成都市南光厂基坑边坡支护设计与监测

2021-03-31杨远翔董安丽陆荣林

四川建筑 2021年1期

杨远翔, 刘娟, 董安丽, 罗刚, 陆荣林

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院, 四川成都610031; 2.四川省冶勘设计集团有限公司, 四川成都 610081; 3.中南大学地理科学与信息物理学院, 湖南长沙 410006; 4.建材成都地质工程勘察院, 四川成都 610052)

现阶段，我国城市建设力度越来越大，城市中心用地愈发紧张，地下空间的开发已成必然[1]。随着地下及高层建筑群猛增，基坑向着规模更大、开挖更深、地质条件更复杂的方向发展[2-3]，同时深基坑工程事故发生频繁，事故原因多种多样[4]。包小华和付艳斌等[5]分析了300个深基坑事故原因，发现勘察、设计、施工不当造成的基坑事故高达92.1 %。在众多基坑边坡支护方式中，锚桩支护在复杂施工场地表现出来了良好的安全性和经济性，得到了广泛应用和推广[6]。杨敏等[7]研究了有无临近桩基对基坑开挖变形场的影响及不同开挖深度对桩基的影响，发现基坑与周围建筑相互耦合关系甚为亲密。本文对南光厂深基坑工程进行了边坡支护及监测方案设计，以供同类工程参考。

1 工程概况

1.1 基坑位置

该基坑位于成都市锦江区，琉璃路与华润路交汇处的西北侧，周围建筑密集，东、南侧有交通干道(图1)。基坑场地较为平坦，周长为1 171.00 m，面积为53 368.00 m2，开挖深度为9.35～15.75 m，大面积开挖深度为13.35 m，为典型的城市深基坑，安全等级为一级。

图1 南光厂深基坑位置

1.2 场地地质条件

场地地层由第四系杂填土(Q4ml)、第四系全新统冲洪积层(Q4al+pl)和白垩系灌口组泥岩(K2g)组成。上部为杂填土、粉土，层厚2.50～11.70 m；中部为细砂、粉质黏土、卵石，层厚0.70～8.30 m，卵石粒径多为20.00～80.00 mm，且场地内广泛分布，充填物主要为细砂和黏性土，其中11.00～17.00 m深度范围内局部地段卵石中含黏性土较重，个别位置含有团块状的黏性土；下部为紫红色泥岩，主要成分为黏土矿物，泥质结构，巨厚层状构造，局部夹有薄层砂岩，分布连续，场地内基岩顶面埋深为14.50～21.00 m(图2)。

图2 南光厂深基坑DE段地质剖面

场地地下水主要为赋存于卵石土层中的潜水，含量高且渗透性好，排出方式以径流为主。场地卵石层较多，使得地下水位季节性变化幅度大。受场地附近降水工程的影响，丰水期地下水位埋深较正常情况偏低，在钻孔内测得场地内的水位埋深约为4.80～5.70 m，对应绝对高程486.20～487.10 m，年变幅2.00 m左右。

2 地下水降水设计

2.1 地下水特征参数

根据成都市区特定的砂卵石地层条件和以往类似工程经验，该基坑采用管井法降水，基坑最大开挖深度15.75 m，共设计布置59口降水井，两两间隔15.00～20.00 m，均匀分布于基坑周边。见表1。

表1 地下水降水设计参数

2.2 降水设计计算

根据设计参数(表1)进行降水设计计算。潜水完整井的基坑总涌水量根据下列公式计算：

(1)

可得Q=15055.4m3/d ；

根管井出水量q0根据下列公式计算：

(2)

可得q0=1542.5m3/d；

降水井的单井设计流量根据下列公式计算：

q=1.1Q/n

(3)

q0>q=280.7m3/d，故降水满足要求。

设计井深25.0 m，设计井内径r=0.28m。当含水层为粉土、砂土或碎石土时，各降水井所围平面形状近似圆形或正方形，且各降水井的间距、降深相同时，潜水完整井的地下水位降深根据下列公式计算：

(4)

Si=13.4≥S=12.1，基坑降水满足要求。

2.3 降水井结构设计

降水井深25.00 m，降水井内径采用300 mm的钢筋混凝土井管，过滤器为填砾过滤器(填充4～8 mm砾石，填砾厚度大于100 mm)，砾石填至距地面3.00 m时，用黏土封孔，井管结构上部为7根井壁管，下部3根过滤管(缠丝间距1.5 mm)。若本该设置过滤管位置为砂层，则改换为井壁管，同时应确保滤水管总长度为3根(图3)。成井时要求井孔圆整垂直，井管焊接牢固，安装垂直。采用活塞和空压机联合洗井，确保洗井质量，达到正常抽水时含砂率小于1∶20 000(单井)，以保证抽水设备正常运行。要提高单井的出砂率，可采用包裹滤网以及精选滤料的方法。

图3 降水井结构示意

3 基坑支护设计

3.1 锚桩支护体系

基坑DE段(图4)建筑物密集，本文对其进行主要研究分析。基坑降水满足要求，支护无需考虑地下水的影响，边坡采用锚桩支护体系(图5)。

图4 基坑DE段及周边建筑物

图5 基坑DE段锚桩支护体系

该基坑放坡高度1.00 m，坡度系数为1，坑顶荷载值严禁大于10 kPa，施工允许荷载不超过300 kPa，且距离坑顶不小于5.00 m。基坑深度13.35 m，支护采用人工钻孔灌注桩，桩长19.00 m，直径1.20 m，桩间距2.20 m，嵌固深度6.15 m，每根桩设置3根锚杆，锚杆采用4φ15.2 mm预应力钢绞线，长度分别为16.50 m，16.50 m，15.00 m，预应力锚杆通过设置在-5.00 m，-8.50 m，-12.00 m处与支护桩20 °构成锚拉式支护结构，锚固段10.00 m，桩顶设置连系梁，冠梁高0.80 m，宽1.20 m，连系梁与支护桩构成空间协同作用结构。

3.2 土压力及结构内力分布特征

根据表2参数对基坑DE段土质最不利的钻孔运用弹性法进行理论计算(图6～图12)。对于剪力而言，负值表示作用在桩体上指向左的剪力，正值表示指向右的剪力；对于弯矩而言，负值表示使桩体向基坑外侧产生挠曲趋势的弯矩，正值表示使桩体向基坑内侧产生挠曲趋势的弯矩。打入桩体后，其两侧产生侧向压力，随深度线性分布，板桩的挤压作用可使土压力系数大于静止土压力系数K0。

(1)工况1：开挖5.50 m深度后，桩体向基坑内产生位移，顶部最大为8.30 mm，-9.00 m处位移为0 mm，位移量随深度呈负相关似线性分布；基坑外土压力随深度呈线性分布，在桩底部位压力值最大，为280.79 kN/m；基坑内基底下部土压力从-5.50 m处逐渐增大，在-8.50 m处达到最大值540.00 kN/m后又逐渐降低，在-12.00 m处达到最小值后随深度呈线性分布；剪力从-1.00 m处向正值方向逐渐增大，在-1.50 m处出现最大值，为32.50 kN，随后逐渐减小，在-3.00 m处减为0 kN，随后反向增大，在-7.50 m处达到负向最大值306.20 kN，后逐渐降低，在-8.00 m处减为0 kN，后向正值方向增大，在-10.00 m处达到最大值291.56 kN后逐渐降低，在-13.5 m处减为零；剪力是弯矩的的导数，弯矩在剪力为正值时向负值方向逐渐增大，并在-3.00 m处出现最大值，为39.57 kN·m，在剪力为负值时向正值方向逐渐增大，并在-8 m处出现最大值，为791.25 kN·m，随后正剪力值的出现使正弯矩值逐渐减小，至-12.50 m处减为0 kN·m(图6)。

图6 工况1状态下土压力及结构内力特征

产生上述分布特征是由于开挖后冠梁的支撑作用对桩体顶部产生正剪力值和负弯矩值；开挖卸除了基坑内上部部分杂填土压力，基坑外土体趋于主动状态产生侧向位移，对桩体中部产生反方向的剪力值和弯矩，造成的桩体变形使基坑内-7.00～-11.00 m深度范围的土压力增大，同时产生正剪力值和负弯矩值，当负剪力值与正剪力值在某点的作用相等时，该点剪力为0 kN，同时弯矩出现极值，最易发生挠曲；随着深度的增加，土体受开挖影响逐渐减小，基坑内-7.00～-11.00 m深度范围的土压力增大产生的正剪力值占主要作用；剪力值由负向逐渐向正向增大，与弯矩的导数关系使得桩体中部弯矩值先增大后减小；随着深度的增加，基坑内土体受开挖影响逐渐降低和基坑外土压力的增加，使正剪力值逐渐减小，负剪力值增大，进入相对稳定状态。

(2)工况2：在坑壁-5.00 m深度处加设预应力值为200.00 kN的锚索1后，板桩变形有所恢复，侧向位移有所减小，最大位移仍出现在基坑顶部，为7.01 m，零位移出现在-9.00 m深度处，位移随深度的增加呈负相关似线性分布；由于锚索加设位置靠近基坑底部，对基坑外上部土压力影响较小，但对基坑基底下部-7.00～-11.00 m深度的土体影响较大，土压力明显减小，最大值在-8.50 m处，为420.00 kN，随后又逐渐降低，在-11.00 m处达到最小值后随深度呈线性分布；冠梁的支撑作用对桩体顶部的效用不变，锚杆1的设置使-5.00 m处的负剪力值达到219.55 kN后瞬间减小200.00 kN(与预应力值一致)，由于各卵石层重度相差很小，随后右等速率增大至-7.00 m处出现极值，为195.00 kN；由于锚杆拉力和桩体左侧-7.00～-11.00 m处土压力的共同作用使负剪力值减小，至-8.00 m处减为0，随后向正值方向增大，在-10.00 m处出现最大值，为234.18 kN；随着深度的增加，基坑内土体受开挖影响逐渐降低和基坑外土压力的增加，使正剪力值逐渐减小，至-13.00 m处减为0 kN；弯矩的剪力的导数关系，使弯矩在剪力为正值时向负值方向逐渐增大，并在-3.00 m处出现极值，为22.70 kN·m，使弯矩在剪力为负值时向正值方向逐渐增大，并在-8.00 m处出现极值，为623.64 kN·m，随后正剪力值的出现使正弯矩值逐渐减小，至-12.5 m处减为0 kN·m(图7)。

图7 工况2状态下土压力及结构内力特征

(3)工况3：继续开挖至9.00 m，桩体引起新的侧向变形，最大位移增大，出现在基坑顶部，为15.18 m，最小位移位置加深，为 -12.50 m，位移随深度的增加呈负相关似线性分布；基坑外土压力变化不大，基坑内土压力重新分布，从-9.00 m处突增，至10.60 m处产生最大值，为560.10 kN，随后逐渐降低，在-14.50 m处达到最小值后随深度呈线性分布；冠梁的支撑内力增大至65.00 kN，锚索1的水平内力增大至280.69 kN，使点的负剪力值增大至195.00 kN后向正向突变280.69 kN，成为正剪力值85.69 kN，而后与突变之前等斜率向负值变化至在-9.35 m处出现最大值，为299.53 kN，由于锚杆拉力和桩体左侧-9.00～-14.50 m处土压力的共同作用使负剪力值减小，至-10.50 m处减为0 kN，随后向正值方向增大，在-12.50 m处出现极值，为244.96 kN，随着深度的增加，基坑内土体受开挖影响逐渐降低和基坑外土压力的增加，使正剪力值逐渐减小，至-16.50 m处减为0 kN；弯矩在-10.50 m处出现最大值，为860.42 kN·m(图8)。

图8 工况3状态下土压力及结构内力特征

(4)工况4：在坑壁-8.50 m深度处加设锚预应力值为200.00 kN的锚索2，由于加设位置靠近基坑底部，没有对位移量及分布特征和基坑内-9.00～14.50 m深度范围的土压力分布特征产生较大影响；冠梁支撑效用不变，锚索1和2，有效地控制了剪力的增大，负剪力值在-8.50 m处达到最大值361.75 kN后向正向突变200.00 kN，其它力学特征分布与工况3相似(图9)。

图9 工况4状态下土压力及结构内力特征

(5)工况5：开挖至12.50 m后，桩体向基坑内侧位移增大至23.29 mm，最小位移位置加深至 -16.50 m，基坑内-12.50～-18.00 m深度范围土压力最大达到600.00 kN；冠梁的支撑内力增大至90.00 kN，锚索1水平内力增大至398.86 kN，锚索2的水平内力增大至313.93 kN；冠梁、锚索1、锚索2使其控制范围内的剪力值分布在0刻度线左右，形成两段类似简支的受力分布段，控制范围内最大负剪力值为200.50 kN，在-8.50 m处，最大正剪力值为227.5 kN，在-5.00 m处，锚索2的锚拉作用使-10.00～-15.00 m土体负剪力值显著增大，为535.46 kN；锚拉和基坑内-12.50 m～ -18.00 m处土压力的共同作用使正剪力值增大至363.63 kN；弯矩在-14.50 m处出现最大值，为1 223.03 kN·m(图10)。

图10 工况5状态下土压力及结构内力特征

(6)工况6：在坑壁-12.00 m深度处加设预应力值为200.00 kN的锚索3，除了该位置负剪力值向正向突变200.00 kN外，没有对其他力学分布特征产生较大影响。其它力学特征分布与工况5相似(图11)。

图11 工况6状态下土压力及结构内力特征

(7)工况7：开挖至13.35 m后，桩体向基坑内侧位移增大至最大值24.37 mm，最小位移位置加深至 -17.00 m，基坑内-13.35～-18.00 m深度范围的土压力最大达到700 kN左右；冠梁的支撑内力变化不大，锚索1水平内力增大至424.57 kN，锚索2的水平内力增大至346.97 kN，锚索3水平内力增大至240.17 kN；冠梁、锚索1、锚索2，锚索3使其控制范围内的剪力值分布在0刻度线左右，并下部未开挖土体形成四段类似简支的受力分布段，控制范围内的最大负剪力值为487.50 kN，在-12.00 m处，最大正剪力值为325 kN，在-5.00 m处，锚拉作用使-12.00～-14.00 m土体负剪力值增大，为548.44 kN；锚拉和基坑内-13.35～-18.00 m处土压力的共同作用使正剪力值增大至445.15 kN；弯矩在-15.00 m处出现最大值，为1 262.56 kN·m(图12)。

图12 工况7状态下土压力及结构内力特征

根据上述分布特征，可以发现最大侧向位移值发生在桩体顶部，最大负剪力值发生在基坑开挖底部，最大弯矩发生在在基坑开挖土体下部中的桩体部分，最大正剪力值发生在更下部的桩体部分。冠梁、锚索1、锚索2、锚索3、下部未开挖土体将桩体分隔成为4段类似简支的受力分布段，锚索的加撑能够使控制段只产生相对较小的弯矩和剪力，但支撑节点会受到方向相反的剪力值的作用，需要引起注意。

3.3 锚杆计算

根据支护结构参数(表3)与锚杆信息(表4)对所受内力最大的锚索1进行计算。

3.3.1 锚杆杆体截面积

锚索水平内力实用设计值为583.57 kN，锚杆杆体截面积根据下列公式计算：

(5)

式中：Td1为水平支撑力；fy为钢绞线抗拉强度设计值；θ为锚索俯角。

AS=509.2mm2

锚索选用4φ15.2 mm钢绞线，所选股数n=509.2/(1/4×3.14×15.22)=2.8<7，合理。

表2 基坑DE段土层参数

表3 锚桩支护结构信息

表4 支锚道号及锚杆参数

3.3.2 锚杆杆体长度

锚固段长度根据下列公式计算：

(6)

式中：lα为锚固段长度；Νμ为锚杆承载力设计值；d为锚孔直径；qsk为地层与锚固粘结强度特征值，本工程取200 kPa；γs为锚杆轴向受拉抗力分项系数，按规定取1.3。lα=8.57 m，本工程采用10.00 m。

自由端长度根据下列公式计算：

(7)

式中：lf为锚索自由段长度；lt为锚头中点至基坑底面以下外侧载荷标准值与基坑内侧抗力标准值相等处的距离；φk为各层土层厚度加权内摩擦角标准值，本文取34.85 °；θ为锚索俯角。lf=4.39m，本工程采用6.50 m。

3.4 稳定性验算

基坑周围场地硬化封闭后，坑顶超载值严禁大于10 kPa，施工允许荷载不超过300 kPa，且距离坑顶不小于5 m。由于场地周边为人行道和车行道，故考虑车辆动荷载为15 kPa。

整体稳定性验算根据下列公式计算：

(8)

式中：Wi为第i条块的重量；αi为第i条块的倾角；Ci为第i条块的内聚力；Li为第i条块的长度。

整体稳定性验算简图(图13)以(-2.064 m，17.204 m)为圆心，以23.581 m为半径的圆弧滑裂面，以瑞典条分法进行验算，土条宽度为1 m，最终计算出的安全系数Kh=1.295<1.350，说明该段基坑边坡存在稳定性问题。按JGJ 120-2012《建筑基坑支护技术规程》圆弧滑动简单条分法计算嵌固深度：圆心(-3.392，15.771)，半径23.516 m，对应的安全系数Kh=1.385≥ 1.350。计算出的嵌固深度值h0=7.500 m，但当前基坑嵌固深度采用值ld=6.150m，需再加深嵌固深度1.350 m才能确保基坑边坡安全。

抗倾覆稳定性验算根据下列公式计算：

(9)

式中：KS为抗倾覆安全系数；Mp为被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩，对于锚杆或锚索，支点力为锚杆或锚索的锚固力和抗拉力的较小值；Ma为主动土压力对桩底的倾覆弯矩。

通过计算，工况1～7对应的抗倾覆安全系数分别为KS1=3.714、KS2=4.438、KS3=2.533、KS4=3.052、KS5=1.779、KS6=2.139、KS7=1.965，均大于1.250，满足规范要求。

图13 整体稳定性计算简图(单位：m)

3.5 边坡稳定性计算模拟

本节采用Geostuido软件模拟，旨在说明采用嵌固深度不变、增加锚杆的方法是否能达到规范要求这一问题。其他条件参数不变，只改变锚索长度、数量和间距(表5)，稳定性系数达到1.914(图14)，故只要设计合理也能达到规范要求，具体方案建议应考虑施工难度和工程经济性。

表5 模型的锚杆参数 m

图14 基坑边坡稳定性

3.6 基坑周边沉降量

成都卵石地层深基坑周围地表沉降随着基坑开挖过程逐渐增大[8]，当基坑开挖深度为13.35 m时，基坑周围地表沉降量远大于远离基坑的沉降量。同时，建筑物靠近基坑侧的沉降变形大于远离基坑侧的沉降变形[9]，三种计算方法得出的沉降量影响范围均是在距离基坑边13.00 m处，在有效控制的范围内(图15)。

图15 基坑周边沉降量

4 基坑监测

4.1 监测原则及布置方法

该基坑主要监测桩体顶部水平位移，基坑周边建筑物裂缝、地面沉降，支护结构内力变化，地下水位变化等情况[10]。

(1)基坑监测点要准确反映基坑的实际状态和变形趋势，内力和变形的突变点和关键特征点均要布置监测设备，基坑DE段有高大建筑物的影响，需加强布置；且监测标志需稳固、明显且结构合理，监测点应便于观测。

(2)基坑边坡顶部的监测点应沿基坑周边均匀布置，在基坑的顶角部位需布置监测点，监测点的水平间距为15～20 m。此外，观测点应埋设加工过的全站仪或者水准仪的棱镜支架，用以消除监测水平位移的对中误差；鉴于基坑较深,且周边建筑较为复杂,为提高监测精度,消除测量安全隐患，利用贴膜片方式采取免棱镜三维监测，测量精度为 0. 1 mm[11]。

(3)建筑位移监测点应当布置在建筑物的外墙角、裂缝两侧以及外墙中间部位的墙或柱上，而在基坑中建筑物的观测点主要布置在DE侧上，沿基坑墙边均匀布置，在建筑物的墙角需布置监测点。

(4)在基坑开挖初期重点在轴力的监测，开挖后期重点在变形的监测。地下水位的变动和周边沉降密切相关，保持地下水位平稳是防止周边过大沉降的有效措施。在降水天气下，不但应注意水位变化，也要注意沉降的监测。

根据上述布置原则，该基坑地下水位监测点共布置6个，分布在基坑各边上；基坑水平位移及竖向位移监测点沿基坑边均匀布置59个，且顶角部位有设立；建筑物沉降点共布置8个，沿建筑物墙边均匀布置；基准点布置4个(图16)。

图16 基坑监测点布置

4.2 基坑变形监测指标

为使基坑变形在可控范围内，需规范监测点的变形指标，根据相应技术规范[12-14]以及该工程的实际概况，规定了该基坑的变形监测指标(表6)。

表6 基坑变形监测指标

4.3 基坑监测数据分析

根据监测，基坑周边建筑物无裂缝情况发生、地面沉降控制很好，支护结构内力远小于设计值，地下水位稳定，本文重点分析基坑顶部位移。过大的基坑变形会导致基坑失稳甚至造成特大工程事故，基坑围护设计和施工过程中为了确保基坑稳定，控制基坑变形非常重要[15]。根据规范，桩锚支护形式顶部变形值不大于30.00 mm[16]，实际监测的基坑最大累计位移为15.50 mm，小于基坑监测位移报警值30.00 mm(图17)；变形速率最大值为0.50 mm/d，小于报警值3.00 mm/d(图18)。实际监测数据表明该支护结构设计形式对桩顶和深层水平位移的控制效果较好，有效地控制其水平位移的发展，有利于安全施工。

图17 基坑监测点累计位移值

图18 基坑监测点监测数据

一般开挖深度越深、土质越软、锚索数量越少、桩体嵌固深度越小、载重越重，侧向位移越大。但该基坑变形量的不同，是开挖深度、土层结构、施工荷载、支护结构等因素相互耦合的结果。其中，载重(施工荷载)是所有因素之中唯一不确定性因素。基于3.4节模型，减去载重，稳定性系数由原来的1.914增大到3.318(图19)，可见其严重影响着基坑变形和稳定性。李二超、杨瑜等[17]研究了动载对基坑边坡侧向位移的影响，表明载重尤其是动载，严重影响着浅部土层侧向变形量，载重使顶层土层下压将荷载传递到中上部土层，并产生位移，对-1.00～-6.00 m深度范围土体影响最大，在-3.00 m产生最大值，随深度增加，这种影响逐渐减弱。