闫 建，张 武，姚晓旭，张 波

(中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013)

0 引言

由于当前城市建设用地的局限性、周边环境的严峻性以及深基坑在开挖过程中所涉及场地地质条件的复杂性和不确定性，深基坑工程仍然是一项极具挑战性、高风险性、高难度的岩土工程技术热点课题。一方面，因其复杂的城市环境条件，深基坑开挖除要保证自身的安全、稳定之外，还必须保证临近建筑设施的安全和正常运营，对基坑支护设计的要求较高，稍有不慎可能酿成工程事故。另一方面，又往往存在夸大基坑工程对周边环境影响程度，使得基坑工程的设计异常保守，导致工程造价严重偏高。而采用信息化施工和动态设计，对支护结构的变形、受力等进行全程监控，可随时掌握其工作状态。其意义不仅表现在确保工程的安全上，更重要的是通过实测数据的不断积累，对支护结构的受力、变形规律进行总结，为理论分析和设计计算提供依据。

在北京地区，桩锚体系是深基坑工程中常用的支护形式。以北京某深基坑工程为背景，该基坑在开挖完成后长期处于停工状态，桩锚支护结构跨越多个冬季温度的季节性变化，通过长期原位监测和对比分析，研究支护体系实际受力和理论计算结果的差异，研究结论为类似工程设计提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

该基坑工程位于北京市东城区朝阳门北大街东侧，基坑南北宽约55.0m，东西长约140.0m，开挖深度约18.0m，地下4层。基坑采用桩锚支护，支护桩直径800mm，间距1.6m，锚杆3～4道，在相邻办公楼的C区设计3道锚杆，其余的A区、B区、D区均设计4道锚杆，锚杆水平间距1.6m，基坑安全等级为1级。

1.2 工程地质条件

根据本工程岩土工程勘察报告，地层按成因类型、沉积年代划分为人工堆积层和第四纪沉积层两大类，地层基本物理力学参数如表1所示。

表1 地层分布及物理力学参数

1.3 基坑支护设计

基坑支护设计方案根据基坑开挖深度以及基坑周边环境，将基坑支护结构划分为A区(1—1剖面)、B区(2—2剖面)、C区(3—3剖面)和D区(4—4剖面)4个区段，其中，典型支护结构剖面如图1所示。根据基坑不同支护剖面图，各区段剖面设计参数如表2所示。

图1 典型支护结构剖面

表2 基坑支护设计参数

2 监测方案

为保证基坑施工顺利进行和确保基坑周边建筑物安全，根据本工程所采用的支护形式、施工特点和周边环境等因素，主要设计4个监测剖面。监测内容由支护结构变形监测及周围环境监测两部分构成，监测项主要包括：①支护结构水平位移和竖向位移；②支护桩深层水平位移；③锚杆轴力；④周边建筑物、道路和地下管线等变形。4个监测剖面的部分监测点平面位置如图2所示。

图2 监测断面平面位置

3 监测数据分析

将基坑的施工步骤分为5个阶段，第1阶段为第1道锚杆张拉锁定前；第2阶段为第2道锚杆张拉锁定前；第3阶段为第3道锚杆张拉锁定前；第4阶段为第4道锚杆张拉锁定前；第5阶段为基坑开挖完成处于停工状态至回填阶段。

3.1 水平位移监测

在基坑各边延长线上设置2个工作基点，同时在施工影响范围以外且能通视的地带布置基准点，基准点采用有强制归心的监测点，采用TOPCON-GTS-102N仪器监测。基坑周边水平位移监测点共计28个，监测点编号为WY1～WY28，基坑开挖至第5阶段监测数据中除C区3—3剖面测得的水平位移最大值达到14.8mm外，其余均小于10mm，其中A区1—1剖面(WY1～WY9)最大值为4.8mm、B区2—2剖面(WY10～WY14)最大值为4.9mm和D区4—4剖面(WY24～WY28)最大值为5.6mm，各监测点均显著小于设计设定的水平位移控制值(25.0mm)。基坑水平位移-时间关系曲线如图3所示。

图3 基坑水平位移-时间关系曲线

从图3中可以看出，4—4剖面监测点WY25～WY27的水平位移曲线较有规律，在第1道锚杆未发挥作用前，即基坑开挖至第1阶段，水平位移随着开挖深度的增加而增大，在第1道锚杆锁定后进入第2阶段，随着下一步的开挖，水平位移小幅度变化，位移曲线变化较为缓和。WY18～WY20(3—3剖面)监测点在第1道锚杆未发挥作用前，水平位移随着开挖深度的增加也在增大，但其增加速率要大于其他剖面监测点，这是由于3—3剖面在办公楼附近，相对于其他支护剖面锚杆少1道，开挖至-8.500m位置才施工第1道锚杆。

3.2 周边建筑沉降监测

在施工影响范围以外稳定的建筑物上设置3个水准基点，并做好保护措施。水准基点埋设后，采用DS05精密水准仪对其进行联测，平差计算后得出高程作为沉降监测点的起始高程。周边建筑沉降监测点共计12个，监测点编号分别为JC1～JC12，周边建筑沉降典型时程曲线如图4所示。

图4 周边建筑沉降量-时间关系曲线

从图中可以看出，周边建筑监测点沉降曲线类似，各监测点均为负位移，即周边建筑物下沉，但数值变化较为平缓。从基坑开挖至基底回填，即从第1阶段至第5阶段基坑施工全过程，JC2监测点沉降最大，沉降量为2.60mm，由于监测周期较长，考虑人为和仪器误差等因素，周边建筑沉降量微小，周边建筑监测点的竖向位移发展相对稳定，该基坑开挖对周边建筑物的影响很小。

3.3 支护桩变形监测

采用CX-801A型数字测斜仪以埋设至稳定土层的测斜管低端为基准，每往上0.5m测读1次数据，得到每0.5m处相对于管底的倾斜量，基坑施工过程中通过每期观测值与初始值的变化量，计算出每期支护桩不同深度的位移量。在4个监测剖面分别设有支护桩深层水平位移监测点，监测点编号分别为CX1～CX4，各监测点支护桩的深层水平位移均小于10mm，并且显著小于控制值(20mm)。选取监测点CX2(B区)和CX3(C7区)进行具体分析，支护桩桩身实测位移-深度关系曲线如图5所示。

图5 支护桩桩身实测位移-深度关系曲线

从CX2和CX3两根支护桩的深层水平位移曲线可以看出，尽管两根支护桩所处的位置不同，在第1阶段基坑开挖时，水平位移逐渐增加，变形曲线近似直线，最大位移在桩顶。在第2，3阶段，随着基坑开挖深度的增加，CX2和CX3桩体水平位移最大值的位置也发生变化，基坑开挖深度越深，CX2桩体水平位移最大值距离开挖面的距离也在加大，变形曲线近似抛物线，而CX3桩体水平位移最大值的位置距离开挖面的距离较近。监测数据表明，随着基坑开挖的进行，支护桩整体水平位移在增加，开挖过程中水平位移的变化量与开挖深度成正比，支护桩体的变形大小与桩体部位有关，从第1至第5阶段，桩底基本无变形发生。通过CX2支护桩的深层水平位移历时曲线可以看出，第1道锚杆施工完成后，支护桩水平位移呈现缓慢增长，并趋于稳定，随着基坑的开挖，支护桩最大深层水平位移点随基坑开挖深度的增加而逐渐下移，最大位移距桩顶约12.0m，说明第1道锚杆是控制桩顶水平位移的关键。图5中理论计算曲线为基坑开挖至第4阶段设计标高，CX2和CX3两根支护桩的深层水平位移理论计算结果，对比理论计算曲线和实测结果发现，理论计算支护桩深层水平位移的发展趋势与实测结果相吻合，但理论计算值要大于实测值。

4 锚杆轴力监测

桩锚支护体系中预应力锚杆的作用十分关键，预应力锚杆工作正常与否关系到桩锚支护体系的安全与稳定。锚杆施工完成后，采用TRC09振弦式传感器读数仪对压力传感器进行测试，取下一层土方开挖前连续2d获得稳定测试数据的平均值作为初始值。在4个监测剖面分别设置锚杆轴力监测点，监测点共计15个，各监测点锚杆轴力值汇总如表3所示。

由表3可以看出，将预应力锚杆初始值(锁定后的初始监测值)与锁定值(设计要求锁定值)比较，锚杆张拉锁定时的预应力损失十分明显，为10%～30%，这主要是由施工工艺、张拉锁定设备和地质条件等因素造成的。在开挖过程中锚杆轴力增加不明显，由于基坑开挖完成后第5阶段的停工时间较长，季节交替产生温度变化，对支护结构产生一定影响，但增加量<5%。锚杆轴力监测最终稳定值与初始值相比有增大也有减小，长期的监测数据显示，锚杆稳定后的轴力减少为5%～10%，说明锚杆轴力随时间变化很小，总体保持相对稳定，最大变化率不到10%，这与支护结构其他监测指标也较小是相符的。锚杆轴力监测典型时程曲线如图6所示。

表3 锚杆轴力值 kN

图6 实测锚杆轴力-时间关系曲线

从图6中可以看出，在预应力锚杆锁定以后，各道锚杆的轴力均未随时间和土方的开挖发生明显变化，基本维持在一个较稳定的数值。当基坑开挖至设计标高的第4阶段时，A区1—1剖面第1，2道锚杆轴力监测值分别为120.2kN和265.3kN，仅为设计值的60.1%和63.2%；B区2—2剖面第2，3，4道锚杆轴力监测值分别为281.8，359.6，316.8kN，仅为设计值的68.7%，57.9%和54.6%；C区3—3剖面第2，3道锚杆轴力监测值分别为341.9，353.6kN，仅为设计值的61.1%和66. 7%；D区4—4剖面第1，2道锚杆轴力监测值分别为145.7，335.7kN，仅为设计值的52.1%和57.9%。以上结果表明锚杆轴力监测值仅为设计值的1/2～2/3，由此推测，实际作用于支护结构上的土压力远比土压力理论值小。

各道预应力锚杆锁定后，测得的锚杆轴力变化很小，基本处于稳定状态，不同阶段在全程监测周期近800d内，不同工况下的锚杆轴力有所增加也有减少，但增加和减少量都不大，锚杆轴力监测值小于设计值并且变化量较小。综合各项监测指标显著小于控制值的特点，说明桩锚支护结构能够有效控制基坑变形，同时反映出该基坑支护设计偏于安全，并没有充分发挥支护结构的性能。在保证基坑安全稳定的前提下，应综合考虑监测数据及经验，对类似桩锚支护设计方案进行优化。

5 结语

以北京某深基坑桩锚支护工程为背景，进行支护结构的水平位移、竖向位移、支护桩深层水平位移、锚杆轴力和周边建筑物沉降等多项监测，监测周期跨越多个冬季温度的季节性变化，通过长期原位监测和对比分析，得到以下结论。

1)桩锚支护结构能有效地控制基坑的水平位移及基坑周边建筑的沉降，受施工工艺、张拉锁定设备和地质条件等因素的影响，锚杆张拉锁定时的预应力损失十分明显，为10%～30%。

2)基坑开挖过程中，锚杆轴力增加不明显，增加量<5%，锚杆轴力值变化较小，长期的监测数据显示锚杆稳定后的轴力变化范围在5%～10%。

3)基坑支护桩深层水平位移随开挖深度的增大而增加，支护桩深层水平位移最大值所处的位置与桩深、工况及锚杆设计条件等因素有关。

4)锚杆轴力的监测数据表明，锚杆轴力监测值仅为设计值的1/2～2/3，实际作用于支护结构上的土压力远比理论值小，考虑众多影响因素，在类似基坑支护的设计时，应结合以往工程的监测数据及经验，进行综合优化设计。