大型基坑開挖支護方案設計及施工期穩定性監測研究

趙 媛

中煤長江基礎建設有限公司 江蘇 南京 210046

21世紀以來，隨著土地資源愈發緊張，現代建筑越建越高，因此也帶來了基坑越挖越深的連鎖反應，同時復雜的周邊環境也帶來更多的不確定因素，支護結構也越來越多樣化。現代高樓深基坑的開挖有效開發了地下空間，由于地域和基坑場地、周邊環境的不同，使得基坑支護類型的選擇也各不相同，國內外專家對此的研究成果也頗為豐富[1-4]。

丁智等[5]對杭州地鐵新塘路、景芳路交叉口工程深基坑進行穩定性分析，數據表明深基坑的開挖對地下連續墻等圍護結構、基坑地下水位以及周邊環境均有不同程度的影響。

尹利潔等[6]綜合考慮車站周邊環境、工程地質以及水文條件，對蘭州地鐵雁園路站深基坑進行支護結構穩定性分析，研究發現基坑開挖過程中各段地下連續墻產生不同程度的沉降差，沉降差值過大會影響冠梁及整個內支撐體系的安全。

葉帥華等[7]以蘭州市某復雜環境下深大基坑工程為案例，分析基坑開挖過程中基坑變形性狀和基坑開挖對鄰近建筑的影響，建議設計時應當綜合考慮基坑支護結構、基坑周圍土體和鄰近建筑三者的相互影響。

趙立中等[8]通過觀測實時監測數據，結合灰色模糊分析法和回歸分析法對基坑支護結構破壞進行預報。

目前研究的主要方向都是支護結構監測穩定性，對基坑開挖分層穩定性分析的研究還較少。本文基于江蘇某電力公司基坑支護工程，對基坑開挖前支護結構設計進行分層穩定性分析，同時對整個施工過程中的支護結構進行實時監測，具體研究基坑開挖支護結構的穩定性。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況及周邊環境

本工程基坑圍護由江蘇省某勘測有限公司設計，位于南京市建鄴區河西新城科技園內，北鄰奧體大街，東鄰云臺山路，西鄰嶗山路。該工程地下室為2層，絕對標高8.65 m，面積約22 200 m2，周長約600 m，長約170 m，寬約135 m。

根據相關設計文件，地下室1層底板面標高－7.50 m，地下室2層底板面標高－12.00 m，底板厚800 mm，承臺厚1 800 mm，故基坑開挖面標高為－13.90 m。現自然地面為－1.40 m，基坑實際挖深12.50 m。基坑東、西及北側鄰近城市道路，地下管線密集，需考慮有效的支護措施以控制基坑四周道路及地下管線的變形。

1.2 地質條件

該地段的地基巖土上部主要由第四系全新統堆積的人工填土、沖積土層和第四系上更新統沖積土層組成；下部由白堊系上白堊統砂質泥巖組成。按照地基巖土的組成、埋藏條件及其物理力學性狀，在本地段勘探深度范圍內可將地基巖土劃分為11個巖土體單元，依次是①雜填土、②粉質黏土、③淤泥質粉質黏土、④粉質黏土夾粉土、⑤粉土夾粉砂、⑥粉細砂夾粉土、⑦粉細砂、⑧粉細砂、⑨卵石、⑩砂質泥巖、11砂質泥巖。

根據南京地區水文地質普查資料、水文地質試驗成果和鄰近工程的勘察結果，結合含水層的性質和地下水的埋藏條件，地下水類型主要為上部第四系松散層中的孔隙潛水、孔隙微承壓水和深部基巖中的裂隙型潛水（以構造裂隙水為主）。

上部孔隙潛水主要賦存于①層～④層，水位變化主要受地表給排水和大氣降水的影響，呈季節性變化，除雜填土外，上部地基土層主要表現為弱透水性；孔隙微承壓水主要賦存于⑤層～⑨層，與長江有水力聯系。深部的基巖裂隙水主要賦存于⑩層、11層，一般水量較小，埋藏較深，對工程建設基本無影響。

特別要注意的是，基坑開挖深度范圍內的土有較厚層的流塑狀淤泥質粉質黏土，土質較差，設計時需考慮采用適當的擋土結構，有效控制土方開挖過程中基坑的變位。

2 深基坑支護方案設計

本工程基坑開挖深度較深，荷載效應較大，周邊環境對變形控制要求很嚴格，“樁-撐-錨”組合支護結構可滿足上述要求，樁選取鉆孔灌注樁，可充分利用其剛度較大的特點，達到變形控制的目的。另外，鉆孔灌注樁加止水帷幕施工工藝成熟，施工速度快，施工質量容易得到保證。故本設計推薦采用此工藝。基坑四周圍護結構采用φ1 300 mm@1 500 mm的鉆孔灌注樁作為擋土結構（圖1），根據基坑的平面形狀，基坑四周采用邊桁架，中部采用對撐的形式。支撐的豎向布置采用2道混凝土支撐。考慮到周邊建筑物、道路管線情況及土方開挖量，樁頂冠梁標高為－3.00 m，一道混凝土支撐中心標高設置為－3.40 m。第2層支撐位置綜合考慮土方開挖（挖掘機施工凈空＞4.0 m）、主體結構施工以及拆撐工況等因素，確定支撐中心標高為－8.40 m。

圖1 支護結構平面示意

該支護方案有效地將“排樁內支撐”和“排樁預應力錨桿”這2種支護結構結合在一起，在原有基礎上不僅提高了支護結構的抗變形能力，而且加大了基坑的開挖深度。“樁-撐-錨”組合支護結構中，內支撐具有較強的控制變形的能力，預應力錨桿可以為基坑施工提供較大的作業空間，同時具有一定的抵抗變形的能力[9-10]。

3 支護結構穩定性計算及監測數據分析

3.1 穩定性計算條件

1）根據本基坑的周邊環境要求及開挖深度確定本工程側壁安全等級取一級，重要性系數取1.1。

2）坑外迎土面的土壓力取主動土壓力，開挖面深度以下的土壓力按矩形分布取用。坑內開挖面以下背土面的土壓力取被動土壓力。

3）土的內摩擦角、黏聚力等均采用勘察報告提供的固結快剪指標。根據周邊項目抽水試驗數據，粉土、粉砂層滲透系數按6.0 m/d取值，并按此參數進行降水井設計。

4）按照朗肯土壓力計算理論作為土側向壓力設計的計算依據。計算時不考慮支護結構與土體的摩擦作用，且不對主、被動土壓力系數進行調整，僅作為安全儲備處理。考慮地下室外墻防水施工作業面，基坑內以地下室外墻線為準外延不小于1.5 m作為基坑支護結構的內邊界。

3.2 設計計算結果分析

本工程基坑支護設計的計算，采用北京理正基坑支護結構設計軟件F-SPW，嚴格按照DGJ 32/J—2005《南京地區建筑地基基礎設計規范》、JGJ 120—1999《建筑基坑支護技術規程》中的有關基坑支護結構設計要求和標準進行。

基坑第1輪開挖深度至2.5 m，然后加1號支撐，內撐水平間距1.5 m、豎向間距2 m，第2輪開挖至7.5 m，隨后加2號支撐，內撐水平間距1.5 m、豎向間距5 m，第3輪開挖至12.5 m，此時開挖位置達基坑底部。在基坑深度10.6 m處增設剛性鉸，拆除2號內撐；在基坑深度6.1 m處增設剛性鉸，拆除1號內撐。上述工況的土壓力、位移、彎矩及剪力均通過理論計算繪制成圖，如圖2～圖6所示。

圖2 基坑開挖至2.5 m處及加支撐1受力

圖6 拆撐1過程受力

由圖2、圖3及圖4對比分析可知，隨著基坑開挖深度的不斷增加，土壓力也在逐漸增加，整體結構最大位移則體現在不同的土層中。基坑開挖深度為2.5 m時，最大位移發生在1.6 m處，峰值達到5.08 mm；基坑開挖深度為7.5 m時，最大位移發生在5 m處，最大值為11.75 mm；基坑開挖至坑底時，最大位移大約發生在9 m，最大值達到21.24 mm。由上述數據分析可知，隨著基坑開挖深度的增加，最大位移位置也在相應變化，但均大約在基坑開挖深度的2/3處。

圖3 基坑開挖至7.5 m處及加支撐2受力

圖4 基坑開挖至12.5 m處及加剛性鉸受力

同樣，隨著基坑開挖深度的增加，整體結構最大彎矩的數值也在相應增大，產生最大彎矩及最大位移的位置大致一致。從圖2～圖4中的剪力圖可知，最大剪力均發生在排樁支護結構的中下層。可能的原因在于：本工程區別于地下連續墻結構，采用鉆孔灌注樁，支護結構整體剛度較大，能有效控制變化量。

由圖4、圖5所得數據分析可知，基坑開挖完成后，拆撐2時排樁支護整體受力無較大變化，可能的原因在于：基坑開挖至底部以及拆撐2時均設置了剛性鉸，增強了結構的整體性。但橫向對比拆撐2以及拆撐1結構整體受力圖（圖5、圖6）發現，最大彎矩以及最大剪力位置發生了變化且基坑開挖深度0～10 m變化幅度最大，影響因素可能是拆撐2的過程中，另一支撐受力顯著增加，導致整體受力不均勻。

圖5 拆撐2及增設剛性鉸受力

綜合上述工況受力圖分析，各工況的位移、彎矩及剪力均在安全范圍之內，因此該工程的支護結構設計方案和施工組織方案是可行的，基本滿足了支護結構設計穩定性要求。為進一步驗證理論計算的真實性及可靠性，在基坑開挖過程中對支護結構及其周圍環境進行實時監測，同時分析數據，確保工程的安全進行。

3.3 支護結構及周邊環境監測

3.3.1 管線水平位移和豎向位移監測

沿基坑周邊共布設22個水平垂直監測點，從第1年9月18日開始監測至第3年6月3日結束，共觀測396次。當地下管線變形速率大于3 mm/d、累計位移大于30 mm時，會觸發報警，管線水平及豎向位移部分監測結果如圖7所示。

圖7 22個觀測點下管線水平及垂直方向的累計位移量

第2年7月17日至第3年6月3日，周邊管線累計最大水平位移在GX22號監測點，位移量為10.8 mm，累計最小位移在GX1號點，位移量為4.1 m，22個觀測點的平均累計位移量為8.15 mm，第2年7月29日至第2年8月8日，變形最快，變形速率為0.06 mm/d。

第2年7月17日至第3年6月3日，周邊管線垂直方向位移量累計最大沉降在GX6號監測點，沉降量為22.7 mm，累計最小沉降在GX17號點，沉降量為6.1 mm，22個觀測點的平均累計沉降量為12.07 mm，第2年7月18日至第2年7月29日，變形最快，變形速率為－0.15 m/d。監測數據表明，基坑開挖對其影響較小，累計變化量和變形速率在允許范圍內。

3.3.2 支護結構水平位移和豎向位移監測

沿圈梁頂面共布設30個水平垂直監測點，從第1年12月16日開始監測，至第3年1月13日結束，共觀測364次。當支護結構水平變形速率大于3 mm/d、累計位移大于24 mm，支護結構垂直變形速率大于3 mm/d、累計位移大于16 mm時，會觸發警報。圈梁水平及豎向位移部分監測結果如圖8所示。

由圖8水平監測折線圖可知：圈梁累計最大水平位移在SP28號點，位移量10.0 mm，累計最小位移在SP17號點，位移量為4.3 mm，30個監測點的平均累計位移量為7.20 mm，第2年4月1日至第2年4月7日，變形最快，平均變形速率為0.23 mm/d。

由圖8垂直監測折線圖可知：圈梁累計最大垂直位移在SP12號點，沉降量12.4 mm，累計最小位移在SP24號點，沉降量為5.0 mm，30個監測點的平均累計沉降量為7.55 mm，第2年3月15日至第2年3月20日變形最快，變形速率為－0.17 mm/d。監測數據表明，基坑施工對圈梁水平及豎向位移影響較小，累計變化量和變形速率在設計允許范圍內。

圖8 30個觀測點下圈梁水平及垂直方向的累計位移量

3.3.3 深層土體水平側向位移監測

深層土體水平側向位移監測結果如圖9所示。

圖9 15個觀測點下深層土體位移累計變化量

由監測數據分析可知，15個監測點累計位移普遍呈現向基坑方向偏移，CX6以及CX12輕微向遠離基坑方向偏移，其中觀測點CX7累計位移量達到最大值25.301 mm，同時變形速率最大在上部，為1.230 mm/d；觀測點CX12累計位移量達到反方向的最大值2.429 mm，和正方向最大值相比，遠離基坑方向偏移量相對輕微，變形速率最大在上部，為－0.851 mm/d。由上述數據可知，深層土體水平變形速率未超過3 mm/d，累計位移也未超過40 mm，因此結構處于穩定狀態。

3.3.4 支撐軸力監測

共布設36個監測點，第1道支撐從第1年12月14日開始監測，至第2年11月25日結束，共觀測346次，第2道支撐從第2年3月9日開始監測，至第2年8月29日結束，共觀測229次。

由混凝土支撐軸力折線圖（圖10、圖11）可知：第1道支撐累計最大變形在Z2號斷面，變化量為4 751.0 kN，累計最小變形在Z9號斷面，變化量為－593.4 kN，19個監測斷面的平均累計變化量為2 651.6 kN，第2年11月7日至第2年11月9日，變形最快，變形速率為－554.0 kN/d。至監測結束，由于第2道支撐拆除過程中支撐軸力的不斷調整，造成第1道支撐位于基坑西北角軸力變大，第2年8月27日，Z1、Z2、Z3三點監測數據達到報警值并報警，直到西北角支撐全部拆除完畢，該值達報警值并未對基坑支護結構造成破壞。第2道支撐累計最大變形在Z14號斷面，變化量為6 180.3 kN，累計最小變形在Z10號斷面，變化量為3 263.9 kN，13個監測斷面的平均累計變化量為5 050.7 kN。第2年5月26日至第2年6月1日，變形最快，變形速率為192.8 kN/d。

圖10 第1道支撐軸力累計變化量

圖11 第2道支撐軸力累計變化量

監測數據表明，基坑開挖對其有一定影響，主要由于支撐拆除期間受力變大，但至監測結束，未對支護結構造成破壞。

4 結語

本文通過對江蘇某電力公司大樓基坑開挖支護結構進行穩定性計算及實時監測，得到如下結論：

1）通過“樁-撐-錨”支護結構穩定性理論計算，表明該工程的支護結構設計方案是可行的，充分證明了該支護結構的可靠性。

2）從周邊管線、支護結構水平垂直位移及深層土體水平側向位移監測結果來看，在監測期間，上述各項監測內容的監測點變形速率及累計變化量在允許的范圍之內，均未達到設計預警值，這一結果反映出該支護結構的穩定性較好。

3）從支撐軸力監測結果來看，基坑第2道支撐拆除期間，第1道支撐受力變大，部分監測點達到報警值，一定程度上反映了支撐拆除期間，支護結構受到一定影響，但未造成破壞。