緊鄰既有建筑物的異形深基坑支護設計與施工變形控制技術

游易楚

(福州新榕城市建設發展有限公司 福建福州 350005)

0 引言

隨著我國城市化進程和社會經濟水平的不斷提高，各大城市中心城區可開發的土地資源越來越短缺，與城市公共建筑需求急劇增長的矛盾日益凸顯，導致緊鄰既有建筑的異形深基坑工程項目建設日益增多[1-4]。然而，深基坑施工極易引發周邊既有建筑產生不均勻沉降、建筑整體傾斜、周邊管網破裂等危害[5-8]，尤其是緊鄰公共建筑的深基坑，但目前其相關設計與施工技術的研究成果較少[9]，遠不能滿足現階段緊鄰既有建筑異形深基坑工程項目實踐的要求。

因此，緊鄰公共建筑的異形深基坑設計、施工與基坑變形控制技術均應進行專項的設計與分析[10-11]，如何減少和控制異形深基坑對緊鄰公共建筑的影響，成為巖土工程界當前亟待解決的一個熱點問題[14-15]。

基于此，本文以某緊鄰既有建筑的異形深基坑工程項目為背景，將動態設計與信息化施工相結合，對緊鄰公共建筑的異形深基坑設計與施工技術進行系統性總結，在對項目監測數據系統分析的基礎上，研究不同施工階段基坑內地下水位、支撐軸力及基坑周圍監測點沉降和水平位移隨時間的變化規律，及其對緊鄰既有公共建筑物沉降與傾斜的影響。

1 工程概況

福州市某醫院新建病房綜合大樓總用地面積2504.2m2，設3層地下室，基坑承臺墊層底標高為-12.80～-17.45m，最大開挖深度17.25m，即最大埋深17.25m，基坑周長約215m，面積約2294 m2，整體平面形狀如圖1所示。深基坑四周均緊鄰醫院內既有建筑，基坑陽角兩側均緊鄰23.9m高的醫院內部建筑，其中西側為門診樓(砼5～6，樁基礎，樁長約15m，距離約4m)；南側為病房樓(砼8F，樁基礎，樁長約15m，距離約4m)，基坑典型支護剖面如圖2所示。

場地內土層及厚度，自上而下依次為：(1)雜填土4.8m；(2)淤泥3.4m;(3)花崗巖殘積砂質粘性土13.4m；(4)全風化花崗巖10.2m；(5)砂土狀強風化花崗巖4.8m；(6)中風化花崗巖。

圖1 基坑支護平面布置圖

(a)-17.25m

(b)-15.50m圖2 緊鄰門診樓基坑支護剖面圖

場地地下水有兩種類型：表層潛水和基巖裂隙中的承壓水。勘察期間測得鉆孔孔內初見水位埋深距離現地表1.10m～2.10m(標高7.34m～7.50m)，穩定水位埋深距離現地表0.90m～1.80m(標高7.58m～ 7.82 m)，地下水的變化幅度(3～5年)0.50m～1.00m。場地(3～5年)年最高水位(標高) 為8.50m；歷史最高水位(標高) 9.00m。

2 基坑設計方案

2.1 基坑支護形式

根據異形基坑開挖深度、周圍環境、水文地質及工程地質條件，該工程基坑支護形式采用排樁+3道內支撐，坑內局部承臺超挖部分，根據開挖后的地質情況，采用1∶1～2.5自然放坡支護。

支護樁采用咬合樁，鋼筋混凝土灌注樁樁徑1100 mm，素混凝土樁樁徑800 mm，鋼筋混凝土灌注樁混凝土強度等級為C30水下混凝土，素混凝土樁混凝土強度等級為超緩凝C20水下混凝土，兼顧擋土與止水雙重功能，圍護樁間采用C20噴射砼面板。

2.2 基坑及邊坡的集水明排體系

咬合灌注樁不僅有效地確保圍護結構的受力及變形控制要求，同時也起到了止水及止泥的有利作用。

根據地下水埋藏條件及地質情況，該工程采用明溝排水方案：(1)基坑坡頂四周應設截(排)水溝，坑內設置排水盲溝，于基坑陰角或每隔50 m設置坑內集水井；(2)基坑內分層開挖時，設坑內臨時排水溝及集水井；(3)在冠梁頂原自然地面設置四周明溝排水；(4)水均自然(抽)排至沉淀池后，集中抽送至市政排水系統中。

2.3 針對性保護措施

為保證基坑施工的安全性和緊鄰建筑物的正常使用，針對緊鄰既有建筑物異形深基坑特點，提出多項基坑支護設計優化方案與施工變形的控制措施：

(1)針對異形基坑陽角部位變形大特點，基坑支護方案將水平桁架支撐調整至陽角部位，并加強支撐剛度，有效控制了基坑異形部位的變形。

(2)調整桁架支撐截面尺寸，增強支撐剛度，增加截面配筋，提高截面承載力。

(3)增大基坑陽角部位圍護樁樁長，加大樁徑，加密樁間距，增加圍護樁配筋，有效提高了圍護樁抗彎、抗剪承載力。

(4)為減少基坑土體開挖對緊鄰建筑的不利影響，在基坑與既有建筑物之間增設一排6m深18#槽鋼，減少冠梁施工階段土方開挖的不利影響。

(5)根據基坑安全“木桶效應”，適當提高基坑異形部位和緊鄰既有建筑物部位的設計安全冗余度，將基坑的施工安全“短木板”轉移到基坑不利部位之外，確保整體基坑的安全性和有效性。

3 基坑監測方案

3.1 監測目的

在施工期間，對可能發生的危及基坑圍護結構及周邊建(構)筑物、管線等周邊環境安全隱患或事故，提供及時、準確的預報。掌握支護結構體、周邊建(構)筑物的變形和受力等情況，當變形超過預警要求或現場出現異常情況時及時預警，為動態設計和信息化施工第一時間提供數據支撐。

3.2 監測內容

施工過程，除對支護結構及坡頂進行變形觀測外。還對周邊的建筑物、永久性管線和市政道路進行變形觀測、深層水平位移(測斜)、地面水平位移及沉降、地下水位觀測、立柱變形、支撐軸力等。

同時，針對緊鄰既有建筑物異形基坑特點，對緊鄰既有建筑物的基坑轉角處及緊鄰建筑物增設監測點。整個項目監測點布置情況如圖3所示。

圖3 基坑監測點平面布置圖

3.3 監測預警

基坑監測數據的預警值，主要有累計值和變化速率。當基坑支護結構或周邊土體的位移值明顯增大，或基坑出現涌砂、管涌、隆起、陷落或較嚴重的滲漏等，基坑支護結構支撐體系出現過大變化、壓屈、斷裂、松馳或拔出的跡象，周邊建筑的結構部分或周邊地面出現較嚴重的突發裂縫或危害結構的變形裂縫等，監測預警則即刻發出時應報警。

4 監測結果分析與方案評價

4.1 基坑坑頂沉降與水平位移監測結果

基坑坑頂沉降與水平位移監測點沿基坑周邊布置，監測點間距不大于 20m。

基坑坑頂沉降監測時程曲線如圖4所示，從圖4中可以看出，基坑坑頂沉降監測點累計變化量為-4.01mm～3.45mm，整體發展較平穩，靠近既有建筑且較深的基坑西側部位監測點，主要為負值(下沉)；基坑東側部位監測點，最終沉降主要為正值(上浮)；表明了軟土基坑存在不同程度的隆起現象。

圖4 各監測點沉降累積變化量時程曲線圖

基坑西側緊鄰既有建筑物的基坑陽角和陰角兩側監測點的沉降監測值對比如圖5所示。從圖5中可以看出，在基坑開挖后，位于陰角角點的SJ14監測點沉降表現為負值(下沉)，角點附近各監測點沉降發展總體趨勢較為一致；隨著基坑開挖深度增大，沉降逐漸增大，但沉降發展速率和最終累計沉降量，均處于安全可控的范圍，證實了該支撐方案的有效性。

圖5 基坑陽角和陰角兩側監測點沉降累積變化量時程曲線圖

基坑坑頂水平位移監測時程曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，基坑開挖基坑坑頂水平位移監測點累計變化量為2mm～18mm，各測點說位移發展總體趨勢較為一致，其中，SJ9、SJ10、SJ5和角部的SJ13和SJ14水平位移較大，大部分在緊鄰既有建筑物附近，受基坑側既有建筑物的影響較大。

從上述分析可知，緊鄰基坑既有建筑是影響整個異形基坑坑頂沉降和水平位移的重要因素；同時，整個基坑尤其是基坑緊鄰既有建筑物的異形部位的坑頂沉降和水平位移，整體控制較好，且沿基坑線上分布也較均勻。這種現象側面反映了緊鄰建筑物區域采取的針對性加強措施是有效的。

圖6 各監測點水平位移累積變化量時程曲線圖

圖7 SJ1～15監測點累積變化量(mm)

各基坑坑頂水平位移監測點的累計變化量如圖7所示。從圖7中可以看到，各監測點水平位移累積變化量為2mm～18mm，累計變化量最大的點為SJ9(18mm)，累計變化量均未超過預警值。

4.2 支撐軸力監測結果

監測點設置在支撐內力較大或者在整個支撐系統中，起控制作用的桿件上各支撐軸力監測點時程曲線如圖8所示；各層支撐軸力最終監測值如圖9所示。從圖9中可以看出，各支撐軸力監測值較大的依次為ZL6-2、ZL1-2、ZL2-2，均位于第二道支撐，其中ZL1-2位于基坑西側角部支撐，為各角部支撐中的最大值；基坑異形陽角部位支撐未出現較為不利的支撐軸力，驗證了該方案在支護體系設計中提高了基坑異形部位設計安全冗余度措施的有效性。

圖8 各層支撐軸力監測點時程曲線圖

圖9 各層支撐軸力最終監測值(kN)

支撐軸力監測點最終受力為-1353.6～8704.2 kN，支撐軸力最終受力最大的點為ZL6-2(8704.2 kN)。可見，監測期間支撐軸力監測點均未超過預警值。

4.3 基坑緊鄰建筑沉降分析

緊鄰基坑陽角處的門診樓和病房樓沉降監測點F12和F13的監測數據如圖10所示。從圖10中可以看出，F12-9監測點沉降曲線特異性強，其累計變化量為-49.41mm，該點變化較大的主要可能原因為高壓旋噴樁施工引起土體擾動，導致藥房產生明顯沉降，后續高壓旋噴樁達到強度要求，藥房處沉降逐漸呈收斂狀態，基坑開挖過程沉降未出現明顯加劇變化。因此，在基坑開挖過程中，兩棟緊鄰基坑的既有建筑的沉降整體控制較好，側面證實了緊鄰建筑物區域采取針對性加強措施的重要性。

圖10 緊鄰基坑的既有建筑物監測沉降累計值時程曲線圖

圖11 基坑周邊建筑沉降監測點累積變化量(mm)

基坑周邊建筑各沉降監測點的累計變化量如圖11所示。從圖11中可以看到，各監測點沉降累積變化量范圍為-49.41～3.15mm，除F12-9樁體施工引起土體擾動，導致基坑開挖前發生較大沉降外，均在基坑開挖期間較為穩定。

4.4 基坑周邊地表與管線沉降監測點數據分析

基坑周邊地表與管線沉降D10～D16監測點，位于緊鄰既有建筑的基坑部位，各監測點沉降累計點變化量的時程數據如圖12所示。從圖12中可以看到，各監測點沉降的整體發展趨勢一致，基坑周邊地表與管線沉降監測點累計變化量為-11.91 mm～0.27 mm，累計變化量最大的點為D12(-11.91mm)位于基坑南側中部位置，其最不利位置未出現在基坑緊鄰既有建筑物的異形部分，說明了該方案采取的針對性技術措施的有效性。

圖12 D10～D16累積變化量時程曲線圖

緊鄰基坑的既有建筑物各監測點傾斜度如圖13～圖14所示，從圖13～14中可得，傾斜監測點傾斜度范圍為-2.89～2.64%，傾斜度最大的監測點為監測QX8(-2.89%)，向南傾斜。監測期間，傾斜監測點未出現明顯異常加劇變化，變化情況相對穩定。

圖13 基坑緊鄰建筑物監測點東西向傾斜度(%)

圖14 基坑緊鄰建筑物監測點南北向傾斜度

4.5 基坑深層水平位移監測結果評價

由圖15可知：深層水平位移監測點(CX1～CX8)被破壞時的最大累計變化量為4.32 mm～22.20 mm，累計變化量最大的點為CX1(22.20 mm)，所在深度為12.5 m。監測期間，深層水平位移監測點累計變化量均未超過預警值。

圖15 各基坑深層水平位移監測點監測結果

綜上所述：基坑坑頂位移、支撐軸力、基坑立柱、基坑深層水平位移監測結果，均較好反映了該基坑支護體系及專項施工措施的安全性和有效性。

5 結論

本文針對緊鄰既有建筑物的異形深基坑支護體系設計方案、施工方案及監測方案進行詳細介紹，提出了多項設計及施工專項技術措施，并基于基坑監測數據分析得出以下結論：

(1)針對緊鄰既有建筑物異形基坑工程的特點，優化了基坑支護體系設計及施工方案，提出了多項基坑變形控制技術，并通過對基坑施工監測數據的系統分析，證實了該方案對于緊鄰既有建筑物異形基坑工程的安全性和有效性。

(2)根據監測成果的對比分析與定量分析，該基坑項目變形控制的要點為：基坑西側部位的沉降、軟土部位的隆起，以及第二道支撐的軸力，采用高壓旋噴樁施工的部位沉降位移。

(3)緊鄰的既有建筑物對異形基坑的安全性影響較大，基坑設計及施工過程針對性地采取的系列措施，有效提高了該部位設計安全冗余度，加強施工監測，并采用動態設計與信息化施工方法提高基坑安全度。

(4)綜合采用加強異形基坑陽角部位的支撐剛度、提高桁架支撐的截面承載力和圍護樁的抗彎抗剪承載力等多項技術方案，可較好控制異形基坑緊鄰既有建筑物部位的施工變形，較好實現基坑安全“木桶短板”的轉移。

(5)咬合樁施工工藝試樁、土方開挖保護措施和支撐體系合理的施工及其科學的拆除順序，對緊鄰既有建筑物的異形基坑安全尤為重要，是實現基坑施工安全的必要條件。