超期服役基坑再開挖的監(jiān)測分析

張鑫全

(中鐵城建集團有限公司總承包分公司 湖南長沙 410000)

1 引言

隨著城市建設(shè)快速發(fā)展，超高層建筑越來越多，超高層建筑的基坑開挖深度不斷加深，由此造成鄰近建筑物和基坑周邊地面下沉并引起事故的案例不斷增多。基坑開挖是一個卸荷過程，在深基坑工程中，開挖深度越深，其應(yīng)力釋放和開挖降水對基坑周邊土體不均勻沉降影響越大。對于基坑工程的風險控制與監(jiān)控量測分析，許多專家學者都進行了研究。胡湘貴[1]提出了一些對深基坑施工進行質(zhì)量控制的對策；黃友發(fā)[2]探討了深基坑臨近既有線近接施工技術(shù)，提出了相應(yīng)的處理措施；黃喜雄[3]以某深大基坑超期使用為基礎(chǔ)，進行了支護技術(shù)的研究；李亮輝[4]以近接地鐵隧道深基坑工程為例，分析了其設(shè)計與工程實踐；馬德云等[5]分析了超期深基坑對周邊建筑物的沉降影響；胡友建等[6]則提出了對深基坑工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理及預(yù)測報警系統(tǒng)；劉杰等[7]對地鐵車站基坑圍護結(jié)構(gòu)進行了變形監(jiān)測與數(shù)值模擬。基坑支護超過設(shè)計使用年限，再開挖需考慮基坑超期服役帶來的工作性能下降，則需對該基坑支護結(jié)構(gòu)的支護性能、周圍建筑物、道路、深埋管道、電纜等進行有效的監(jiān)測、評估分析。本文在參考吳銘炳[8]、安關(guān)峰[9]、宋建學[10]、姜忻良[11]等人相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上，對其進行監(jiān)測分析，并提出相關(guān)建議。

2 工程概況和地質(zhì)條件

2.1 工程概況

該工程位于湖南省長沙市芙蓉區(qū)韶山路與解放東路交匯處，由一棟塔樓、五層裙樓及車庫組成。塔樓地上35層，高度201.80 m，地下4層。地下室外輪廓周圍長310 m，基坑開挖深度為19～26 m。基坑土體為遇水軟化的紅壤典型土體，水穩(wěn)性差。基坑西側(cè)與韶山北路地下通道出入口距離5 m；南側(cè)與高度100 m的湖南大劇院外墻距5.4 m；東側(cè)支護樁上為項目3層板房，間隔4 m消防通道為溫莎KTV；北側(cè)緊鄰解放東路，文藝路口公交站臺僅3 m；基坑西側(cè)、北側(cè)、東側(cè)均埋有天然氣管道、電力管線、弱電管線、上下水管道及軍用光纜。基坑位置與周圍關(guān)系如圖1所示。

圖1 湖南文化廣場基坑和湖南文化大廈的位置關(guān)系

2.2 場地地層

該場地內(nèi)各土層工程地質(zhì)巖土特性參數(shù)詳見表1。

表1 土層參數(shù)

2.3 水文條件

場地內(nèi)地層除圓礫③為強透水層外，其余地層均為弱透水層。按受環(huán)境類型影響評價，場地環(huán)境類別為Ⅱ類；按受地層滲透性影響評價，場地內(nèi)地下水水質(zhì)及土質(zhì)在強透水性地層中對混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性，在弱透水性地層中對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性；場地內(nèi)地下水水質(zhì)及土質(zhì)對鋼筋混凝土中的鋼筋具微腐蝕性。

3 監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測概況

本基坑于2014年9月份開工，2014年12月完成支護樁、冠梁施工，2015年1月開始進行土方開挖，于2015年10月停工，此時錨索施工完成60%左右，土方施工完成60%左右。2017年2月28日，該基坑工程又重新復工。參考劉勇[12]、羅康[13]等人對基坑工程超期檢測鑒定分析，對于該項目的監(jiān)測貫穿該基坑的整個開挖施工、停工、復工直至完工的時期。有許多監(jiān)控項目和大量數(shù)據(jù)收集。本章節(jié)中僅列出了部分具有代表性的點位樁身變形和基坑周邊沉降的監(jiān)測結(jié)果。

3.2 監(jiān)測項目

基坑監(jiān)測項目內(nèi)容主要包括：(1)支護結(jié)構(gòu)頂部水平位移、沉降；(2)鄰近建(構(gòu))筑物沉降監(jiān)測；(3)地下管線位移監(jiān)測；(4)錨索拉力監(jiān)測；(5)支護結(jié)構(gòu)深層水平位移監(jiān)測；(6)基坑外地下水位監(jiān)測。

3.3 監(jiān)測儀器

為保證測量精度，采用如下儀器設(shè)備進行本項目的監(jiān)測工作，具體見表2。

表2 監(jiān)測儀器、設(shè)備配置

3.4 監(jiān)測點布置

監(jiān)測點平面布置圖及基坑監(jiān)測規(guī)定情況見圖2和表3。

圖2 監(jiān)測點布置

表3 基坑變形監(jiān)測

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 復工前的監(jiān)測結(jié)果

(1)2017年4月9日位移觀測中共觀測5個點，累計變化最大點為東側(cè)冠梁A39觀測點，累計變化為+23.7 mm，階段變化速率最大點為A39觀測點，變化速率為+1.10 mm/d。

(2)2017年4月9日沉降觀測32個點，發(fā)現(xiàn)階段性變化速率最大點為A38，變化速率為+0.374 mm/d。

(3)2017年4月9日地下水位觀測2個點，其中有1個點處于報警狀態(tài)：基坑東南角H003監(jiān)測點累計變化-2 175 mm＞控制值1 200 mm。

(4)2017年4月9日深層水平位移觀測3個測孔(120點)，累計變化最大點為基坑北側(cè)D004觀測點，累計變化+12.6 mm，階段性變化速率最大點為D001，變化速率-0.90 mm/d。

(5)2016年12月17日對基坑支護錨索進行二次檢測，共抽檢30根錨索，軸向抗拔值均能達到設(shè)計要求。

監(jiān)測結(jié)果表明，地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)存在異常變化，需加強關(guān)注。

4.2 開挖基本完工時的監(jiān)測結(jié)果

4.2.1 徑向位移監(jiān)測結(jié)果及分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，只有A46監(jiān)測點徑向位移超控制值，A46監(jiān)測點(基坑西側(cè)冠梁處)徑向位移隨時間變化的曲線見圖3。其最大累計變形量為+30.2 mm，超控制值(25 mm)。根據(jù)位移圖，第10月～第12月，監(jiān)測點的位移速率較大，第18月之后位移量較小。

圖3 A46監(jiān)測點徑向位移曲線

4.2.2 沉降結(jié)果及分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，A30監(jiān)測點(基坑東側(cè)地下管線處)累計沉降值最大，為-11.95 mm，未超過控制值(25 mm)。根據(jù)沉降曲線圖，第27月之后，該監(jiān)測點的沉降量逐漸增大。A30監(jiān)測點沉降曲線見圖4。

圖4 A30監(jiān)測點沉降曲線

4.2.3 地下水位結(jié)果及分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，位于基坑東南角的H003監(jiān)測點地下水位累計變化量最大，其最大累計變化量為-3 020 mm，超控制值(1 200 mm)。該監(jiān)測點地下水位變化情況見圖5。根據(jù)變化圖，第10月該測點地下水位累計變化量已超控制值，第29月，地下水位累計變化量直線上升為-3 000 mm，之后的地下水位變化量幾乎不變。

圖5 H003地下水位曲線圖

4.2.4 深層水平位移結(jié)果及分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，位于基坑北側(cè)的D004監(jiān)測點(深度3.00 m處)深層水平位移累計變形量最大，其最大累計變形量為+14.6 mm，未超控制值(20 mm)。該監(jiān)測點深層水平位移曲線見圖6。根據(jù)曲線圖，該測點3.00 m深度處的深層水平位移達到最大值。

圖6 D004監(jiān)測點深層水平位移曲線

4.2.5 拉力結(jié)果及分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，位于基坑西側(cè)第一道腰梁上的L101監(jiān)測點拉力累計變化量最大，其最大累計變化量為+28.297 kN，未超控制值(255.2 kN)。該監(jiān)測點拉力變化曲線見圖7。根據(jù)曲線圖，第6月后，該測點的拉力變化量基本保持不變。

圖7 L101監(jiān)測點拉力曲線圖

5 監(jiān)測結(jié)果分析

5.1 基坑支護樁樁頂水平位移監(jiān)測結(jié)果及分析

基于對基坑四周各位置特征點的全面分析和對所選的監(jiān)測點的數(shù)據(jù)完整性的考慮，本節(jié)選取基坑東南西北側(cè)支護樁樁頂各一處監(jiān)測標志點進行列舉和分析，其點號分別為A38、W2、A46、A35。

圖8為基坑東南西北側(cè)方向的支護樁中間樁頂位置的各一監(jiān)測點的水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，從圖可以看出，基坑在停工前的開挖階段、停工期間和復工后的開挖階段，三個階段中各位置的基坑支護樁樁頂水平位移隨著時間不斷發(fā)展。

圖8 基坑東南西北側(cè)支護樁樁頂水平位移隨時間變化示意(從基坑外朝向基坑內(nèi)為正)

在停工前的開挖階段，隨著時間增長，樁頂水平位移最大值在基坑東側(cè)，值為6.6 mm；在停工期間，增幅最大處為基坑西側(cè)位置，最大增幅為420%，其水平位移值達到了27 mm，已經(jīng)超過預(yù)警限值；到復工后的開挖階段，除了基坑北側(cè)點位未進行監(jiān)測之外，其他各點的增長速率經(jīng)過前面停工階段后期的平穩(wěn)之后，又有了大幅度的提升。其中A46測點處位移超限。

5.2 基坑外側(cè)地面沉降監(jiān)測結(jié)果及分析

基于對基坑四周各位置特征點的全面分析和對所選的監(jiān)測點的數(shù)據(jù)完整性的考慮，本節(jié)選取基坑外側(cè)東南西北方向地表或地下管線位置各一處監(jiān)測標志點進行列舉和分析，其點號分別為A28、A3、A4、A23。

圖9為基坑外側(cè)東南西北方向的地表或地下管線位置的各一監(jiān)測點的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，從圖可以看出，基坑在停工前的開挖階段、停工期間和復工后的開挖階段，三個階段中基坑外側(cè)土體各位置的沉降隨著時間不斷發(fā)展。

圖9 基坑外東南西北側(cè)地面沉降隨時間變化示意

在停工前的開挖階段，所選的四處監(jiān)測點位的沉降隨著開挖的進行都有著各自的波動變化，在該階段中各點總體的沉降變化值不大；在停工期間，基坑的停工階段中其外側(cè)土體的沉降仍有一定的變化，增幅最大處為基坑東側(cè)，最大增幅為2 638%；到復工后的開挖階段，各監(jiān)測點的增長隨著開挖又有了短期大幅度的提升，但隨之其沉降又逐漸減小，最終趨于平穩(wěn)。

5.3 基坑支護樁深層水平位移監(jiān)測結(jié)果及分析

本項目對基坑支護樁深層水平位移的監(jiān)測一共布設(shè)了三個測點D1、D3、D4，分別位于基坑的西、東、北側(cè)，本節(jié)選取這三個監(jiān)測標志點在停工時、復工時和開挖完成時三個時期的深層水平位移進行列舉和分析。

圖10為基坑東西北側(cè)方向的支護樁各一位置的監(jiān)測點深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，從圖可以看出，基坑在停工前的開挖階段、停工期間和復工后的開挖階段，三個階段中基坑支護樁各位置的水平位移隨著時間不斷發(fā)展，除了基坑北側(cè)的D4測點由于支護樁-8～-10 m處由于腰梁上預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)應(yīng)力過大而使樁體在中部向基坑外側(cè)變形，基坑西側(cè)和東側(cè)的D1、D3測點的支護樁呈現(xiàn)典型的懸臂樁變形特征。

圖10 基坑東西北側(cè)支護樁深層水平位移變化示意(從基坑外朝向基坑內(nèi)為正)

在停工前的開挖階段，三處測點的支護樁的深層水平位移都大致呈支護樁上部大而下部小的狀態(tài)，D1、D3、D4測點的支護樁的最大水平位移分別為5.7 mm、3.8 mm、8.5 mm；在停工期間，三監(jiān)測點的樁體水平位移變形最大位置基本保持不變，而水平位移的數(shù)值都有一段大幅度的增長，其中增幅最大處基本發(fā)生在支護樁的樁頂部分，沿支護樁從上至下增幅逐漸減小，D1、D3、D4測點的最大變形增量分別為2.9 mm、4.6 mm、4.8 mm，最大增幅達到了121%；到復工后的開挖階段，各點的深層水平位移仍有小幅度的增長，主要表現(xiàn)在樁頂位置，但增長的幅度不大，說明土體在長時間的固結(jié)中變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，在有效的支護條件下，再開挖對土體擾動所產(chǎn)生的位移較小。

6 結(jié)論及監(jiān)測建議

6.1 結(jié)論

(1)基坑在停工前的開挖階段、停工期間和復工后的開挖階段，三個階段中基坑各位置的支護樁樁頂水平位移、樁體深層水平位移以及基坑外土體的沉降都隨著時間而不斷發(fā)展，在基坑的施工全過程中支護樁的最大水平變形為29.6 mm，已經(jīng)超過了最大限值25 mm，基坑外土體沉降最大量為11.44 mm，小于最大限值20 mm。

(2)在停工前的開挖階段，基坑支護樁樁頂?shù)乃轿灰啤扼w的深層水平位移隨著開挖的進行而增大，支護樁的水平位移最大值基本都發(fā)生于樁頂附近，該階段中基坑外側(cè)土體的沉降波動較大，期間存在沉降值增大后又回彈的現(xiàn)象。

(3)在停工期間，支護樁的水平位移變形最大位置基本保持不變，而水平位移的數(shù)值都有一段大幅度的增長，其中增幅最大處基本發(fā)生在支護樁的樁頂部分，沿支護樁從上至下增幅逐漸減小。總體而言，基坑雖然進入了停工階段，但其支護樁的水平位移和基坑外側(cè)土體的沉降仍有明顯的增大，支護樁水平位移最大增幅達到了420%，基坑外土體沉降最大增幅達到了2 638%，所以對于超期服役基坑的停工階段需重點關(guān)注。

(4)在復工后的開挖階段，支護樁的水平位移在經(jīng)過前面停工階段后期的平穩(wěn)之后，隨著基坑再開挖，其變形速度又開始增大，但整體的增幅不大，其增長幅度最大處發(fā)生在樁頂位置。同時在該階段中，前期基坑外側(cè)土體的沉降也有短期大幅度的提升，但隨之其沉降又逐漸減小，最終趨于平穩(wěn)。

6.2 監(jiān)測建議

依據(jù)《基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50497-2009)對該施工項目進行有效及時的監(jiān)控量測，以便有效地指導施工，使設(shè)計單位和施工單位能夠根據(jù)監(jiān)測結(jié)果檢驗設(shè)計和施工是否能夠滿足基坑工程周邊既有結(jié)構(gòu)變形控制標準，以便及時修改設(shè)計，避免事故的發(fā)生。

(1)主要監(jiān)測內(nèi)容：

圍護結(jié)構(gòu)水平及豎向位移；周邊建筑物位移變形及裂縫；地下水位；支撐軸力；周邊地下管線變形；周邊地表沉降；基底隆起。

(2)監(jiān)測點布設(shè)原則：

監(jiān)測點應(yīng)布置于特征點位，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，在發(fā)生較大變形部位增設(shè)測點；主要影響區(qū)內(nèi)監(jiān)測點間距不大于10 m，特殊情況下適當加密；在文化大廈北側(cè)靠近基坑位置的地下室結(jié)構(gòu)部分及地面部分應(yīng)布有監(jiān)測點。

(3)監(jiān)測頻率：

結(jié)構(gòu)監(jiān)測應(yīng)貫穿于基坑開挖及施工作業(yè)的全過程，直至回填完成且監(jiān)測數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定后方可結(jié)束，在開挖施工作業(yè)重要工序施工期間不宜低于1次/1～2 d。必要時應(yīng)采取自動化監(jiān)測。

(4)監(jiān)測成果按黃色、橙色和紅色三級預(yù)警進行管理和控制。