深基坑双排桩支护的设计与变形监测研究

2022-04-11蒋宏鸣刘春林

岩土工程技术 2022年2期

蒋宏鸣刘春林

（1.上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司, 上海 200125；2.华南理工大学土木与交通学院, 广东广州 510641）

0 引言

城市化进程不断推进，毗邻既有建筑物和道路管线而建的工程项目越来越多，基坑开挖对周边环境的影响越加受到重视[1-3]。基坑支护结构形式的选取受到周边环境条件的约束，支护结构的设计方案既要考虑安全性和经济性，也要考虑施工操作的适用性[4]。

双排桩支护结构已有十余年的发展历史[5-8]，随着双排桩计算理论研究成果的不断积累[9-11]，双排桩支护结构的设计理论已足够成熟，全国各地使用该种支护形式的成功案例越来越多[12-14]。相比传统的单排桩悬臂支护形式，双排桩支护在顶部连梁、冠梁的连接作用下形成了空间刚架体系，具有更大抗侧刚度和整体稳定性，双排桩可以被使用在更深的基坑工程中，也更能在软土地区使用。相比桩撑支护形式，双排桩支护结构由于属于悬臂支护形式，具有更便利的开挖方式，施工速度更快，施工周期更短。由于双排桩在基坑外侧可不设置锚杆，没有支护结构超出红线范围的可能，不会侵入后方建筑物和管线的竖直影响范围，因此与桩锚支护形式相比，双排桩的布置更有灵活性，也能满足当下日趋严格的用地保护要求。

本文以深圳地区某毗邻既有建筑物的双排桩基坑为研究对象，介绍了双排桩支护方案的设计过程，统计了双排桩支护结构和毗邻建筑物的变形监测数据，并分析了双排桩的变形规律，初步得出支护结构变形与坑外地表、毗邻建筑物沉降的内在关系，证明设计方案的可行性与安全性。所得研究结果可为此类基坑工程的设计工作提供一定的经验性参考。

1 工程概况

1.1 项目概况

项目位于深圳市光明区，包括3 栋6～8 层的地上建筑和1 个大型地下室。地下室的西侧1/3 范围为地下一层，东侧2/3 范围为地下二层。基坑形状呈不规则矩形，东西向较狭长，基坑面积约为1.85×104m2，周长约为700 m；由于坑顶地势略有起伏，因此基坑开挖深度为8.70～12.55 m，基坑挖深最大处位于南侧中部位置。基坑南侧外部存在既有建筑物，西南侧和南侧为6 层小学和幼儿园教学楼，框架结构体系，浅基础形式；该处建筑均距离基坑边较近，距离为13.1～14.5 m。基坑东南侧为当地居民自建住宅建筑，层数为6～14 层，结构体系包括框架结构和剪力墙结构，大部分建筑为浅基础，东南侧局部2 栋层数为13 层和14 层的建筑采用了桩基础；该处民宅建筑较为密集，与基坑边最近的距离为16.6 m。通过与相应位置的基坑深度进行比较，南侧各建筑与基坑边的距离基本满足大于1 倍基坑挖深并小于2 倍基坑挖深；基坑边与用地红线之间存在一定距离，最近处大于5.7 m。基坑标高以及周边环境见图1。

图1 基坑标高及周边环境图（单位：m）

1.2 工程地质与水文条件

项目场地地貌单元为冲洪积阶地，地形略有起伏，整个场地北高南低，基坑南侧地面高程为25.5～28.5 m，最大高差为3.0 m，南侧小学和幼儿园地面之间高差存在已建挡墙分隔，东南侧民宅区域高差存在自然坡降。根据岩土工程勘察报告，场地地层分布从上至下依次为第四系人工填土层（①层土）、第四系全新统坡洪积层（②、③、④层土）、第四系残积土层（⑤、⑥层土）、燕山四期早白垩世混合花岗岩（⑦层土），其中除③、④层土仅在场地东南侧局部位置分布外，其余土层均为全场地范围分布，地层连续且未见缺失。各土层物理力学指标见表1。场地地下水分为第四系孔隙水及基岩裂隙水，孔隙水主要赋存于人工填土层，其次赋存于坡洪积、残积层和全风化岩层中，主要接受大气降水及地下水侧向补给；基岩裂隙水主要赋存于强风化岩节理、裂隙内，受节理、裂隙发育程度控制，具有微承压性，主要接受基岩裂隙水的侧向渗流补给，以渗流方式向低洼处排泄。场地土层除③、④层土为强透水性土，其余土层均为弱透水性土，⑦层土为中等透水性基岩。

表1 土层物理力学指标

2 基坑支护方案

2.1 双排桩支护方案

经过初步的方案论证和比较，在考虑了经济性、安全性和适用性条件后，基坑设计方案确定为北侧采用放坡土钉墙的形式，基坑南侧设计方案确定为双排旋挖灌注桩悬臂式支护结构，基坑南侧支护形式平面分段见图2。经计算，在满足规范[15]变形和稳定性的要求下，确定南侧双排桩支护方案见表2，其中支护结构的混凝土强度等级为C30，配筋采用三级钢。双排桩顶冠梁标高设计成统一标高，坑顶至冠梁顶采用放坡加土钉喷锚，设计止水帷幕采用φ1000 高压旋喷桩，布置于前排桩之间，由于勘察揭露东南角的支护EF 段存在③、④层强透水土，因此增加一排φ1000 高压旋喷桩并与桩间旋喷桩搭接0.2 m，以保证其止水性。支护典型剖面见图3。

图3 双排桩支护典型剖面图（单位：mm）

表2 南侧双排桩支护方案

图2 南侧双排桩支护分段平面图

2.2 双排桩支护变形计算结果

根据现行基坑设计软件理正深基坑的计算结果，双排桩支护的水平位移均小于规范要求的位移限值，排桩变形呈现出典型的悬臂支护变形特点，支护结构的最大水平位移值出现在前排桩顶部。各段双排桩支护结构计算得到的最大水平位移见表3，支护结构的水平位移均满足规范[15]的变形限值要求。

表3 双排桩支护结构最大水平位移计算结果

3 双排桩支护监测

3.1 监测方案

设计要求南侧双排桩支护结构在施工开挖期间进行桩顶水平位移、支护桩深层水平位移、地表沉降、南侧基坑外建筑物沉降的监测。由于场地和成本的原因，现场最终实现有效监测的支护桩顶水平位移测点共10 个，为WY1-WY10；支护桩深层水平位移监测点共3 个，分别为CX1-CX3；地表沉降监测点共3 组，每组4 个点位从后排冠梁边向坑外延伸布置，分别为CJ1-CJ3；建筑位移监测点共7 个，分别为FW1-FW7。有效监测点的平面布置见图4。

图4 监测点平面布置图

3.2 基坑开挖周期

基坑工程施工工序时间大致为3月底开始施工支护结构；支护结构经检测满足设计要求后，5月初开挖第一皮土方，开挖顺序为由西端和东端向中间推进，为保护后方建筑，南侧中间段基坑挖深最大处为最晚开挖区域，约为5月底动土；7月初开始施工地下一层区域底板，7月下旬完成全部地下一层区域底板的浇筑，并开始东端地下二层底板的施工，8月底完成全部地下室结构底板的浇筑。

整个基坑自开挖起至完成底板浇筑共历时3 个月，其中各围护段的开挖施工期历时约60 天，由于项目工期较紧，基坑开挖后出土作业昼夜连续进行直至挖到坑底，基坑深度始终处于动态变化过程中。基坑开挖期间正值广东地区的雨季，据监测报表粗略统计，开挖期间的降雨频率约为12～15 天/月。施工期间监测频率为1 次/天。

3.3 基坑监测结果和分析

水位监测数据显示基坑开挖过程中坑外地下水位基本处于坑底标高±0.5 m 范围内，可见地下水的影响较小。本项目地层分布均匀，场地内⑤层土较厚，坑底均为⑤层土，因此地层变化的影响也较为有限。

整个基坑自土方开挖开始至底板浇筑一周结束期间的双排桩桩顶水平位移时程曲线见图5。

图5 双排桩顶水平位移时程曲线

由图可知： WY1、WY2、WY8、WY9、WY10 曲线在5月5日至5月25日期间的斜率较陡，6月之后曲线斜率逐渐变缓，7月以后曲线更为平缓，仅有小幅上升；WY6、WY7 曲线在5月30日至6月20日期间的斜率较陡，之后曲线斜率也逐渐减小，7月底以后曲线变得平直；WY3、WY4、WY5 曲线的上升段呈台阶式，5月5日至5月25日期间曲线出现一次显著上升，6月4日至6月底曲线再次出现一次显著上升，且两段上升曲线的斜率相当，7月底以后WY3 基本不再增加，曲线较平缓，而WY4、WY5 在7月底至8月中旬又出现了一段小幅增长，8月中旬之后曲线渐趋平缓。通过比较各条曲线的上升时间与开挖施工的时间，发现双排桩桩顶水平位移在开挖前期增加最为显著，由于土方开挖是由东西两端向中部逐渐开展，因此各条曲线的显著增加时间有先后差别；开挖以后的前20 天为桩顶水平位移增加最快的时期，随着开挖施工的进行，位移增加速率逐渐减小，地下室底板浇筑后，桩顶水平位移基本不再增长。值得注意的是，WY3、WY4、WY5 曲线的变化特点与其他曲线略有不同，3 条曲线不仅出现了2 次显著上升段，且WY4、WY5 曲线在7月底地下二层底板浇筑后依然有小幅增加，原因是WY3、WY4、WY5 所在区域处在前期开挖和后期开挖的过渡位置，该区域的大面积开挖施工被分成2 次进行，且WY4 和WY5所在支护段为南侧双排桩支护的大阳角位置，变形较为敏感，底板成型前桩顶水平变形始终在缓慢增加。各测点开挖后各施工阶段双排桩顶水平位移值见表4，WY3、WY4、WY5 不具备代表性，排除统计。由表4可见，施工各阶段桩顶水平位移值基本与开挖深度成正比，WY1 和WY2 的数值较小，原因是基坑东南区域实际场地标高有一定起伏，设计挖深按照最高点计算，但实际现场部分区域开挖深度仅约9.05 m。表5所示为各施工阶段双排桩顶的水平位移值与位移终值的比值。由此可见，基坑开挖后的前20 天（约为开挖施工期的前1/3 阶段）为双排桩支护顶部水平位移增加较快的时期，分别删除各列的最高值和最低值并计算平均值，得到开挖后前20 天内双排桩顶水平位移平均占总位移60.7%，开挖20 天后至底板浇筑完成期间的水平位移平均占总位移35.4%，而底板浇筑后一周内的水平位移平均占总位移3.9%。可见对于双排桩支护结构，基坑开挖施工期的前1/3 阶段是控制基坑变形的关键时期。

表4 各施工阶段双排桩顶水平位移值 mm

表5 各施工阶段双排桩顶水平位移值与位移终值的比值%

比较表3、表4数据发现，监测得到的桩顶水平位移最终值均小于计算所得位移值，原因是设计计算并未计及桩间φ1000 高压旋喷桩对双排桩桩间土的加固作用；如前文所述，由于考虑加强止水效果，基坑东南角支护EF 段设置了两排旋喷桩，而该处测点WY1 和WY2 的桩顶水平位移值也显著小于其他测点，由此可见，双排桩桩间土的加固将显著改善双排桩的刚度，可作为控制双排桩基坑变形的有效措施。

分别统计CX1、CX2、CX3 在7月30日与8月30日的前排桩深层水平位移值（见图6）。不同位置的双排桩呈现出不同的侧向变形特征：支护EF 段（CX1）的双排桩表现出顶部被约束的单支点式变形特点，支护桩的最大侧向位移出现在坑底附近，且2个时间节点所表现出的特征相同；支护DE 段（CX2）的双排桩则完全不同，2 个时间节点的支护结构均表现出典型的悬臂式变形特点，支护桩的水平位移最大值出现在支护桩的顶部；支护BC 段（CX3）的双排桩在2 个时间节点上表现出不一致的变形特点，7月30日的支护桩呈现出悬臂式变形特征，而8月30日则呈现出单支点式特征。

图6 双排桩前排桩深层水平位移值

总结出现这些特征的原因如下：（1）相比其它支护段只设置了桩间旋喷桩，支护EF 段在外侧增设了一排φ1000@800 的旋喷桩，现场查看EF 段双排桩冠梁结构时发现由于一排旋喷桩的注浆加固作用，前排冠梁与连梁交接处与水泥土凝固成了一块，效果如同加宽了前排冠梁并显著增加了前排冠梁和连梁的刚度，从而显著增加了桩顶的约束，致使该段支护结构呈现出单支点式的变形；（2）由于支护DE 段的底板施工要早于支护BC 段，8月以后支护DE 段在坑底附近的水平位移被有效约束，而支护BC 段挖深最大，底板封闭最晚，自5月中下旬开挖后支护桩的深层侧向变形始终在逐渐增加。由此可见，双排桩顶部刚架结构的刚度、开挖深度和施工工序都影响着它的变形特征，由于冠梁和连梁有效约束了前排桩顶部的位移，若深层水平位移不能被有效约束，随着开挖深度的增加，深层水平位移便会逐渐超过桩顶处的位移，出现“鼓肚式”的变形特征。

另一方面，基坑设计软件得到的双排桩变形均为典型的悬臂式变形，现行设计软件不能准确反映双排桩支护结构变形特征的变化性。双排桩支护结构后方的地表沉降监测结果见图7。通过观察发现，CJ1 曲线的最大值出现在距后排桩4.0 m 左右的位置上，2 个时间点的沉降曲线均呈“凹槽形”曲线；CJ2 和CJ3 曲线的最大值均出现在紧邻后排桩的位置上，且2 个时间点的沉降曲线形态也表现一致，均呈“三角形”曲线。根据研究结果[4]显示，“凹槽形”沉降曲线通常由“鼓肚式”支护桩变形造成，主要出现在单或多支点的支护结构上，与CJ1 最近的CX1深层水平位移曲线也证实了这种经验性判断；而另一方面，“三角形”沉降曲线被证明通常为悬臂式支护结构的变形特征，由于悬臂式支护结构的最大侧向变形出现在桩顶，因而它的最大沉降也出现在支护桩边。由此判断，CJ1 所在的支护EF 段双排桩表现为单支点式变形，而CJ2 和CJ3 所在的支护AB 段双排桩表现为悬臂式支护变形，再次表明双排桩支护结构与单排桩悬臂支护结构不同，它的变形特征介于单支点支护和悬臂式支护之间，具有一定变化性。

图7 支护结构后方地表沉降值

由于FW4-FW7 测点得到的建筑物沉降数值均较小并可作忽略，因此仅统计FW1-FW3 的小学建筑沉降值并绘制沉降时程曲线（见图8）。观察沉降时程曲线发现：若不考虑开挖初期的扰动影响，FW1 和FW2 曲线上升段的起点约为5月25日左右，FW3 曲线上升段的起点约为6月20日左右。可见，相比支护桩侧向位移显著增加时间为开挖后的前20 天内，即施工开挖期的前1/3 阶段，建筑沉降出现显著增长的时间均在相应支护段开挖施工的20 天后，即施工开挖期的后2/3 阶段，这表明建筑物的沉降变形有一定的滞后现象。各测点得到的建筑物沉降值均小于沉降控制值18 mm，且基坑深度越大，建筑物沉降越大。FW1 和FW2 测点处的挖深为8.7 m，相应的建筑物最大沉降值分别为4.0 mm 和4.1 mm；FW3 测点处基坑挖深为12.55 m，该测点的最大沉降值为6.8 mm。根据CX3 的数据，FW3 测点附近双排桩结构的深层水平位移最大值为13.28 mm，最大沉降值约为双排桩侧向位移最大值的50%。