軟土地區復雜敏感環境下深大基坑分倉施工對格構柱的影響與分析

□文/張秀川 李卓文 朱明華 鄭 彬 王常旭 許增攀

1 工程概況

某大型城市綜合體地處天津市商業中心區域，周邊環境復雜敏感，為地鐵上蓋工程。基坑開挖標高為-19.060 m，基坑周長約535 m，基坑面積約13 000 m2，樁筏基礎。

工程四周采用地下連續墻作為圍護結構，支撐選用鋼筋混凝土支撐和鋼支撐，支撐形式為對撐及邊桁架，見圖1。為確保運營地鐵和臨近歷史風貌保護建筑物安全，基坑內部采用非永久地下連續墻進行分倉設計，將超大基坑劃分為四個小基坑，臨近歷史風貌保護建筑一側基坑及部分電梯坑采用高壓旋噴樁進行地基加固。

圖1 圍護結構

2 樁基及格構柱設計概況

鉆孔灌注樁類型主要有工程抗拔樁、工程抗壓樁、立柱樁3種，樁徑分別為800、1 000、1 400 mm。立柱樁共計2種類型，工程樁兼做立柱樁的混凝土強度為水下C40，保護層厚度60 mm；其余為水下C30混凝土，保護層厚度50 mm，除兼做立柱樁的工程樁外，單樁承載力標準值2 200 kN。格構柱插入立柱樁內3 m以上并與樁主筋可靠焊接，高度至第一道支撐底部，見表1-表2和圖2。

表1 立柱樁設計概況

表2 格構柱設計概況

圖2 格構柱節點

3 工程地質條件

4 格構柱豎向位移監測設計

按照GB 50497—2009《建筑基坑工程監測技術規范》規定，基坑等級為一級，屬于超深基坑。本文重點分析深大基坑分倉開挖對格構柱豎向位移的影響關系，共設置21個格構柱豎向位移監測點進行全過程監測。監測點位均布置在一區和二區基坑內部，由于監測量比較大，故本文僅統計21個監測點最終累計位移值，同時根據基坑平面布置，選取LZ1、LZ8、LZ9、LZ19、LZ13、LZ16、LZ20、LZ21等具有典型意義的監測點進行監測過程分析，見圖3。

圖3 格構柱沉降監測布點

5 格構柱豎向位移影響因素分析

5.1 基礎形式及構造

選取的8個監測點中，僅有LZ13樁徑為800 mm，其余立柱樁樁徑為 1 000 mm。LZ8、LZ16、LZ21為工程抗拔樁兼做立柱樁，從樁頂到樁底主筋依次為2825 mm、2425 mm、1925 mm、1425 mm；LZ9為工程抗壓樁兼做立柱樁，配筋同LZ1、LZ19、LZ20立柱樁，從樁頂到樁底主筋固定為1614 mm不變；LZ13立柱樁從樁頂到樁底主筋依次為1614 mm、814 mm，見表3。

表3 立柱樁及格構柱型號

5.2 土方開挖及內支撐施工

考慮周邊環境安全，充分運用“時空效應”，各區域分倉進行土方開挖，大開挖前先完成首道撐施工，面積較大的一區、二區基坑不同時施工。優先施工遠離地鐵的一區，然后依次進行二區、三區及四區的土方開挖。各區域開挖方式為分層、分塊對撐開挖，一區、二區采用分層、分塊開挖工藝，見圖4和表4-表5。

5.3 地下結構施工及內支撐拆除

開挖至坑底后，進行基坑墊層、底板及地下主體施工，與內支撐拆除穿插進行，見表6和表7。

圖4 一區、二區土方開挖步序

表4 各區域土方開挖工況

表5 一區、二區內支撐施工工況

表6 一區、二區結構施工工況

表7 一區、二區內支撐拆除工況

6 格構柱豎向位移隨施工時間推移的變化與分析

施工過程中，按照規范及設計要求完成土方開挖階段格構柱豎向位移的定期監測，完成監測數據的匯總分析，見圖5和圖6。

圖5 一區 LZ1、LZ8、LZ9、LZ19豎向位移監測曲線

圖6 二區 LZ113、LZ116、LZ120、LZ121豎向位移監測曲線

圖5為一區自第一次觀測至土方開挖完成期間各監測點的累計變化量，在6.4～21.2 mm之間，最大累計變化量為21.2 mm，產生在LZ19號監測區域；在進行基坑墊層、底板、地下結構、支撐拆除等施工作業期間，支撐立柱豎向位移呈一定量的上升趨勢，截至最后一次監測，各監測點位的累計變化量在14.9～33.7 mm之間，最大累計變化量為33.7 mm，產生在LZ9號監測區域。可以明顯看出，緊鄰二區的監測點LZ9在一區土方開挖完成后，2014年12月3日—2015年1月14日期間豎向位移產生較大變化，累計變化量為11.1 mm。

圖6為二區自第一次觀測至土方開挖完成期間各監測點的累計變化量，在19.1～24.4 mm之間，最大累計變化量為24.4 mm，產生在LZ13號監測區域；在進行基坑墊層、底板、地下結構、支撐拆除等施工作業期間，支撐立柱豎向位移呈一定量的上升趨勢，截至最后一次監測，各監測點位的累計變化量在20.0～25.3 mm之間，最大累計變化量為25.3 mm，產生在LZ13號監測區域。

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結合土方開挖工期及工況分布，對上述監測數據進行分析和總結。

1）分區土方開挖對格構柱豎向位移的影響。隨著基坑內土方開挖深度的增加，基坑內土體卸載造成基坑坑底隆起，支撐立柱出現上升趨勢；隨著基坑墊層、底板及地下主體施工期間荷載的不斷增加，上升趨勢逐漸減弱并進入穩定期，如監測點LZ1，所處位置底板率先完成，豎向位移變化值較早進入平穩期；在基坑土方開挖及后續施工過程中，基坑支撐立柱豎向位移累計變化量較大，但相鄰格構柱之間的差異沉降量較小。應用非永久地下連續墻進行分倉施工后，在二區基坑開挖期間，隨開挖深度加大，二區基坑土應力得到釋放，坑底土體隆起對非永久地下連續墻產生向上的摩阻力，經對距離非永久地下連續墻8.57 m的LZ9點進行監測數據分析，該點位在二區進行第三步、第四步土方開挖時，豎向位移發生較明顯上浮，而距離最遠的LZ1受影響最小。由此可以驗證，分區后，后施工區域會對前施工區域格構柱豎向位移產生影響，影響程度與靠近非永久地下連續墻的距離成反比，即距離越遠，影響越小；距離越近，影響越大。

2）基礎形式及構造對格構柱豎向位移的影響。綜合圖5和圖6可知，所選格構柱豎向位移最終上浮均值保持在23.50 mm左右，但數據離散性較大。由圖5可知，LZ9為工程抗壓樁兼做立柱樁，樁內主筋的數量及直徑遠小于抗拔樁，樁底深度最深，達到-58.01 m，受土體回彈影響樁側摩阻力最大，故其豎向位移最大。由圖6可知，LZ16、LZ21為工程抗拔樁兼做立柱樁，樁內主筋的數量及直徑遠大于立柱樁，其格構柱豎向位移上浮相比立柱樁較小，直徑800 mm的工程抗壓樁兼做立柱樁LZ13與直徑1 000 mm立柱樁豎向位移接近，即樁徑對豎向位移影響不明顯。

3）內支撐及結構施工階段格構柱豎向位移影響。通過對圖5和圖6分析，結合深大基坑分倉施工工況，可明顯發現內支撐施工后，由于荷載增加，在基坑開挖周期內立柱樁間歇出現下沉現象。土方開挖完畢，由于基礎底板施工后荷載增加，格構柱豎向位移變化趨勢減緩，一定期間內出現下沉現象。

隨著支撐拆除，基坑內荷載減少，格構柱豎向位移繼續增長。結構施工階段，由于結構墻柱及梁板施工完畢后荷載增加，一定期間內出現下沉現象。即底板澆筑完成后，地下結構施工及內支撐拆除階段格構柱豎向位移交錯變化，總體變化幅度較小。

4）季節因素對格構柱豎向位移的影響。一區基坑工程施工周期為2014年7月3日—2014年10月28日，二區基坑工程施工周期為2014年9月6日—2014年12月27日。天津市雨期為每年6月初至8月底，冬期為每年11月中旬至3月中旬。雨期主要施工內容為一區的第一步、第二步土方開挖，由圖7可知，受地下水位上升影響，土中有效自重應力減少，隨坑外水頭增大，坑內外水位差增大，格構柱豎向位移變化較大。

冬期主要施工內容為二區的第三步、第四步土方開挖，分析圖7可知，一區土方開挖完成時基坑內部格構柱豎向位移均值為12.725 m，二區土方開挖完成時基坑內部格構柱豎向位移均值為21.9 m，即冬期施工期間，大氣溫度較低，土體在低溫下凍結，發生凍脹隆起現象，樁側摩阻力增大，導致冬期施工期間土方開挖引起格構柱豎向位移大于非冬期施工期間格構柱豎向位移。

圖7 一區、二區土方開挖完成時格構柱豎向位移

從上述分析可得，內支撐及結構施工、季節施工均是格構柱的豎向位移的影響因素，基礎形式及構造并未產生明顯影響，而土方開挖直接影響基坑內開挖面以下的土層隆起變形，引起樁身側摩阻力變化，立柱樁及其上部的格構柱產生明顯的上浮，即土方開挖引起的基坑隆起是影響格構柱豎向位移的主要因素。故本文接下來對格構柱位移隨開挖深度影響關系進一步分析。

7 格構柱位移隨開挖深度的數值變化與分析

本工程進行分倉設計，將超大基坑劃分為4個小基坑后，一區和二區小基坑開挖深度及開挖歷時一致，開挖面積接近。經過對施工過程數據的分析與整理，研究格構柱豎向位移隨開挖深度的數值變化，從-0.6 m標高開挖，見表8和圖8-圖9。

圖8 LZ1、LZ8、LZ9、LZ19 豎向位移監測曲線

圖9 LZ13、LZ16、LZ20、LZ21豎向位移監測曲線

表8 一區土方開挖參數

結合圖8和圖9，可以分析出如下幾個特點：

1）各區域各監測點格構柱豎向位移隨土方開挖的變化趨勢是基本一致的；

2）后期開挖區域的格構柱豎向位移變化速率普遍大于先期開挖的圍護墻。

8 結論

1）基坑土方開挖過程是土體卸載的過程，格構柱隨土方開挖上浮，上浮速率與開挖深度成正比，基坑開挖至設計面標高，進行墊層及底板施工后，格構柱豎向位移有所減緩，在基坑底板、墊層、地下結構、支撐拆除等施作業期間變化相對平緩。

2）開挖過程中應充分考慮“時空效應”，盡量縮短開挖時間、降低開挖面積，以更好的控制格構柱的豎向位移變化值。

3）基坑采用分倉施工時，先開挖基坑施工完畢后，緊鄰后開挖基坑圍護結構的摩阻力減少，后開挖基坑施工時格構柱豎向位移變化速率較快。同時后開挖基坑施工階段，分倉用臨時地連墻及先開挖基坑內鄰近格構柱上浮。

4）內支撐施工及基礎底板施工均會減緩格構柱上浮速率，甚至出現下沉現象。基礎形式及構造、地下結構施工對格構柱豎向位移無明顯影響。

5）雨期土方開挖期間，受地下水位上升影響，土中有效自重應力減少，隨坑外水頭增大，坑內外水位差增大，格構柱豎向位移變化較大，即雨期施工期間要嚴格控制地下水位標高。冬期土方開挖期間，大氣溫度較低，土體在低溫下凍結，發生凍脹隆起現象，樁側摩阻力增大，導致冬期施工期間土方開挖引起格構柱豎向位移變化較大。

6）工程樁入土深度及直徑較大，工程樁兼做立柱樁不但降低工程造價，同時有助于減少格構柱豎向位移，降低對基坑變形的不利影響。

7）軟土地區土方開挖時，基坑隆起效應明顯，為確保基坑及周邊環境安全，需加強格構柱、圍護結構的位移監測。

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