宋 珪，張海豐

(1．江西省地質(zhì)工程〈集團(tuán)〉公司，江西 南昌330029;2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈武漢〉，湖北 武漢430074)

1 項(xiàng)目概況

常州潤(rùn)華環(huán)球中心項(xiàng)目地處江蘇省常州市武進(jìn)區(qū)，場(chǎng)地東臨湖塘河，基坑呈南北向“梯”形，南北長(zhǎng)約303 m，東西長(zhǎng)邊約140 m，短邊約120 m?；右粎^(qū)開(kāi)挖深度18.0 m，二區(qū)、三區(qū)開(kāi)挖深度12.0 m。場(chǎng)地地貌單元隸屬長(zhǎng)江三角洲沖湖積平原地貌，勘察深度內(nèi)覆蓋層主要為粘性土，夾有砂性土，呈交錯(cuò)沉積或互層狀。本工程的特點(diǎn)是:(1)開(kāi)挖深度大，平面規(guī)模大，屬特大特深基坑;(2)基坑范圍內(nèi)(－5～－10 m)包含透水性很強(qiáng)的粉土夾粉質(zhì)粘土層，滲透系數(shù)達(dá)422×10－6cm/s，止水要求嚴(yán)格。

2 基坑支護(hù)方案

2．1 支護(hù)方案介紹

基坑支護(hù)方案重點(diǎn)考慮止水帷幕、支護(hù)體系、降水方案的選擇。

止水帷幕:潤(rùn)華環(huán)球中心基坑工程需要隔斷的地下水主要為④層粉土夾粉質(zhì)粘土中的地下水以及防止湖塘河內(nèi)河水的滲漏，選擇豎直向止水帷幕。選用三軸深層攪拌法，三軸攪拌樁直徑為850 mm。攪拌樁插入⑤層粉質(zhì)粘土為不透水層(滲透系數(shù)0.02×10－7cm/s)，該層厚度達(dá)到8 m，可以考慮作為基坑地下水隔水頂板。

支護(hù)體系:常見(jiàn)基坑支護(hù)形式有放坡開(kāi)挖、懸臂支護(hù)、重力壩支護(hù)、土釘墻、內(nèi)支撐和土錨支護(hù)結(jié)構(gòu)。其中前3種支護(hù)類型適用于淺基坑。土釘墻結(jié)構(gòu)適用于開(kāi)挖深度＜15 m的基坑。內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)和土錨支護(hù)結(jié)構(gòu)適用于深基坑，共同的優(yōu)點(diǎn)是安全可靠，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是成本高、施工周期長(zhǎng)，土錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是錨固力有限。根據(jù)該基坑特點(diǎn)，一區(qū)超深基坑選用內(nèi)支撐+排樁擋土結(jié)構(gòu)，以基坑安全為主要目標(biāo);二、三區(qū)基坑選用復(fù)合土釘墻結(jié)構(gòu)。

降水方案:基坑范圍內(nèi)含水層主要為③層粉質(zhì)粘土夾粉土和④層粉土夾粉質(zhì)粘土。由于先施工的止水帷幕形成了封閉的隔水墻，這兩層的含水量相對(duì)較少，降水的主要目的是為挖土提供方便，選用管井井點(diǎn)降水方案。

2．2 支護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算

潤(rùn)華環(huán)球中心基坑工程支護(hù)的難點(diǎn)是一區(qū)深基坑，這里僅介紹一區(qū)深基坑設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容，并與下文監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比。一區(qū)深基坑采用900 mm鉆孔灌注樁+2道鋼筋混凝土內(nèi)支撐+850 mm三軸水泥土攪拌墻帷幕。一區(qū)基坑實(shí)際施工順序和時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 一區(qū)基坑施工順序和對(duì)應(yīng)時(shí)間

一區(qū)內(nèi)支撐計(jì)算分析采用Z_soil軟件。模型采用考慮土體剪脹特性的冒蓋塑性模型。為了計(jì)算方便，不考慮地層的變化，將所有地層的參數(shù)都設(shè)為粘聚力 c=0 kPa，內(nèi)摩擦角 φ =30°，膨脹角 ψ =0°。三軸排水實(shí)驗(yàn)割線剛度和固結(jié)實(shí)驗(yàn)切線剛度取E=1.0×104kPa，其他參數(shù)取默認(rèn)值。將地層對(duì)墻體的作用簡(jiǎn)化為等效彈簧，圍護(hù)墻劃分為梁?jiǎn)卧?，支撐為僅承受軸力的桿單元。圍護(hù)結(jié)構(gòu)開(kāi)挖階段計(jì)算時(shí)計(jì)入結(jié)構(gòu)的先期位移值以及支撐的變形，按“先變形、后支撐”的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并計(jì)算內(nèi)部結(jié)構(gòu)回筑階段各工況的內(nèi)力組合，最終的位移及內(nèi)力值是各階段之累計(jì)值。下面給出2道內(nèi)支撐的位移云圖。

第一道支撐位移云圖(圖1)顯示，位移最大的位置在一區(qū)的最寬處的拐角附近，局部最大位移達(dá)到了16.4 mm，達(dá)到該位移的區(qū)域較小;大多數(shù)區(qū)域的位移約為9.8 mm。仔細(xì)觀察位移的分布規(guī)律，可以發(fā)現(xiàn)在圖中的下部(一區(qū)基坑最寬處)的兩端，位移矢量圖大體呈圓弧形分布(圖中附加的兩條黑線)，整體成“倒心型”分布。這是因?yàn)?，一區(qū)基坑在水平剖面上有4道支撐，其中2道與基坑的長(zhǎng)度方向正交，也即與水平向土壓力(圖中FH方向)平行;另外2道支撐與水平向土壓力(圖中FH方向和FV方向)斜交。由于FH和FV都是水平向土壓力，F(xiàn)H和FV的合力F合垂直于斜支撐的方向。由于支撐的軸向方向并不平行于土壓力的作用方向，內(nèi)支撐承受土壓力作用較好的軸向支撐作用并沒(méi)有充分發(fā)揮出來(lái)。這就導(dǎo)致內(nèi)支撐效果的削弱，在該部位產(chǎn)生較大的位移。

圖1 第一道支撐位移圖

與第一道內(nèi)支撐位移和受力相比，第二道支撐的位移云圖在分布規(guī)律上與第一道支撐是相同的，第二道支撐受到的位移場(chǎng)略小于第一道支撐(圖2)。

圖2 第二道支撐位移圖

3 水平位移和豎直位移監(jiān)測(cè)分析

本工程監(jiān)測(cè)主要針對(duì)一區(qū)深基坑位置［1－3］，基坑坡頂(支護(hù)樁)的水平位移測(cè)點(diǎn)為SP1～SP27，基坑坡頂(支護(hù)樁)的垂直沉降位移測(cè)點(diǎn)為C1～C27，監(jiān)測(cè)平面圖見(jiàn)圖3。

一區(qū)基坑工程施工后期(2011年11月以后)，隨著基坑開(kāi)挖和支護(hù)工作的持續(xù)進(jìn)行，基坑頂部的水平位移和豎直位移隨時(shí)間增長(zhǎng)的速率逐漸減小。2012年5月9日基坑開(kāi)挖支護(hù)施工完成后基坑頂部的水平位移已達(dá)到穩(wěn)定，基坑頂部豎向沉降達(dá)到25 mm，基坑頂部朝向基坑內(nèi)側(cè)的水平位移達(dá)到40 mm。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案安全可靠。

3．1 基坑坡頂(支護(hù)樁)沉降位移監(jiān)測(cè)

圖3 基坑監(jiān)測(cè)平面圖

沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)C1～C10位于臨河側(cè)，C11～C27位于非臨河側(cè)，圖4給出了具有代表性的C5、C10、C15、C18和C21的監(jiān)測(cè)結(jié)果。監(jiān)測(cè)時(shí)間為2011年8月13日到2011年11月13日，歷經(jīng)基坑開(kāi)挖過(guò)程中的第二次基坑開(kāi)挖(至－5.2 m)、施工第一道支撐、第三次開(kāi)挖(至－12.1 m)、施工第二道支撐和第四次開(kāi)挖(至－16.25～－19.25 m)。

圖中標(biāo)注為⑤的點(diǎn)的沉降值是－3.5 mm，大于前一次和后一次監(jiān)測(cè)值(－2.0 mm)，該點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)正在進(jìn)行第三次基坑開(kāi)挖。由于該點(diǎn)與整體趨勢(shì)相差較大，認(rèn)定為異常點(diǎn)，且對(duì)分析基坑開(kāi)挖引起的基坑變形沒(méi)有影響，故將該點(diǎn)舍去不做分析。根據(jù)曲線的斜率變化拐點(diǎn)將監(jiān)測(cè)曲線劃分為①、②、③和④共4段。其中，第三次開(kāi)挖過(guò)程中，沉降曲線包括①和②段，沉降速率經(jīng)過(guò)1個(gè)拐點(diǎn)，沉降速度增加;施工第二道支撐過(guò)程中，沉降曲線包括②、③和④段，含2個(gè)拐點(diǎn)，沉降速度先增加后降低;第四次開(kāi)挖過(guò)程中，沉降曲線包括④，含1個(gè)拐點(diǎn)，沉降速度基本不變。②和③段之間的沉降速度變化十分顯著，在此點(diǎn)之前，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本重合，差異較小。此點(diǎn)之后，各點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)始出現(xiàn)分化。該點(diǎn)位于第三次開(kāi)挖即將結(jié)束的時(shí)候，開(kāi)挖標(biāo)高至－12.1 m，距離第一道支撐6.9 m，此時(shí)第二道支撐正在施工，尚未形成對(duì)圍護(hù)樁的支撐。由于第二道支撐尚未形成對(duì)側(cè)向土體的支撐，在側(cè)向土壓力作用下，鉆孔灌注圍護(hù)樁向基坑內(nèi)側(cè)位移，前期預(yù)計(jì)位移量最大值為59.1 mm，最大值發(fā)生在豎直標(biāo)高為－11 m處，如圖5。鉆孔灌注圍護(hù)樁向基坑內(nèi)側(cè)位移后，圍護(hù)樁后面出現(xiàn)空隙，周圍的土體向空隙處位移并填補(bǔ)空隙，這一過(guò)程導(dǎo)致地表產(chǎn)生沉降［4－6］。

圖4 基坑頂部豎直沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖5 基坑開(kāi)挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移

由于第二道基坑支撐并不及時(shí)，導(dǎo)致在該支撐施工過(guò)程中，基坑頂部的豎直位移發(fā)生了較大的增長(zhǎng)，從 －2.5 mm快速增加到 －8.0 mm，增加了2倍，而歷時(shí)僅為7天。如果能在基坑開(kāi)挖至－11.7 m的以上部位進(jìn)行第二道支撐，將有效控制基坑頂部的豎向位移。在第二道支撐逐漸構(gòu)起和土體抗剪強(qiáng)度及灌注樁的圍護(hù)作用逐漸調(diào)動(dòng)起來(lái)后，在2011年9月20日前后，基坑表面豎直沉降速度有所降低。但仍然大于第三次開(kāi)挖過(guò)程中的基坑豎直沉降速度。表明后期第二道支撐阻礙了土體的基坑頂部的豎直沉降，起到了支護(hù)作用。在第二道支撐形成后的第四次開(kāi)挖過(guò)程中(－16.25～－19.25 m，開(kāi)挖深度5.65 m)，基坑頂部的豎直沉降速率較第二道支撐施工后期的沉降速率略低。

對(duì)比圖4中的5條曲線，可以看出在第三次開(kāi)挖截止后(②段后)C10和C15的沉降值已顯著大于C5、C18和C21，尤其是C15。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因在于內(nèi)支撐采用了三角形的造型(如圖1)。在C15測(cè)點(diǎn)處圍護(hù)樁并未受到垂直于基坑側(cè)壁的支撐，而圍護(hù)樁受到的基坑側(cè)壁側(cè)向土壓力是垂直于基坑側(cè)壁的，因此當(dāng)內(nèi)支撐橫梁受到相同的應(yīng)變量時(shí)，斜向的內(nèi)支撐在垂直于基坑側(cè)壁方向上提供的反力較小，支撐效果較差。另外該處的內(nèi)支撐梁的密度也較低，提供的反力較小。

3．2 基坑坡頂(支護(hù)樁)水平位移監(jiān)測(cè)

與基坑頂部豎向位移的分析類似，將基坑頂部水平位移監(jiān)測(cè)成果繪制在圖6中。SP5、SP10位于臨河側(cè);SP15、SP18、SP21位于非臨河側(cè)?；禹敳克轿灰票O(jiān)測(cè)中未出現(xiàn)異常點(diǎn)。第三次開(kāi)挖過(guò)程包括①段和②段;第二道支撐階段包括②和③段;第四次開(kāi)挖過(guò)程包括③和④段。各段的交界處對(duì)應(yīng)的時(shí)間略晚于垂直位移監(jiān)測(cè)結(jié)果。

圖6 基坑頂部水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

第三次基坑開(kāi)挖即將完成后(2011年9月18日施工完成)的2011年9月19日，基坑頂部的水平位移也出現(xiàn)了位移速率的增加，如圖中標(biāo)注的②和③段分界限，水平位移速率增加值沒(méi)有豎直沉降速率增加值大。在第四次開(kāi)挖中期，2011年10月11日，基坑水平位移速率快速增加，該時(shí)刻水平位移增加速率，大于豎直沉降增速。基坑頂部水平位移增速的變化和基坑頂部豎直沉降增速的變化保持相同的步調(diào)，因?yàn)閮烧叨际怯捎诨酉虏块_(kāi)挖處鉆孔灌注圍護(hù)樁的側(cè)向位移導(dǎo)致的下部土體體積損失引起的，區(qū)別在于一個(gè)是水平位移，一個(gè)是豎直位移。另外，基坑下部鉆孔灌注圍護(hù)樁發(fā)生側(cè)向變形導(dǎo)致的土體體積損失首先由上部的土體向下沉降填充，而基坑地表的水平向位移主要由鉆孔灌注圍護(hù)樁上部的側(cè)向位移導(dǎo)致?；禹敳康乃轿灰坪拓Q向沉降有關(guān)聯(lián)但也有顯著區(qū)別。這綜合表現(xiàn)在兩者的變化在時(shí)間上是同步和協(xié)調(diào)的，區(qū)別在于增量的變化率的大小并不相同。

對(duì)于基坑頂部的水平位移來(lái)說(shuō)，控制基坑鉆孔灌注圍護(hù)樁整體的側(cè)向變形和兩道內(nèi)支撐的位移(圖1和圖2)有直接關(guān)系［7，8］。圖6中鉆孔灌注樁的最大水平位移是25 mm，圖1第一道和圖2第二道支撐的最大水平位移是16 mm。圖6中基坑第四次開(kāi)挖完成后監(jiān)測(cè)的最大值是15～20 mm，這與鉆孔灌注圍護(hù)樁計(jì)算得到的水平位移值較為吻合，但需要注意的是隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加，實(shí)測(cè)水平位移值可能會(huì)進(jìn)一步的增大，超出計(jì)算值，也即計(jì)算值偏于不安全。

基坑頂部水平位移增速在第三次開(kāi)挖截止后，第二道支撐支座完成之前出現(xiàn)也表明第二道支撐并不及時(shí)，應(yīng)該提前進(jìn)行第二道支撐的施工。在第四次開(kāi)挖過(guò)程中，上述5個(gè)水平監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)值開(kāi)始出現(xiàn)分化，SP5和SP15的水平位移較大。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因也是由內(nèi)支撐的形狀和支護(hù)效果決定的。

4 總結(jié)

常州潤(rùn)華環(huán)球中心深基坑工程施工過(guò)程中對(duì)基坑頂部沉降位移和水平位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)?；禹敳康某两滴灰坪退轿灰朴苫訃o(hù)樁和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)變形引起的基坑周圍土體位移導(dǎo)致。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，常州潤(rùn)華環(huán)球中心深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)符合工程要求，但第二道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)置的并不及時(shí)，提高第二道內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的位置有利于減小基坑頂部的沉降位移和水平位移。

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