SMW工法樁圍護結構體系的超大深基坑工程變形性狀分析*

周紅波 蔡來炳

上海建科工程咨詢有限公司 上海 200032

1 工程概況

擬建工程場地位于上海市閔行區(qū)華漕鎮(zhèn)，周邊環(huán)境空曠，除北側緊鄰閔北路外，其他三面現(xiàn)均為空地。基坑工程平面呈長方形，南北向長約234 m，東西向?qū)捈s67 m，開挖面積約15 800 m2，開挖深度為10.75 m，屬于超大深基坑工程。集水井基坑局部落深1.5 m，電梯井基坑局部落深2.5 m，采用旋噴樁加固。工程采用SMW工法樁作為基坑工程圍護結構，三軸水泥土攪拌樁Φ850 mm，深23.5 m；內(nèi)插工字型鋼尺寸為 700 mm×300 mm×13 mm×24 mm，長度22 m，為隔一插一方式，薄弱部位或轉(zhuǎn)角處為密插式。支撐體系為鋼筋混凝土對撐+邊桁架的平面布置形式，豎向設2 道支撐，首道位于原地坪下2.4 m，二道撐與首道撐豎向間距為4.6 m，如圖1所示。

圖1 混凝土支撐和監(jiān)測點平面示意

擬建場地主要由黏性土、粉性土和砂土組成，自場地的地下水主要為淺部土層中的潛水，埋深1.05～1.40 m。場地地坪標高4.2～4.5 m。

根據(jù)設計要求，本基坑周邊設置8.3～10.7 m施工道路，標高為3.5 m，采用厚200 mm鋼筋混凝土路面，設雙層雙向Φ12 mm@200 mm鋼筋。在場地平整和施工道路完成后，基坑開挖工況如下：壓頂圈梁施工→首層開挖→第1道圍檁及支撐施工→棧橋斜板施工→第2層土方開挖→第2道圍檁及支撐施工→第3層土方開挖→清底墊層和底板施工。第3層土開挖分塊如圖2所示，開挖順序為B1→B2→B3→B3，首先開挖南邊B1分塊（圖2）。

圖2 第三層土開挖分塊示意

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)[1-3]

本基坑工程從4月份開始開挖，5月份完成第2道混凝土支撐，并開始開挖第3層土方。基坑土方開挖正處于長三角地區(qū)的梅雨季節(jié)。本文所分析的基坑工程監(jiān)測數(shù)據(jù)內(nèi)容包括圍護墻體水平位移（測斜管測點EP）、地表沉降（測點GS）、立柱隆起沉降（測點L）、混凝土支撐軸力（測點Z）等，監(jiān)測點平面布置見圖1。

2.1 圍護墻體水平位移

SMW工法樁圍護墻體深層水平位移主要采用在水泥土中鉆孔安裝PVC測斜管方式進行監(jiān)測。本工程共布置了13 個測斜監(jiān)測點，圖3給出了測點EP02、EP06、EP11、EP13等主要工況的水平位移分布圖。

圖3 圍護墻體水平位移分布

圖3表明，第3層土開挖后，圍護墻體水平位移隨著時間推移快速增大，最大水平位移部位向下發(fā)展；圍護墻體最大水平位移與開挖深度H的關系為是現(xiàn)行規(guī)范水平位移估測值的上限；圍護墻體最大水平位移出現(xiàn)在墻頂下12～13 m處，為（1.12～1.21）H，位于開挖面以下1.5～2.5 m范圍；混凝土墊層完成后，圍護墻體水平位移變化率顯著減小；底板完成后，水平位移變化平穩(wěn)。根據(jù)圍護墻體水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，墻趾的水平位移值較大，為（0.45～0.76）平均比值為表明超大深基坑開挖后SMW工法樁圍護墻趾位移較大，開挖面以下土體影響范圍大，這是監(jiān)控圍護結構踢腳破壞的重要參數(shù)。

2.2 地表沉降

沿基坑邊線共布置8 個地表沉降觀測斷面，每個斷面布置4 個點，與圍護墻體距離分別為3 m、6 m、9 m、12 m。監(jiān)測數(shù)據(jù)所得的基坑外側地表沉降分布如圖4所示。

圖4 地表沉降分布

從圖4分析，最大地表沉降量Smax在56～110 mm之間變化，主要出現(xiàn)在距離基坑邊約6 m位置，且在6～12 m范圍分布比較平緩，處于基坑開挖主影響區(qū)域；緊鄰圍護墻體位置的沉降量在13～38 mm之間，為（0.20～0.38）Smax。

2.3 立柱沉降

圖5 立柱隆起沉降變化曲線

本工程共布置12 個立柱沉降觀測點（圖1）。圖5給出了北分塊B1和南分塊B1開挖后對應立柱隆起量變化情況。從圖5分析，第3層土開挖即基坑開挖到底后，立柱隆起變形迅速增大，并超過設計報警值15 mm；在混凝土墊層完成前達到最大，混凝土墊層完成后，立柱隆起變形大致呈下降趨勢，這種下降趨勢在底板混凝土完成后更顯著，直至趨于穩(wěn)定值。

2.4 鋼筋混凝土支撐軸力

混凝土支撐軸力監(jiān)測點見圖1所示，每個檢測位置分為上、下道支撐軸力監(jiān)測點。表2給出了第3層土開挖前后各支撐軸力變化。

表1 支撐軸力監(jiān)測值

從表1分析，在第3層土開挖前，首道支撐軸力在3 572～4 934 kN之間。第3層土開挖后，首道混凝土的軸力減小，第2道混凝土支撐軸力快速增大，且累計軸力測值嚴重超出設計報警值4 730 kN。然而，這種快速變化止于混凝土墊層完成，在底板混凝土完成后趨于穩(wěn)定。圖6給出了Z1-2與Z2-2、Z1-8與Z2-8軸力變化情況。

圖6 支撐軸力變化曲線

3 基坑變形性狀

根據(jù)上述監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，對于以SMW工法樁為圍護結構的超大深基坑工程，土方開挖引起的圍護墻體水平位移、地表沉降和立柱隆起沉降等監(jiān)測數(shù)據(jù)值很大，均超過設計或規(guī)范報警值；這種基坑變形性狀隨著開挖面土體暴露時間增長而顯著增大，引起基坑趨于不穩(wěn)定狀態(tài)；混凝土墊層和底板的完成有效地控制了基坑變形發(fā)展，轉(zhuǎn)變了這種不穩(wěn)定變化趨勢。

3.1 SMW工法樁圍護墻體剛度

根據(jù)日本材料協(xié)會的試驗結果，SMW工法樁圍護墻體剛度可取1.2 倍插入型鋼的剛度。對于Φ850 mm@650 mm三軸水泥土攪拌樁內(nèi)插H700 mm×300 mm×13 mm×24 mm型鋼圍護墻體，采用隔一插一布置方式，長1.2 m的圍護墻體剛度為4.02×105kN·m2。根據(jù)圍護墻體測斜數(shù)據(jù)，最大水平位移位于開挖面以下1.5～2.5 m，可得圍護墻體的剛度參數(shù)0.19 MPa。根據(jù)土層物理力學參數(shù)確定土體強度系數(shù)，并根據(jù)圍護墻體位移與墻體剛度系數(shù)關系，可以確定SMW工法樁支護體系屬于柔性支護結構范圍。

3.2 地表沉降

通過大量的工程數(shù)據(jù)和理論研究表明，基坑外地表沉降因素包括圍護墻體水平位移和坑底土體隆起變形等，且圍護墻體最大水平位移和最大地表沉降Smax存在線性相關性。根據(jù)本文工程監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，最大地表沉降Smax在之間，平均值為圍護墻趾位移約為0.59dmax。由圍護墻體下部土體位移引起的地表沉降量較大，空間效應顯著。

為分析SMW工法樁圍護墻體水平位移和地表沉降變化關系，繪制了最大地表沉降Smax和對應位置的最大圍護墻體水平位移歷時變化曲線圖進行分析，結果顯示：地表沉降隨著圍護墻體水平位移的增加而增大；在混凝土墊層、底板完成后，圍護墻體水平位移趨于平緩，地表沉降仍在持續(xù)增大，但增加幅度顯著減小。可以認為，由超孔隙水壓力引起的地表沉降增幅遲于圍護墻體的水平位移增幅。

4 結語

本文基于工程案例，討論了SMW工法樁圍護墻體的超大深基坑變形性狀和受力特點，提出了控制軟土超大深基坑變形的措施。主要體現(xiàn)在以下方面：

（a）對于飽和軟黏土的超大深基坑工程，SMW工法樁圍護墻體屬于柔性支護結構，其最大水平位移范圍是是現(xiàn)行規(guī)范水平位移估測值的上限；最大水平位移部位在開挖面以下（0.12～0.21）H范圍；圍護墻趾的水平位移在之間，是監(jiān)控圍護結構踢腳破壞的重要參數(shù)；

（b）以SMW工法樁為基坑圍護結構的超大深基坑，最大地表沉降出現(xiàn)在（0.5～1.1）H范圍，最大沉降量與圍護墻體位移關系有Smax=（0.64～0.97）地表沉降發(fā)展滯后于SMW工法樁圍護墻體的水平位移；

（c）對于豎向設置2 道混凝土支撐的飽和軟黏土超大深基坑，首道混凝土支撐軸力隨著開挖面土體暴露時間增長而呈減小趨勢，2 道支撐軸力則急劇增大；

（d）對于飽和軟黏土超大深基坑工程，基坑開挖面土體的暴露時間對基坑變形性狀和支護體系受力影響顯著，分小塊開挖、及時完成混凝土墊層和底板結構等是控制基坑變形和穩(wěn)定性的重要措施。