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地下室软土深基坑支护控制

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摘要:软土普遍具有含水量高,力学性质差,地基承载力低等特点,在软土地基中开挖深基坑、桩基施工至土方回填等各工况下均会产生明显变形,故在周边环境复杂的情况下变形控制设计和开挖过程中对基坑实时监测显得尤为重要。本文介绍了杭州市某四层地下室软土深基坑支护设计、施工、监测等情况,分析了若干变形控制措施及栈桥的应用,结果表明,在支撑上设置栈桥较好地处理了施工场地布置及土方开挖、运输等问题,同时该基坑支护方案取得了较好的变形控制效果,对该地区类似工程有一定参考意义。

关键词:变形控制;深基坑;深厚软土地基;栈桥

基坑工程具有临时性、区域性、时空效应和环境效应等特点,是与众多因素相关的综合性岩土工程课题,如场地勘察、基坑设计、施工、监测、现场管理、相邻场地施工的相互影响等。由于基坑工程具有很强的个性及区域性,给设计及施工都带来了较大难题,不同支护工程的特点及设计侧重点均不同,需要因地制宜考虑。随着城市建设发展,基坑工程开挖深度和面积不断增加,规模越来越大,周边环境越来越复杂,这些都对基坑变形提出了更高控制要求,在这种情况下,基坑工程的安全可靠与否常常取决于变形控制。目前基坑开挖的主要变形控制措施主要有土体加固、降水降压、土方开挖分区、围护体系刚度、支撑体系刚度及平面布置、拆撑流程、施工进度控制等,但缺乏系统的理论研究。现有研究成果大多是通过数值模拟、神经网络等方法计算、预测基坑变形,或通过现场监测数据分析基坑变形机理,而结合变形控制措施进行研究的则相对较少。本文通过杭州市拱墅区一个典型软土深基坑支护工程实例,分析了基坑开挖全过程的变形控制设计思路和施工措施,监测结果显示,各项措施取得了较好的变形控制效果,可为该地区类似工程的设计、优化及变形控制提供借鉴。

1工程概况

某深基坑项目位于杭州市城北地区桥西板块,设四层大底盘地下室,基坑开挖面积约17000m2,开挖深度约17m,局部电梯井位置开挖深度达18.7m。基坑开挖影响范围内土质情况复杂,地表以下约2~3m厚硬壳层,硬壳层以下为约11~14m厚的淤泥质粘土层,淤泥质粘土层以下为粘性土,其中③层和⑤层淤泥质土呈流塑状,全场分布。基坑周边环境复杂,场地东侧为已建2层砖木结构建筑物(浅基础);南侧为游步道及河道;西侧为市政道路,道路下市政管线密布;场地北侧为已建博物馆、展示区及园区道路,道路下管线密布。

2基坑支护设计思路

本工程基坑支护设计需考虑如下因素:基坑开挖面积较大,开挖深度深,故工程施工工期长,基坑暴露时间久;基坑周边环境复杂,东侧和北侧为已建建筑物,南侧为游步道及河道,西侧为已建市政道路,施工阶段对变形控制要求高;基坑边线距离用地红线较近,且用地红线外侧均为市政道路或需保护建筑物,现场施工场地布置、土方开挖、运输等较困难;基坑形状不规则,阳角多,对基坑变形控制不利;基坑开挖影响范围内场地土质条件较差,以淤泥质粘土为主,该层土厚度大,含水量高,土力学性质差。

针对上述情况采用围护体系及变形控制措施如下:

(1)竖向围护体:本工程基坑竖向围护体可选择大直径钻孔桩或者地下连续墙,经对两个方案在技术上、经济上、工期上进行对比,Φ1100@1350或者Φ1200@1450的大直径钻孔桩与900厚地下连续墙在刚度上基本相同,但在经济上和工期上有明显优势,故选择大直径钻孔桩作为竖向围护体。

(2)支撑体系:本工程竖向支撑体系原则上考虑选择4道钢筋混凝土内支撑,但结合本工程地质勘察报告,基坑坑底位置基本坐落于粘性土层中,该层土呈软可塑状,土力学性质相对较好,在坑底起到天然的弱支撑作用,故在支撑竖向体系上,选择了3道钢筋混凝土内支撑;支撑系统平面布置上,综合考虑场地形状特点,在场地东、西侧设置大角撑,其余位置设置对撑,并采用边桁架形式,将角撑及对撑连成整体,增加支撑整体性;另外根据计算结果,在支撑轴力及变形较大位置,增设板带,增加支撑刚度。

(3)止水帷幕:考虑到在深厚软土中,普通单轴或双轴水泥搅拌桩的施工质量较难保证,为确保挡土止水帷幕的可靠性,本工程采用Φ850@1200的三轴水泥搅拌桩做挡土止水帷幕,三轴水泥搅拌桩桩长22.75m。

(4)栈桥设置:在场地南北向的两组大对撑上设置一座栈桥(周长约370m,最大宽度17m),栈桥板厚300mm,施工控制荷载50kPa,该栈桥可循环联通,并带有回车场地,解决了施工场地布置、土方开挖、运输等困难。

(5)拆换撑:除了在围护桩与剪力墙之间采用板带换撑外,考虑到本工程基坑开挖深度深,围护换撑后,结构底板或楼板受力较大,被后浇带划分的各区块底板或楼板刚度不够,故在地下1~3层的楼板后浇带内增设槽钢,在底板后浇带内增设H型钢,增加底板、楼板的整体刚度。为减少支撑拆除时,振动对周边环境造成影响,要求腰梁不凿除。

(6)回填:考虑到本工程腰梁不凿除,直接采用土方回填,回填土压实系数较难保证,故要求采用细砂回填,确保回填质量,减少基坑后续变形。

(7)被动区加固:结合本工程地质勘察报告,基坑坑底位置基本坐落于粘性土层中,该层土土力学性质相对较好,故不考虑设置被动区加固。

3基坑监测结果分析

本工程基坑监测工期为17个月。在施工过程中共进行了深层土体水平位移(测斜孔19点,报警值为累计65mm)、桩顶位移(19点,报警值为沉降值累计15mm)、支撑轴力(每道支撑18组,共54组,报警值为累计10000/13000/15000kN)、水位(共23点)、沉降点(地面、周边建筑物沉降,共44点,管线沉降,共20点,立柱沉降171点)等几项监测内容。

3.1深层土体水平位移

各测斜孔土体水平位移累计变化值在41.90~59.58mm之间,均未达报警值。在施工过程中,各测斜孔变形较大处基本位于地面以下10~13m左右深度。土体最大水平位移为59.58mm,发生于CX6点地表以下12m处,在监测报警值以内,且最终趋于稳定。典型坑外深层土体水平位移-时间曲线如图3所示。由测斜曲线图可以看出,边坡土体的水平位移-深度曲线形态大体呈弓形,并随开挖深度的不断增加,最大水平位移点的位置逐渐下移。底板浇筑完成之后,土体变形和最大位移点的深度趋于稳定。地下室施工期间,基坑上部土体变形随着基坑暴露时间增加而增大,但最终位移量未超出控制指标,达到了预期控制变形的目标。

3.2支撑轴力

支撑轴力最大处发生在场地北侧大阳角位置,即S9、S10监测点所在支撑,第一道支撑轴力最大值约6600kN;第二道支撑轴力最大值约7300kN,第三道支撑轴力最大值约7800kN,支撑轴力实测值明显小于计算值。三道支撑中S9、S10、S11、S12点处支撑轴力监测值大于其他支撑,原因是在该处第一道支撑上设置了栈桥作为施工通道,挖机在第一道支撑上行走作业,竖向荷载较大,增加了支撑梁的挠度和轴力。三道支撑轴力呈现上小下大的特点,并相互影响,共同分担土压力。当施工下一道支撑时,上一道支撑轴力略微减小,随着基坑开挖又逐渐增大,最终趋于稳定。在施工过程中基坑支撑内力变化曲线平稳正常,各支撑梁表面无裂缝发育,说明支撑梁对基坑起到了很好的保护作用。

3.3周边建筑物、管线沉降

本工程从基坑开挖至施工至±0.00耗时17个月,该过程中,周边建筑物沉降随着时间推移,变形逐渐增加,基坑周边建筑物最大沉降点位于距离基坑边约10m处,最大沉降量约20mm,不均匀沉降差8mm,现场目测建筑结构无明显裂缝,不影响建筑物使用。周边市政管线最大沉降约45mm,主要位于场地西侧市政道路下,该道路为本工程施工期间唯一与外界联通的施工道路。

4总结

周边环境复杂、开挖深度深、施工场地狭小的深厚软土基坑,支护设计不仅要考虑基坑自身安全问题,还要满足周边环境变形控制要求,考虑施工场地布置。本工程周边建筑物及市政道路对基坑变形相当敏感,且施工场地狭窄,施工场地布置难以展开,为控制基坑变形对周边环境造成的影响及解决施工场地布置的问题,采用大直径钻孔桩增加围护体刚度、在支撑上设置边桁架和增设板带增加支撑刚度、设置栈桥来增加整个围护系统刚度、不拆除腰梁及细砂回填等措施控制基坑变形。实际施工情况及监测结果表明,该支护方案较好地达到了设计控制变形的要求,没有对周边环境造成不良影响。同时,在支撑上设置栈桥,较好地处理了施工场地布置及土方开挖、运输等问题,对类似工程有一定参考意义。

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作者:岑仰润;袁建标;李慧慧;张宏建 单位:杭州市勘测设计研究院

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