考慮“拱效應”的圓形基坑支護結構現場監測試驗分析

羅 輯，屠 越，顧衛兵

(國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇南京 210000)

基坑工程作為一切建筑工程的基礎，其重要地位愈加顯著。圓形支護作為一種特殊的基坑支護類型，具有明顯的空間“拱效應”，能夠將圍護結構受到的土壓力轉化為環向應力，減弱支護結構的變形。基坑監測[1-4]包含支撐內力和基坑變形兩大類，所獲得的監測數據可以判斷基坑的安全程度。在圓形支護結構受力變形研究中，Tan[5]等對上海大直徑圓形深基坑進行監測，發現隨著基坑的開挖，支護結構所受應力增加，當開挖至基坑底部時，圍護結構應力達到最大值。宋青君[6]等通過分析監測數據發現圓形地下連續墻的徑向位移明顯小于同等條件下的條形地下連續墻的側向位移。劉春源[7]等對軟弱土層的地下連續墻進行監測，發現嚴格控制施工工序，是減小結構傾斜側移的最有效方法。黃海云[8]等分析環球金融中心塔樓圓形深基坑工程的監測數據，證實了100 m圓形深基坑中的“拱效應”效果依舊顯著。劉波[9]依托“上海中心”塔樓深大圓形基坑實測數據，分析了基坑施工中的受力與變形特性，發現土方開挖均勻、地面車輛荷載分布、環撐對稱是影響圓形支護結構受力與變形的重要因素。在基坑地表沉降方面，武立波[10]對圓形地連墻基坑在施工過程中的監測數據分析，發現當圓形支護結構嵌入巖石層時，其相應的側向位移與地表沉降均顯著降低。孫文懷[11]等對圓形基坑沉降監測數據進行分析，發現地表沉降主要受降水、開挖深度與施工速度的影響。

1 工程概況

本工程位于南京市江寧區將軍大道與繞越高速交叉位置，共計兩座頂管井，頂進工作井、接收井各一座，間距158 m。圓形工作井位于繞越高速南側，外徑9.0 m，內徑7.0 m，結構高為10.8 m，井壁厚0.5 m，底板厚0.6 m。圓形接收井位于繞越高速北側，外徑9.0 m，內徑7.0 m，結構高為10 m，井壁厚0.5 m，底板厚0.6 m。工作井與接收井均為鋼筋混凝土結構，采用逆作法施工。接收井采用高壓旋噴樁為止水帷幕，鉆孔灌注樁為主要的支護結構，通過內部的混凝土側墻與上部鎖口將其所有的灌注樁連接成一整體，共同構建成圓形基坑支護結構。

根據本次勘測調查結果及已有工程地質資料顯示，接收井勘探深度范圍內的地基土主要由1-2填土、2-1粉質黏土、3-1粉質黏土、3-2粉質黏土和5-1強風化泥質粉砂巖組成。具體基坑開挖與支護設計參數見圖1、表1。

圖1 接收井周圍土層剖面(單位：m)

2 現場試驗

2.1 設計方案

根據對基坑周邊環境、土質條件及開挖深度等方面綜合考慮，結合類似工程經驗，制定接收井的支護方案。

接收井外圍為直徑600 mm，水平間距400 mm，樁體搭接200 mm的高壓旋噴樁做止水帷幕，樁長為11.1 m，采用雙重管法。中間采用直徑800 mm，水平間距1 000 mm，混凝土強度等級C30的鉆孔灌注樁作為支護結構，樁長為16.0 m。支

表1 基坑開挖與支護設計參數

護結構外徑為9 m,內徑為7 m，樁頂部采用寬為1 m，高為1 m的C30鋼筋混凝土冠梁，其內部采用C30鋼筋混凝土做側墻，不設置內支撐。接收井基坑平面圖如圖2所示，接收井基坑剖面如圖3所示。

圖2 收井基坑平面(單位：mm)

圖3 接收井基坑剖面(尺寸單位：mm；高程單位：m)

2.2 監測內容

為確保工程及其周邊環境的安全，施工時從以下幾個方面進行監測：

(1)接收井樁體深層水平位移監測。

(2)接收井表面水平位移。

(3)接收井周圍表面沉降監測。

(4)基坑外地下水位監測。

根據相關測量規范，結合現場施工要求，進行監測點位的布設。如圖4所示，深層水平位移共布置了四個點：CX-1、CX-2、CX-3和CX-4，均布在圓形接收井邊上，埋設深度為16 m。在臨近基坑冠梁的邊上布置了兩個水位監測點，標號SW-1、SW-2。根據相關規范并結合現場情況，接收井表面水平位移監測點與地表沉降點共用一個測點，標號CJ-1、CJ-2、CJ-3和CJ-4。

圖4 基坑施工監測平面

2.3 監測數據分析

2.3.1 深層水平位移監測數據

對測斜點位CX-1、CX-2、CX-3和CX-4的數據進行分析，得到不同工況下灌注樁的深沉水平位移變形曲線，如圖5～圖8所示。變形曲線從下到上逐漸增大，呈現為向坑內的拋物線發展，主要表現為下面小、中間大，上面收斂的“山丘”形式。

圖5 測斜孔CX-1位移隨深度變化曲線

圖6 測斜孔CX-2位移隨深度變化曲線

圖7 測斜孔CX-3位移隨深度變化曲線

圖8 測斜孔CX-4位移隨深度變化曲線

以CX-1為例，當開挖至2.1 m時(工況1)，最大深層水平位移為0.42 mm，此時，深層水平位移并不大；開挖至5.1 m時(工況2)，最大深層水平位移為3.2 mm，樁頂的位移開始受到限制，樁頂處位移為2.4 m，兩者相差25.0 %；開挖至8.1 m時(工況3)，最大深層水平位移為5.69 mm，樁頂處位移為4.0 m，兩者相差29.7 %；開挖至11.1 m時(工況4)，最大深層水平位移為11.5 mm，樁頂處位移為7.2 m，兩者相差37.4 %。可以看出，隨著工況的增加，最大深層水平位移增長速率逐漸加快，這是土體開挖應力釋放的結果；樁頂位移的限制逐漸加大，這是冠梁“拱效應”影響的結果，可以看出，開挖深度的增加會導致圓形基坑 “拱效應” 的增強。

冠梁有效連接每根灌注樁，使灌注樁產生一定的空間約束能力，即圓形基坑的“拱效應”，有效限制了灌注樁向坑內變形。CX-1、CX-2、CX-3、CX-4的最大位移依次為11.5 mm、10.9 mm、12.6 mm、7.5 mm；CX-1、CX-2、CX-3、CX-4的頂部位移依次為7.2 mm、7.1 mm、8.1 mm、7.5 mm；由于冠梁所產生的“拱效應”使得其變形相較于最大深層位移減少了37.4 %、34.9 %、35.7 %、37.0 %，在一定程度上反應“拱效應”能有效減少圍護結構的變形。

2.3.2 表面水平位移監測數據

由圖9可以看出，表面水平位移曲線變化趨勢較為平緩，局部會出現陡峭的情況，這是正常的。當開挖深度較小時，水平位移變化不大，隨著基坑不斷開挖，變形量逐次增加，這是土體應力釋放的結果。當開挖結束后，由于施工現狀不變，導致變化又趨于平緩。總體來說，接收井表面水平位移變化不大，呈 “階梯”走勢。

圖9 CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4表面水平位移累計值隨時間變化曲線

以CJ-1為例，當開挖至2.1 m時(工況1)，最大表面水平位移為0.41 mm，開挖期間，表面水平位移變化速率最大為0.12 mm/d，變化速率不大；當開挖至5.1 m時(工況2)，最大表面水平位移為2.30 mm，開挖期間，表面水平位移變化速率最大為0.36 mm/d，變化速率是整個開挖過程最大的；當開挖至8.1 m時(工況3)，最大表面水平位移為3.33 mm，開挖期間，表面水平位移變化速率最大為0.20 mm/d；當開挖至11.1 m時(工況4)，最大表面水平位移為7.03 mm，開挖期間，表面水平位移變化速率最大為0.33 mm/d。隨著工況的增加，表面水平位移的速率先增大后減小，這與一般基坑位移發展略有不同，究其原因是隨著基坑深度的增加，冠梁產生的 “拱效應”得到加強，在一定程度上限制了表面水平位移的發展。

當工況4時CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4測點的地表水平位移最大，依次為7.03 mm、6.95 mm、8.04 mm、7.24 mm。其中CJ-1最大變化速率為0.36 mm/d，發生在工況2；CJ-2最大變化速率為0.40 mm/d,發生在工況2；CJ-3最大變化速率為0.40 mm/d,發生在工況4；CJ-4最大變化速率為0.41 mm/d,發生在工況2。以上數據遠小于其相應的監測預警值，基坑較為安全。

2.3.3 地表沉降位移監測數據

由圖10 CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4地表沉降位移累計值隨時間變化曲線，可以看出，累計沉降量呈現“階梯”型增長，當工況4時，CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4監測點的累計最終沉降量為11.41 mm、11.28 mm、12.28 mm、12.52 mm，其中CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4監測點沉降最大速率為0.68 mm/d、0.64 mm/d、0.72 mm/d、0.75 mm/d，遠小于其相應的監測預警值，并未出現較大的不均勻沉降，工程較為安全，滿足基坑使用要求。

圖10 CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4地表沉降位移累計值隨時間變化曲線

以CJ-1為例，當開挖至2.1 m時(工況1)，最大地表沉降位移為0.82 mm，開挖期間，地表沉降位移變化速率最大為0.38 mm/d；當開挖至5.1 m時(工況2)，最大地表沉降位移為2.69 mm，開挖期間，地表沉降位移變化速率最大為0.48 mm/d；當開挖至8.1m時(工況3)，最大地表沉降位移為5.05 mm，開挖期間，地表沉降位移變化速率最大為0.46 mm/d；當開挖至11.1 m時(工況4)，最大地表沉降位移為11.41 mm，開挖期間，地表沉降位移變化速率最大為0.42 mm/d。當基坑開挖至相應標高時，產生的沉降速率較大；當相應標高開挖結束時進入側墻施工時，其相應的沉降增長速率漸入緩慢。可以看出，冠梁的“拱效應”對表面水平位移影響不大，其變化規律與一般基坑相似。可能是土體應力釋放與灌注樁側移這兩部分的原因讓冠梁“拱效應”的表現作用不明顯。

2.3.4 地下水位監測數據

由圖11 地下水位SW-1、SW-2隨時間變化曲線可以看出，水位隨時間變化曲線比較平緩，SW-1測點的最大水位為-5.50 m，最大變化范圍是0.4 m，相對于初始水位最大下降了0.07 m；SW-2測點的最高水位為-3.58 m，最大變化范圍是0.32 m，相對于初始水位最大下降了0.04 m。兩測點在2019年10月16日水位均達到最大值，是13～16日三日暴雨所致。在基坑開挖的過程中，水位呈現一定的波動，總體來看，水位呈下降趨勢，但下降幅度較小，最大水位變化值小于監測預警值，可以看出本工程中的高壓旋噴樁止水效果較好。

值得注意點的是，SW-1、SW-2的水位高差將近2 m，其主要原因是SW-1地處基坑的最高地勢，而SW-2地處基坑地勢較低，這造成了兩者水位的差距。

圖11 地下水位SW-1、SW-2隨時間變化曲線

3 結 論

(1)深層水平位移曲線從下到上逐漸增大，且變化速率也逐漸增大，由于只有冠梁而沒有內支撐，曲線呈現為下面小、中間大，上面收斂的“山丘”拋物線形式。隨著工況的增加，CX-1最大深層水平位移增長速率先增大后減小，可以看出，開挖深度的增加會導致圓形基坑 “拱效應” 的增強。

(2)表面水平位移曲線變化趨勢較為平緩，局部會出現陡峭，呈“階梯”走勢，這是隨著基坑的開挖(工況1～工況4)應力釋放的結果，符合一般基坑變形規律。結合深層水平位移數據分析發現，圓形基坑變形向基坑內發展，不是完全軸對稱的，也未發生整體向某一方向傾斜。

(3)地表沉降位移曲線呈 “階梯”形式平緩增加，當基坑開挖時，其變化速率增大，隨著基坑開挖深度的增加，土的應力釋放得到加強，同時灌注樁的側移也會使得地表沉降進一步的發展。各測點的最終沉降值基本相當，并未出現不均勻沉降，當基坑停止開挖時，其累計沉降量逐漸趨于平緩并不再增加。

(4)水位變化曲線走勢較為平緩，總體來看，水位呈下降趨勢，但下降幅度較小。相應測點的最大變化范圍均在0.5 m之內，符合相關要求。本工程中的高壓旋噴樁止水效果較好。