蘇昭劍

(福建省建筑設(shè)計研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

在城市復(fù)雜密集地帶進(jìn)行深基坑開挖施工，不僅要考慮基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的變形和穩(wěn)定，還要考慮其對周邊環(huán)境(既有建筑物、道路、地下管線等)的不利影響[1]。在眾多基坑支護(hù)技術(shù)中，SMW(Soil Mixing Wall)工法支護(hù)在軟土深基坑工程中的得到廣泛地應(yīng)用[2]。對SMW工法支護(hù)深基坑開挖施工對周邊環(huán)境的影響進(jìn)行分析與研究，總結(jié)基坑工程實踐經(jīng)驗，分析基坑工程事故與險情產(chǎn)生的原因，對于改進(jìn)與完善SMW工法支護(hù)技術(shù)，使SMW工法支護(hù)結(jié)構(gòu)在各種不利、復(fù)雜的工程地質(zhì)條件下和對變形要求嚴(yán)格的基坑周邊環(huán)境下發(fā)揮作用，都具有十分重要的意義[3]。

基于此，本文運用科學(xué)的監(jiān)測方法，對背景工程基坑開挖施工過程實施跟蹤監(jiān)測，收集整理受影響的周邊環(huán)境的監(jiān)測數(shù)據(jù)；分析基坑開挖對周邊敏感環(huán)境造成的影響：結(jié)合基坑開挖深度與實際工況，分析重點環(huán)境區(qū)域監(jiān)測數(shù)據(jù)(樁頂水平位移、深層土體水平位移、鄰近建筑物沉降、道路沉降等監(jiān)測值)的變化規(guī)律與變化趨勢[4-11]。

1 工程概況

1.1 場地周邊環(huán)境

本文研究的基坑工程實例，位于福州市鼓樓區(qū)，場地東側(cè)距離基坑10m左右為單位宿舍樓(淺基礎(chǔ))。地下室為2層，開挖深度約為10m，基坑面積約為11 000m2。

1.2 水文地質(zhì)條件

根據(jù)建設(shè)單位提供的《福州市某項目巖土工程勘查報告》， 場地內(nèi)基坑開挖深度影響范圍內(nèi)的主要土層如下：

①雜填土，厚度為3.50m～6.10m；

②淤泥，厚度為3.50m～14.30m；

②-1淤泥質(zhì)土，厚度為1.70m～5.30m；

③(含泥)粉砂，厚度為2.90m～15.10m；

④粉質(zhì)粘土，厚度為1.20m～3.60m；

⑤(含泥)粗中砂，未揭穿，揭示厚度為8.00m～12.30m。

基坑開挖深度影響范圍內(nèi)的水文條件為：場地內(nèi)含水層主要為③(含泥)粉砂及⑤(含泥)粗中砂中的孔隙承壓水水位標(biāo)高約3.73m，滲透系數(shù)Km=10.23m/d?？辈炱陂g測得的鉆孔穩(wěn)定水位埋深約為2.50m，工程地質(zhì)典型剖面如圖1所示，土層物理參數(shù)如表1所示。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖

表1 土層物理參數(shù)表

2 基坑支護(hù)設(shè)計方案

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為單排SMW工法樁+兩道混凝土支撐組成的結(jié)構(gòu)體系。SMW工法三軸攪拌樁截面為Φ850@600，樁長為25m，所采用的型鋼截面尺寸為H700×300×13×24，如圖2所示。第一道支撐底面標(biāo)高是-3.20m，第二道支撐底面標(biāo)高是-7.2m。構(gòu)件尺寸：冠梁為GL1200×800，腰梁為YL1200×800，支撐為ZL1000×800，連梁為LL800×800。

基坑內(nèi)沿圍護(hù)墻周邊土體，采用Φ850@700三軸攪拌樁加固，樁長4m,加固范圍寬6m。基坑支護(hù)剖面圖如圖3所示，支撐平面布置圖如圖4所示。

圖2 三軸攪拌樁截面圖

圖3 基坑支護(hù)剖面圖

圖4 基坑支撐平面布置與監(jiān)測測點布置圖

2.1 基坑降水設(shè)計方案

(1)為保證地下室與基坑的正常施工，地下水位須降至承臺墊層底以下0.5m。該背景工程采用管井降水法，水位降深S為8.0m?；觾?nèi)設(shè)置降水井54口，井底標(biāo)高為基坑底以下18m，抽水流量為35t/h。管井采用焊接管，管徑325mm，壁厚5mm。共布設(shè)19口回灌井，井距6m，距SMW樁邊距離大于5m，根據(jù)現(xiàn)場施工情況進(jìn)行回灌水。

(2)基坑頂周圍地面設(shè)截水溝，坡角設(shè)臨時小排水溝；基坑底四角及各邊按20m～40m間距挖一直徑800mm、深500mm集水井，集水井中的地下水由水泵抽到基坑頂截水溝，最后排入下水道中。

2.2 基坑監(jiān)測方案

基坑開挖過程監(jiān)測是基坑風(fēng)險控制中必不可少的項目。通過對開挖過程中的基坑及其周邊環(huán)境的監(jiān)測，直觀反映基坑本身的風(fēng)險以及對周邊環(huán)境的影響。然后，借助信息化手段可以對基坑周邊風(fēng)險的演變進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，出現(xiàn)險情后立即向相關(guān)責(zé)任人報警，及時采取應(yīng)急措施，確保工程順利推進(jìn)?；娱_挖過程監(jiān)測主要目的是：

(1)及時向參建各方反饋基坑安全狀態(tài)；

(2)通過對基坑本身及周邊環(huán)境的監(jiān)測，及時向參建各方反饋支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、受力狀態(tài)，以及基坑周邊建筑、管線等安全狀態(tài)；

(3)評估基坑設(shè)計方案、基坑開挖方案的合理性。

2.2.1監(jiān)測內(nèi)容

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，背景工程的基坑保護(hù)等級為一級。結(jié)合項目實際情況，該項目基坑開挖過程主要的監(jiān)測內(nèi)容：

(1)深層水平位移(測斜)

要想充分了解基坑在開挖過程中周邊土體對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，應(yīng)進(jìn)行深層水平位移監(jiān)測。挖出基坑內(nèi)的土體后，基坑外土體發(fā)生變形。如果深層水平位移值太大，基坑結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境的安全都會受到影響。

(2)基坑周邊建筑物、周邊圍墻、周邊道路及基坑立柱沉降觀測。

隨著基坑開挖卸載，土體應(yīng)力釋放后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、地下水位變化都可能引起基坑周邊建筑物、周邊圍墻、周邊道路及基坑立柱沉降。

(3)基坑圍護(hù)樁頂水平位移

坑內(nèi)土體被逐漸挖掉后，圍護(hù)樁墻將向坑內(nèi)發(fā)生側(cè)移，如果位移過大圍護(hù)墻將發(fā)生失穩(wěn)，釀成重大安全事故。測斜值可以與樁頂水平位移值相比對，驗證監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

(4)混凝土內(nèi)支撐內(nèi)力

隨著基坑開挖，混凝土內(nèi)支撐內(nèi)力將不斷變化，當(dāng)其所承受的荷載超過設(shè)計允許值時，將會導(dǎo)致基坑支撐體系失效，引發(fā)安全事故。

(5)地下水位觀測

地下水對基坑變形及周邊環(huán)境的沉降有影響，對于承壓水位較高的情況，需要降低承壓水位。對基坑周邊水位觀測，可以及時了解基坑周邊水位變化情況，監(jiān)測值超預(yù)警值時及時應(yīng)對，保證周邊建筑的安全。

(6)周邊建筑物傾斜度觀測

通過對鄰近基坑建筑的傾斜度進(jìn)行觀測，了解基坑施工過程對周邊建筑的影響情況。

2.2.2監(jiān)測點的布置

基坑工程監(jiān)測點的布置必須能反映監(jiān)測對象的實際狀態(tài)及其變化趨勢，監(jiān)測點應(yīng)布置在具有變形關(guān)鍵特征點上，在滿足監(jiān)控要求的前提條件下，還要保證不影響正常施工。所有的監(jiān)測點要做好明顯標(biāo)記，并做好保護(hù)，避免施工過程被破壞，從而保障監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性并能及時準(zhǔn)確地獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)。基此，該工程基坑?xùn)|側(cè)局部區(qū)域鄰近建筑沉降監(jiān)測點位布置圖如圖5所示，基坑監(jiān)測的測點布置圖如圖4所示。

圖5 基坑?xùn)|側(cè)局部區(qū)域鄰近建筑沉降監(jiān)測點位布置圖

2.2.3監(jiān)測頻率

施工監(jiān)測項目的起始值在制定施工流程前明確，單個監(jiān)測位置的觀測應(yīng)至少采集3次，并選取3次的均值。在基坑開挖階段，應(yīng)保證攪拌樁頂部的水平位移值監(jiān)測頻率每天1次，其余類型監(jiān)測頻率按以下標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：

基坑開挖深度應(yīng)低于5m，且監(jiān)測頻率應(yīng)控制在2天1次；開挖深度在5m～10m，監(jiān)測頻率應(yīng)控制在1天1次；基坑深度大于10m，監(jiān)測頻率應(yīng)控制在2天1次。基坑的底板澆筑之后7天內(nèi)，監(jiān)測頻率為每天1次；在1～2周時間內(nèi)，監(jiān)測項目的監(jiān)測頻率值應(yīng)設(shè)定為每2天1次；在2至4周內(nèi)，監(jiān)測頻率為每3天1次；超過4周以上，監(jiān)測頻率應(yīng)控制在每5天1次。

2.3 主要監(jiān)測結(jié)果分析

2.3.1圍護(hù)樁頂水平位移分析

本文背景工程采用的是SMW工法樁配合混凝土內(nèi)支撐相結(jié)合的基坑圍護(hù)形。該工程沿支護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣共布置了18個水平位移觀測點(S1～S18)，測點布置圖如圖5所示。觀測時間為2014年5月14日至2014年11月24日。在此期間，圍護(hù)樁頂水平累計位移最大值為8mm，測點編號為S13，未超出設(shè)計警戒值(10mm)，滿足設(shè)計要求。本文選取S16、S17、S18測點作分析，將水平位移繪制成時程曲線，如圖6所示。

分析結(jié)論：

(1)S16、S17、S18測點分別位于基坑長邊的靠邊、半中間、正中間位置。S16測點由于位于基坑角部，其樁頂水平累計位移值為3mm，明顯小于位于中部的S17、S18測點的樁頂水平累計位移值(6mm)。由此可見，基坑長邊中部是較薄弱位置，其監(jiān)測數(shù)據(jù)對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形起到控制作用。

(2)5月14日至6月10日期間，S16、S17、S18測點樁頂水平累計位移值均為零；6月11日至7月20日期間，樁頂水平位移值逐步增加，隨著開挖土壓力釋放完成，第二道支撐的形成，樁頂水平位移趨于穩(wěn)定。此見，圍護(hù)樁、冠梁、支撐形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，對抑制樁頂水平變形起著很好的協(xié)調(diào)作用。

2.3.2深層土體水平位移分析

從深層土體水平位移監(jiān)測值的變化，能推斷開挖對基坑開挖周邊環(huán)境造成的的影響。深層土體的水平位移通過側(cè)斜管進(jìn)行監(jiān)測，在前文中已經(jīng)論述了側(cè)斜管的安裝方法及測量原理，這里不再贅述。該工程共設(shè)置了18個測斜監(jiān)測點，測點編號為C1～C18，測點的平面布置圖如圖4所示，采用專用的測斜儀對土體深層水平位移值進(jìn)行測量。測量值顯示，在基坑開挖過程中，深層土體最大水平位移為20.96mm，出現(xiàn)在測點C16測斜孔-9.0m位置處，均未達(dá)到設(shè)計警戒值(50mm)，滿足設(shè)計要求。本文選取C10這個測點在不同時間段中的測斜情況進(jìn)行分析，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 C10監(jiān)測點深層水平位移過程圖

分析結(jié)論：

C10監(jiān)測點處于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)外邊緣，地理位置靠近海潮東路南側(cè)。分析圖7中C10監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，隨著土體開挖加深，各個深度的位移在明顯增大。最大位移約為18mm，其深度位置出現(xiàn)在支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部以下5m附近，而不是出現(xiàn)在支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部，這說明基坑支撐結(jié)構(gòu)起到限制圍護(hù)墻變形的作用。

2.3.3周邊道路沉降分析

在基坑北側(cè)海潮路共設(shè)置20個測點，觀測基坑周邊道路沉降情況(圖4)。觀測時間：2014.5.14～2014.11.17。其中，最大累計沉降量為19.6mm(D6點)，未達(dá)到預(yù)警值25mm，滿足設(shè)計要求。本文選取測點D8～D20共13個監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，沉降過程曲線圖如圖8所示。

圖8 基坑周邊道路沉降過程曲線圖(D8～D20)

分析結(jié)論：

從圖8可以看出，5月中旬基坑挖土開始，隨著開挖加深各測點沉降量逐漸加大，6月中旬至7月中旬期間(開挖第一道支撐至坑底之間土層)沉降速率較大。而后地下室底板完成后，沉降速率趨于平衡，最終沉降趨于穩(wěn)定。

2.3.4基坑地下水位分析

該工程沿著支護(hù)墻外邊緣設(shè)置18個觀測孔(W1～W18)，孔深為14m，觀測時間：2014.5.14～2014.11.3。本文選取W1～W7共7個觀測孔水位監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。地下水位變化過程曲線如圖9所示。

圖9 基坑地下水位變化過程曲線

從圖9地下水位變化過程曲線可以看出，5月中旬至10月中旬，實施管井降水期間水位總體呈下降趨勢；7月中旬采取回灌水措施后，水位短暫回升，而后進(jìn)入平緩下降狀態(tài)，最終趨于穩(wěn)定。

2.4 鄰近建筑沉降原因分析

2.4.1沉降監(jiān)測結(jié)果分析

該項目三倍挖深范圍內(nèi)的重要建筑物主要集中在東側(cè)，因此，對東側(cè)宿舍樓進(jìn)行基坑開挖過程中的沉降監(jiān)測，共布置了沉降觀測點33個，監(jiān)測點布置圖如圖5所示。在施工過程中，F(xiàn)5、F19、F20 3個測點被破壞，因此沒有監(jiān)測數(shù)據(jù)。觀測時間：2014.2.18～2014.10.24。最大沉降值發(fā)生在F28點，沉降值為28.25mm。共有11個觀測點沉降量超過設(shè)計預(yù)警值10mm。

本文選取F31、F32、F33等3個測點進(jìn)行分析，將監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制成沉降時程曲線，如圖10所示。

圖10 基坑邊鄰近建筑物沉降時程曲線(測點F31～F33)

對照基坑開挖施工進(jìn)度，分析以上監(jiān)測圖表數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論。

(1)30個沉降監(jiān)測點(不含F(xiàn)5、F19、F20)隨基坑開挖加深沉降量逐漸變大，曲線變化趨勢大致相同；隨時間推移，沉降速率變緩，最終沉降趨于穩(wěn)定。

(2)3月10日開始基坑降水后，累計沉降值F31為16mm、F32為5mm、F33為14mm，開挖前的這一階段的沉降僅是由于降水引起的；從開挖至第一道支撐形成(5月20日至7月9日左右)，各監(jiān)測點沉降速率進(jìn)入一個穩(wěn)定階段；第二道支撐形成后(7月10日左右)，各監(jiān)測點沉降先是得到抑制并回彈，而后進(jìn)入緩慢而平穩(wěn)沉降階段。

(3)共有11個監(jiān)測點累計沉降量達(dá)到10mm以上，超過監(jiān)測預(yù)警值，施工單位調(diào)整基坑降水量，沉降得到控制。累計沉降最大的監(jiān)測點F28(累計沉降量為28.25mm)，不是靠基坑邊最近的監(jiān)測點；但是這30個測點累計沉降量的總體分布情況是距離基坑邊越遠(yuǎn)累計沉降量越小。

2.4.2沉降量超預(yù)警值原因分析

(1)基坑降水引起鄰近建筑物(水產(chǎn)局宿舍)沉降。基坑開挖施工前20d，施工方按基坑降水設(shè)計要求，在基坑內(nèi)設(shè)置54口降水井，從坑底以下18m用水泵抽取地下水。按設(shè)計要求水位應(yīng)降至基坑底以下0.5m。從圖10可以看出3月15日左右F31、F32、F33觀測點下降速率突然增大，此時坑內(nèi)尚未開始挖土。因此，可以推斷出這一期間的鄰近建筑沉降是由于坑內(nèi)降水引起的。

(2)基坑開挖后，坑內(nèi)土壓力卸載，產(chǎn)生不平衡力，東側(cè)圍護(hù)墻及坑外土體向坑內(nèi)開挖區(qū)方向移動，引起坑外地面沉降，從而引起東側(cè)鄰近建筑物沉降。分析東側(cè)深層水平位移觀測點C7觀測值可以發(fā)現(xiàn)，其最大水平位移發(fā)生在8m～9m深度附近，如圖11所示?？梢酝茢?，東側(cè)C7點附近圍護(hù)墻水平位移也發(fā)生在8m～9m深度附近，即第二道支撐梁以下。因此，可以通過加固坑內(nèi)圍護(hù)墻周邊附近土體，抑制圍護(hù)墻的側(cè)向變形，從而控制東側(cè)周邊鄰近建筑物的沉降。

圖11 C7觀測點深層水平位移過程圖

2.4.3控制鄰近建筑物沉降的設(shè)計方案改進(jìn)建議

(1)原降水設(shè)計中要求水位降至坑底以下0.5m，施工方以此為標(biāo)準(zhǔn)安排降水，結(jié)果造成水位被降得太低。建議在保證坑底不發(fā)生突涌的前提下，根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整降水高度(S)。降水井?dāng)?shù)量建議控制在15口左右；同時，關(guān)注地下水位觀測值及鄰近建筑物沉降值動態(tài)，及時調(diào)整抽水量。在發(fā)生沉降預(yù)警時，及時安排回灌水。

(2)建議靠東側(cè)坑內(nèi)土體加固的Φ850@700三軸攪拌樁，樁長由原設(shè)計4m增加至8m，樁底標(biāo)高不變，樁頂向上延伸約至與淤泥層頂面平。

3 結(jié)論

(1)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明，基坑開挖對周邊環(huán)境的影響：隨著基坑開挖加深，周邊鄰近建筑物沉降、土體深層水平位移、周邊道路沉降監(jiān)測值均呈現(xiàn)增加趨勢，再隨著兩道的設(shè)立支撐及地下室底板的施工完成，監(jiān)測值變化進(jìn)入緩慢而平穩(wěn)增加階段，最終監(jiān)測值變化趨于穩(wěn)定。

(2)深基坑開挖過程中，圍護(hù)墻變形值未超出警戒值，滿足設(shè)計要求。圍護(hù)墻與冠梁、腰梁、兩道支撐形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，對抑制圍護(hù)樁墻水平變形起著很好的協(xié)調(diào)作用。本工程SMW工法支護(hù)結(jié)構(gòu)是有效可靠的。

(3)基坑?xùn)|側(cè)既有建筑的沉降值部分監(jiān)測點沉降量超出預(yù)警值，施工方及時采取回灌措施后，沉降得到控制?；又苓呁馏w深層水平位移值及周邊道路(坑外地表)沉降值都在設(shè)計允許范圍內(nèi)，深基坑開挖過程中，基坑周邊環(huán)境是安全的和穩(wěn)定的，基坑開挖給周邊環(huán)境造成的影響處于可控的范圍內(nèi)。

(4)分析得出基坑開挖期間東側(cè)既有建筑物沉降量超預(yù)警值的原因為：基坑降水的水位降深過大；基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)墻8m～9m深度處側(cè)向位移較大。

(5)提出控制鄰近建筑物沉降的設(shè)計方案改進(jìn)建議：原降水設(shè)計中要求水位降至坑底以下0.5m，水位降得太低，應(yīng)在保證坑底不發(fā)生突涌的前提下根據(jù)現(xiàn)場情況調(diào)整；建議靠東側(cè)坑內(nèi)地基土采用三軸攪拌樁加固，樁長增加至8m，樁底標(biāo)高不變，樁頂向上延伸約至與淤泥層頂面平。