肖宏山

(本溪滿族自治縣水務(wù)和移民事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 本溪 117100)

0 引 言

為滿足水利工程的建設(shè)需求基坑的開挖深度逐漸增大，施工技術(shù)及其復(fù)雜性問題也日趨突出。復(fù)雜的周邊環(huán)境不僅大幅提高了深基坑的危險性，而且在很大程度上提升了基坑支護和開挖的難度[1]。采取保護、加固、支擋等安全防護措施確保地下室及基坑周邊環(huán)境安全為支護結(jié)構(gòu)的主要目標，而在完成地下施工、土方回填后支護體系也就完成了其使命[2]。所以，基坑支護結(jié)構(gòu)在工程實踐中的設(shè)計使用年限通常為1a。然而，在項目建設(shè)時往往因合同糾紛、資金不足及設(shè)計調(diào)整等原因，經(jīng)常出現(xiàn)深基坑長時間擱置的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致支護體系處于超期服役的狀態(tài)，這對水利工程的建設(shè)質(zhì)量和安全施工構(gòu)成了潛在的威脅。因此，全面掌握超期服役深基坑的支護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，合理評估其安全穩(wěn)定性能并降低風(fēng)險隱患，采取一系列有效措施合理延長設(shè)計使用年限，已成為當(dāng)前研究的熱點問題之一[3-8]。文章以遼寧省某水電工程超期服役的深基坑為例，對基坑擱置前后的支護樁變形規(guī)律結(jié)合現(xiàn)場長期監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行研究，然后借助于結(jié)構(gòu)設(shè)計分析軟件和抽樣檢測數(shù)據(jù)，對比分析錨索安全系數(shù)、樁體位移等重要參數(shù)，科學(xué)評估了深基坑在不同階段下的安全穩(wěn)定性，以期為水利工程基坑支護方案的優(yōu)化設(shè)計和穩(wěn)定性評價提供一定決策依據(jù)[9-11]。

1 工程概況

1.1 工程簡介

松樹臺二號電站主體結(jié)構(gòu)的基坑支護周長約138m、基底開挖面積884m2，開挖深度在14.0-15.5m。基坑周邊存在較為復(fù)雜的環(huán)境，埋設(shè)有給排水、電信、電纜等管道設(shè)施。

支護體系的安全等級為1級，設(shè)計使用年限為1年，支護結(jié)構(gòu)采用的是北部全部放坡而其他各坡面為預(yù)應(yīng)力錨索+排樁形式，支護體系的某一截面的剖面。支護體系的典型剖面形式，見圖1。

灌注樁的水平間距為1500mm，入土深度和樁長分別為5m、18m，樁徑為800mm，混凝土強度等級為C30。采用噴射厚100mm的C20混凝土+掛鋼筋網(wǎng)的方式處理樁間面層、放坡面護壁，沿樁長方向鋪設(shè)與水平夾角為30°的三道預(yù)應(yīng)力錨索，間距為4m。

圖1 支護體系的典型剖面形式

1.2 基坑狀況

該水電工程土方開挖作業(yè)時間為2012年6月，當(dāng)開挖至設(shè)計坑底標高時由于建設(shè)方原因建設(shè)暫停，停工時間為2013年1月。而工程項目在達到支護體系設(shè)計使用年限后仍未復(fù)工，直至2016年底具備復(fù)工條件開始建設(shè)施工。為了對基坑存在的安全隱患進行全面排查，建設(shè)方對基坑穩(wěn)定性狀態(tài)委托評估單位進行評價。

2 基坑變形特性分析

2.1 監(jiān)測方案

監(jiān)測數(shù)據(jù)為基坑維護的重要依據(jù)，由于已經(jīng)處于超期服役狀態(tài)，所以對該深基坑的監(jiān)測更加重要。為確保基坑的周邊環(huán)境及其安全運行，有必要分析、處理實時監(jiān)測相關(guān)數(shù)據(jù)并做出準確的判斷。綜合考慮周邊環(huán)境的復(fù)雜性和水利工程的重要性等因素，確定錨索軸力、地下水位、周邊建筑物沉降、坑頂沉降、樁體側(cè)斜及樁頂水平位移等為基坑監(jiān)測的主要項目。設(shè)定速率、位移預(yù)警值為5mm/s、30mm，選擇設(shè)計值作為錨索軸力預(yù)警值，以每隔5d 1次的頻率開展監(jiān)測[12]。

2.2 樁體側(cè)斜監(jiān)測

為了解沿深度方向支護樁的水平位移在不同階段的變化情況必須對其側(cè)斜狀態(tài)監(jiān)測，從而保證周邊環(huán)境及支護體系的安全性能。根據(jù)不同時段的側(cè)斜孔BY1的監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制其變化曲線，基于側(cè)斜孔監(jiān)測數(shù)據(jù)的側(cè)斜曲線，見圖2。

圖2 基于側(cè)斜孔監(jiān)測數(shù)據(jù)的側(cè)斜曲線

根據(jù)圖2可知，樁體的側(cè)斜曲線在不同時間點下的變化規(guī)律基本保持一致，即呈線性變化的特征，隨著樁體深度的增加側(cè)斜位移呈不斷變小的變化趨勢，這種變形模式和“懸臂梁”基本類似，即樁根的側(cè)斜位移趨近于0而樁頂達到峰值，可見預(yù)應(yīng)力錨桿在樁頂以下的約束作用比較明顯。總體而言，不同深度處的樁體側(cè)斜位移隨著基坑擱置時間的延長而增大，且向支坑內(nèi)不斷傾斜。樁體的最大側(cè)斜位移在2017年1月復(fù)工前為24.5mm，且未達到30mm的預(yù)警值，因此可認為截止復(fù)工前支護樁處于穩(wěn)定、安全狀態(tài)[13]。

2.3 樁頂水平位移監(jiān)測

為進一步研究支護樁位移在不同時間點下的變形規(guī)律和發(fā)展趨勢，根據(jù)不同時段下側(cè)斜孔BY1的水位平移監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制成時程變化曲線，不同時段下樁頂水平位移時程曲線。見圖3。

圖3 不同時段下樁頂水平位移時程曲線

根據(jù)圖3可知，位移時程曲線的曲率在2012年7月-2013年1月土方開挖期間較大，而在超期服役和正常設(shè)計使用期的曲率較小，由此表明水利工程的土方開挖屬于荷載快速釋放過程，短期內(nèi)支護樁的水平位移增長較快這是由支護樁與土體的相互作用所引起的。土體內(nèi)的應(yīng)力在土方開挖完成后逐漸釋放完畢，變形也逐漸達到穩(wěn)定狀態(tài)。從時程曲線的整體變化趨勢來看，樁頂水平位移隨著基坑擱置時間的推移而增長緩慢，最終達到基本穩(wěn)定水平。

樁頂水平位移在基坑擱置前、擱置后的增量統(tǒng)計值，監(jiān)測點BY1-BY5的樁頂水平位移，見表1。從表1可以看出，短邊方向上的BY1、BY5監(jiān)測點，其樁頂水平位移增量在基坑擱置前遠遠小于擱置后，所對應(yīng)的水平位移分別為3.5、5.7mm和20.7、19.6mm，增長了約5.9、3.4倍；在長邊方向上的BY2-BY4監(jiān)測點，其樁頂水平位移增量在基坑擱置前后的基本相同，短邊方向的樁體變形受基坑長期擱置的影響更大。

表1 監(jiān)測點BY1-BY5的樁頂水平位移

結(jié)合表1和圖3分析結(jié)果，雖然樁頂水平位移增長在基坑擱置后的增長較為緩慢，但是其累計位移量較大，因此應(yīng)加強此期間的樁體變形監(jiān)測并重視由于基坑擱置而引起的時空效應(yīng)。

3 基坑穩(wěn)定性評估

根據(jù)服役時期的不同將基坑穩(wěn)定性評估分為2個階段：①階段1：對現(xiàn)階段的基坑穩(wěn)定性進行判斷，從而明確應(yīng)急措施的制定原則和基坑繼續(xù)超期服役的期限；②階段2：評估主體施工階段的穩(wěn)定性，從而判斷是否應(yīng)采取加固措施和該階段的穩(wěn)定性狀態(tài)[14-15]。

3.1 構(gòu)建評估模型

實踐表明，在長寬比L/B>2.0的條件下，基坑空間效應(yīng)隨著L/B值的增大逐漸減弱，在實際工程中對基坑施工方案仍選用考慮空間效應(yīng)的計算方法通常無法取得較好的經(jīng)濟效益，在該條件下對基坑的計算分析可按二維平面問題進行處理。由于該深基坑的L/B值為4.1，為提高運算效率并簡化計算，考慮按二維平面問題建立基坑分析模型。結(jié)合基坑現(xiàn)狀和抽樣檢測數(shù)據(jù)，采用相結(jié)構(gòu)設(shè)計分析軟件建立深基坑支護二維模型，對深基坑在兩個階段的穩(wěn)定性采用模型進行科學(xué)評估。根據(jù)如下原則選取二維模型的主要參數(shù)，具體如下：

1)支護結(jié)構(gòu)。根據(jù)檢測報告確定噴錨混凝土厚度、支護樁混凝土強度及樁身完整性，部分錨索極限承載力采用錨索抗拔試驗確定。在基坑穩(wěn)定性評估時綜合考慮現(xiàn)場條件、試驗數(shù)據(jù)等因素，取0.8倍的原極限承載力作為錨索抗壓極限力。

2)工程地質(zhì)條件。根據(jù)周邊地質(zhì)補充勘察的相關(guān)資料和工程地質(zhì)詳細的勘察結(jié)果，確定基坑周邊土層在現(xiàn)階段的各參數(shù)物理性能?；又苓呁翆拥牧W(xué)參數(shù)，見表2。

3)荷載工況。①階段1：確定已開挖完畢基坑的計算工況，頂部荷載結(jié)合現(xiàn)場情況取5.2kPa；②階段2：確定頂部荷載為20kPa為計算工況，對后續(xù)主體施工初期的支護受力、變形等受重載設(shè)備經(jīng)過、頂部材料堆載等施工荷載的影響進行模擬分析。

3.2 評估結(jié)果分析

由于受文章篇幅顯示，文章僅評估分析了預(yù)應(yīng)力錨索軸力、樁體水平位移等支護結(jié)構(gòu)坡面重要參數(shù)的數(shù)值模擬結(jié)果。

1)樁體位移評估。對比分析監(jiān)測點BY1在階段一內(nèi)的水平位移數(shù)值和支護結(jié)構(gòu)剖面1處的模擬結(jié)果，將其繪制成側(cè)斜曲線。樁體位移模擬結(jié)果，見圖4。

圖4 樁體位移模擬結(jié)果

根據(jù)圖4可知，在數(shù)值上階段一的監(jiān)測結(jié)果和模擬結(jié)果存在一定差異，且模擬的最大水平位移的點相對于監(jiān)測結(jié)果下移約樁長的0.2-0.3倍距離，其原因為在模擬過程中未考慮周邊環(huán)境、天氣及地下水等因素的變化，從而導(dǎo)致二者存在一定的偏差。另外，由于支護內(nèi)力和位移影響因素較為復(fù)雜，實際情況和假定的條件不可避免的會存在一定偏差，由此進一步加大了監(jiān)測結(jié)果和模擬值的偏差?？傮w而言，監(jiān)測值基本可被模擬值所包絡(luò)且二者的變化趨勢保持相同，可見所設(shè)定的模型參數(shù)和構(gòu)建的計算模型具有科學(xué)性和合理性，在評估分析基坑穩(wěn)定性時存在一定的適用性。

根據(jù)評估分析結(jié)果，樁體水平位移在各階段下均處于預(yù)警值30mm以內(nèi)，由此表明支護樁變形在各個階段下均處于有效范圍之內(nèi)。以某一剖面為例，在階段1時樁體的最大水平位移為25.6mm，而在階段2時逐漸提升至28.3mm并趨近于預(yù)警值。因此，相對于前期水平位移階段2有所提升，表明支護樁變形在后續(xù)主體施工階段會受到一定的影響作用。

2)錨索軸力評估。樁錨支護體系包括預(yù)應(yīng)力錨索和支護樁，主要用于控制支護樁變形，錨索在失效后不能保證被加固對象的安全穩(wěn)定性?；诓煌拭娴腻^索軸力模擬值，見圖5。反映了不同剖面處的錨索軸力監(jiān)測值、模擬值。

圖5 基于不同剖面的錨索軸力模擬值

根據(jù)圖5可知，錨索軸力監(jiān)測值和模擬值在階段一下具有較高的吻合度，且監(jiān)測的各剖面錨索軸力模擬值均在預(yù)警值可控范圍以內(nèi)，由此進一步表明在深基坑受力分析時該模型的可靠性和有效性。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，一級樁錨支護結(jié)構(gòu)的錨桿抗拔安全系數(shù)Kt≥1.8，提取各錨索軸力數(shù)值作為模擬值，并對其抗拔安全系數(shù)在不同階段下的的變化值進行計算。各剖面的錨索安全系數(shù)計算值，見表3。

表3 各剖面的錨索安全系數(shù)計算值

根據(jù)表3可以看出，處剖面3、5外的錨索安全系數(shù)在階段一下均≥1.8，具有一定的安全裕度并滿足一級基坑的安全要求，可見在該階段深基坑仍處于較穩(wěn)定狀態(tài)；各剖面錨索安全系數(shù)在階段二下處于1.5-2.0，只有少數(shù)的幾個錨索在1.8以上。以剖面3的二、三道錨索為例進行分析，在一階段、二階段的安全系數(shù)法分別為1.9、1.6，相對于前期的安全系數(shù)明顯的降低且已無法滿足一級基坑安全系數(shù)要求。

綜上分析，相對于階段一的錨索安全系數(shù)階段二存在一定的下降趨勢，且已無法滿足設(shè)計規(guī)范的安全要求，深基坑的整體穩(wěn)定性在階段二下有所下降，從而使得基坑存在安全隱患。因此，在后續(xù)主體施工階段應(yīng)加強對基坑的監(jiān)測，嚴格控制周邊施工荷載并做好相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。

4 結(jié) 論

1)樁體位移和樁體的埋深之間存在負相關(guān)性，即埋深越大則位移變化越小，樁體的側(cè)斜模式在不同階段下與“懸臂梁”類似。另外，樁體位移增長速率在基坑土方開挖期較大，隨著擱置時間的推移而逐漸放緩并趨于穩(wěn)定。

2)短邊方向上監(jiān)測點的樁頂水平位移增量在基坑擱置前遠遠小于擱置后，所對應(yīng)的水平位移分別為3.5、5.7mm和20.7、19.6mm，增長了約5.9、3.4倍；在長邊方向上監(jiān)測點的樁頂水平位移增量在基坑擱置前后的基本相同，短邊方向的樁體變形受基坑長期擱置的影響更大。

3)根據(jù)穩(wěn)定性評估結(jié)果，基坑在安全維護階段處于穩(wěn)定狀態(tài)，而樁頂水平位移在后續(xù)主體施工階段趨近于報警值，該階段的整體穩(wěn)定性明顯下降且大部分錨索的安全系數(shù)已無法滿足規(guī)范要要求，在后續(xù)主體施工階段應(yīng)加強對基坑的監(jiān)測，嚴格控制周邊施工荷載并做好相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案。