèi)波動．

圖1 SW3水位高程變化曲線

圖2 SW4水位高程變化曲線

圖3 SW6水位高程變化曲線

SW6孔處的水位在1月17日到21日5天內(nèi)急劇減小，根據(jù)當時的施工現(xiàn)場情況反映，這是因為該時間段內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了滲水現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)情況后進行了緊急預報，并及時采取了注漿補漏措施，使?jié)B漏水情況得到處治，水位測試孔內(nèi)的水位恢復穩(wěn)定，達到了實時信息化施工的目的．在基坑的整個施工過程中，基坑周邊地下水位的變化值最大約2.56 m，位于SW6水位測試孔處．水位最高為70.69 m，出現(xiàn)在SW3處，水位最低位于SW4處，最低水位高程為64.15 m．

4.2 深層水平位移監(jiān)測結(jié)果分析

通過對深層位移的監(jiān)測可有效的對支護結(jié)構(gòu)深處的變形情況，并對基坑安全性和穩(wěn)定性作出分析．本基坑根據(jù)監(jiān)測方案對基坑周圍布設了12個深層水平位移的測斜孔，其編號依次為 S1～S12．此處取S3、S6和S10測斜孔的水平位移進行分析，如圖4～圖6所示．

圖4 S3深層水平位移變化曲線

圖5 S6深層水平位移變化曲線

圖6 S10深層水平位移變化曲線

通過對圖4～圖6的變形曲線的分析可得，不同深度處的變形存在一定的離散型，但是卻也有著較多的規(guī)律性，說明基坑開挖存在明顯的時空效應[13]．

隨著基坑的進一步開挖，基坑深度逐漸增加，支護結(jié)構(gòu)水平位移隨之增大，深層位移曲線逐漸向“弓”形分布變化，最大水平位移點出現(xiàn)在地表以下一定深度；當基坑開挖至設計標高，并施作下部結(jié)構(gòu)后，支護結(jié)構(gòu)深層水平位移變化量及變化速率明顯減小并趨于穩(wěn)定．不同測斜孔位處所采集到的支護結(jié)構(gòu)深層水平位移均小于警戒值，且最大水平位移均遠小于設計控制值．由此可知，該基坑工程的支護和圍護結(jié)構(gòu)設計合理，能對基坑深層水平位移進行良好的控制．

4.3 錨索軸力監(jiān)測結(jié)果分析

本監(jiān)測項目按設計及監(jiān)測規(guī)范的要求在基坑支護錨桿中共安裝了15個錨索軸力計，此次選取三個錨索的監(jiān)測值進行分析，錨索軸力監(jiān)測的部分成果如圖7～圖9所示．

圖7 M0-4錨索軸力變化曲線

圖8 M2-2錨索軸力變化曲線

圖9 M5-1錨索軸力變化曲線

3個錨索軸力的變化基本類似，在基坑開挖階段，錨索軸力快速增大，曲線變化較為平緩光滑，開挖結(jié)束后，軸力增加速度明顯減慢，并慢慢趨于穩(wěn)定，在后期錨索還有細微的減?。^索拉力最大增加值出現(xiàn)在M5-1處，最大為200.90 kN．

4.4 基坑周邊地表沉降監(jiān)測結(jié)果分析

通過對基坑周邊地表的監(jiān)測，可以隨時了解基坑開挖對周圍環(huán)境的影響，并采取相應措施，保證周圍建筑物、管線等不被損壞．根據(jù)實際情況和監(jiān)測規(guī)范，對該基坑周圍設置了40個地表沉降監(jiān)測點，編號為 C1～C40．同時在場地南北兩側(cè)100 m外的穩(wěn)定區(qū)域各設置1組基準點．

此處取C3、C12和C23處的地表沉降變化曲線進行分析，見圖10～圖12．

圖10 C3地表沉降變化曲線

圖11 C12地表沉降變化曲線

圖12 C23地表沉降變化曲線

由圖分析可知，各監(jiān)測點的沉降變化曲線存在一定差異，但總體卻也存在明顯的規(guī)律性，在基坑開挖期，沉降累計量逐漸增加，但當基坑開挖后，沉降變形開始變慢，后期達到基本穩(wěn)定，只存在小幅度的波動．這是因為在開挖初期隨著基坑的進一步開挖，施工極大地破壞了原有的地應力平衡，致使地表沉降急劇增加；當基坑開挖至設計標高后，地表沉降增長變緩，待下部結(jié)構(gòu)施工開始后，地表沉降趨于穩(wěn)定．在 2015年 1月份，各沉降觀測點采集到的沉降數(shù)據(jù)變化較大，這是因為這段時間內(nèi)施工進度加快，基坑開挖對周邊的擾動較大．

4.5 樁頂水平位移監(jiān)測結(jié)果分析

支護結(jié)構(gòu)樁頂水平位移共設置了 28個監(jiān)測點，監(jiān)測點編號依次為W1～W28．此處取W1、W7和W22點的水平位移進行分析，見圖13～圖15．

圖13 W1樁頂水平位移變化曲線

圖14 W7樁頂水平位移變化曲線

圖15 W22樁頂水平位移變化曲線

通過對圖13～圖15的對比分析可知，當隨著開挖的進行，樁頂?shù)乃轿灰埔仓饾u增大，當基坑開挖至設計標高時，累計水平位移量趨于穩(wěn)定．整個施工過程中，支護結(jié)構(gòu)樁頂水平最大位移在W1處，位移最大值為16.33 mm，期間平均位移速率為 0.14 mm/d．分析可知，樁頂?shù)奈灰苹景l(fā)生在基坑開挖期間，但當基坑開挖至設計標高并開始施作下部結(jié)構(gòu)，樁頂位移變化量明顯減小并趨于穩(wěn)定，支護樁變形均在允許范圍內(nèi)．

5 總結(jié)

根據(jù)對上述基坑監(jiān)測項目的結(jié)果進行分析，并結(jié)合現(xiàn)場周邊環(huán)境影響記錄，可得以下結(jié)論：

(1)在整個基坑開挖施工過程中，基坑周邊的水位出現(xiàn)明顯的下降，而且不同測試孔位處的水位變化不均勻．這表明基坑施工過程中降水效果比較明顯，井點降水達到了預期的效果．

(2)基坑開挖存在較明顯的時空效應．在基坑開挖期間，深層水平位移的變化最明顯，且最大位移在地表附近，隨著基坑繼續(xù)開挖，支護結(jié)構(gòu)水平位移隨之增大，深層位移曲線逐漸變?yōu)椤肮毙畏植?，最大位移點出現(xiàn)在地表以下一定深度；當基坑開挖至設計標高并施作下部結(jié)構(gòu)后，深層水平位移的變化量及變化速率均明顯減小并趨于穩(wěn)定，同時又一定的回彈趨勢．

(3)錨索拉力在整個基坑開挖過程中，隨開挖深度的增加而逐漸增大，在后期基本趨于穩(wěn)定，部分錨索在達到軸力的最大峰值后有略微下降的趨勢．

(4)在基坑開挖至開挖完成后，基坑周邊地表沉降大致可分為急劇增長和平穩(wěn)增長兩個階段．在基坑開挖初期，開挖深度淺，在地應力平衡下處于基本穩(wěn)定，一旦地應力平衡被打破，變形即會出現(xiàn)．當基坑開挖至設計標高后，地表沉降增長變緩，待下部結(jié)構(gòu)施工開始后，地表沉降趨于穩(wěn)定．

(5)隨著基坑土方分段開挖，基坑開挖深度不斷增加，支護結(jié)構(gòu)樁頂?shù)乃轿灰埔搽S著逐漸增大，當基坑開挖至設計標高時，其累計水平位移量均達到最大．

(6)通過對各項的監(jiān)測結(jié)果的分析，基坑周邊的變形基本發(fā)生在開挖階段．地下水位的變化對基坑周圍的沉降有著密切的關(guān)系，深層水平位移、地表沉降和坡頂水平位移有著類似的變形規(guī)律，同時變形越大時錨索軸力也越大．

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(責任編校：徐贊)

Analyzed on the Surrounding Environment Influenced by the Excavation and Dewatering of High Fill Foundation Pits

DING Jian, DENG Zong-wei
(School of Civil Engineering, Hunan City University, Yiyang, Hunan 413000, China)

In order to analyze the influence of the environment and the stability of high fill foundation pits precipitation and excavation. In practical engineering as an example, groundwater levels, deep horizontal displacements, cable tensions, surrounding ground settlements and horizontal displacements of pile top were monitored. The analyses indicated that the groundwater levels changed greatly and were uneven during the constructing process, and the change of groundwater level at part hole had exceeded the warning value. With the increase of excavating depth, the changing curves of horizontal displacements along with depth altered from linear distribution to ‘bow’ distribution. Finally, the maximum deep horizontal displacement located at a certain depth below the ground. The development of ground settlements fell into two stages: sharply increasing stage, and stationary increasing stage during foundation pit construction. The horizontal displacements of pile top and the cable tensions increased with the growth of excavating depth, reached their maximum and trended to be stable when the pit excavated to the design elevation, and the test values were less than the warning values, it suggested that the displacements of pile top and the cable tensions can meet the requirements.

high fill soils; foundation fit; environmental influence; stability; monitored

TU196

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2017.03.0002

1672–7304(2017)03–0006–06

2017-05-10

湖南省自然科學基金項目(2016JJ4013)；湖南省教育廳科研項目(14A024；16A038)

丁簡(1993-)，男，湖南益陽人，本科生，主要從事基坑支護和監(jiān)測的研究﹒E-mail: 280783888@qq.com；＊通訊作者簡介：鄧宗偉(1972-)，男，湖南安化人，博士，教授，主要從事巖土與基礎工程方面的研究﹒E-mail: teapotd@163.com