某超高層深基坑支護設(shè)計及智能監(jiān)測技術(shù)的應用

廖 原，喬紹財，黃海榮，鄧 宇，桂金洋，3，楊 濤

(1.廣西地礦建設(shè)集團有限公司，南寧 530023；2.廣西科技大學 土木建筑工程學院，廣西 柳州 545006；3.北京工業(yè)大學 城市建設(shè)學部，北京 100124；4.廣西大學 土木建筑工程學院，南寧 530004)

0 引 言

隨著我國城市化建設(shè)腳步的不斷加快, 建筑物密度逐漸增大、 高度持續(xù)攀升, 地下空間開挖深度不斷加大已成為較普遍的現(xiàn)象[1-2]。敞開式深基坑周圍多面臨既有高層建筑和復雜的道路交通網(wǎng)等施工背景, 對深基坑支護技術(shù)的要求越來越高[3-4]。沉降位移和水平位移一直是基坑工程的主控因素, 受到周圍土體、 基坑支護類型及支護結(jié)構(gòu)自身變形等多重因素的影響[5-6]。目前, 隨著新技術(shù)、 新方法、 新工藝不斷應用于基坑工程建設(shè)中, 基坑支護的安全系數(shù)得以大幅提高, 但施工成本也直線上升, 因此結(jié)合工程實際, 在符合項目自身情況的前提下選擇安全可靠又經(jīng)濟的基坑支護方式將是一個值得探討的問題, 并對于基坑工程乃至整個項目的推進至關(guān)重要。

復合土釘墻技術(shù)成熟、 可靠、 成本低, 被廣泛運用于深基坑工程建設(shè)中[7], 華南亞熱帶氣候地區(qū), 年降雨量大、 降雨頻繁,部分工程場地狹窄、 可放坡空間極其有限、 支護設(shè)計要求高、 施工難度大, 應用復合土釘墻通過基坑支護方案比選與設(shè)計、 施工過程中的質(zhì)量保證以及施工監(jiān)測等方面進行控制, 以達到安全可靠、 經(jīng)濟適用的目的。但是, 深基坑支護工程往往處于復雜的地質(zhì)條件、 場地條件和環(huán)境特性中, 在不同應用場景下面臨不同的安全性和經(jīng)濟性要求, 需要不斷解決新的技術(shù)難點以拓展應用空間。

為了拓展復合土釘墻技術(shù)在不同地區(qū)不同場地條件的應用, 特別是針對復雜環(huán)境和嚴苛的施工條件, 以南寧某深基坑工程為例, 基于方案比選法確定采用復合土釘墻支護技術(shù), 并輔以動態(tài)設(shè)計和信息化施工更好解決施工場地狹窄、 可放坡空間有限及支護設(shè)計要求高等工程難題。此外, 將工程地質(zhì)災害中先進的監(jiān)測技術(shù)引入深基坑智能監(jiān)測, 對施工全過程進行實時監(jiān)控和預警, 可保證工程進度和安全性。本文研究工作對于改進復合土釘墻支護技術(shù)、 豐富深基坑工程智能化監(jiān)測具有一定推動作用, 同時也反映了復雜環(huán)境條件下傳統(tǒng)施工技術(shù)和新技術(shù)融合發(fā)展的趨勢。

1 工程概況

項目位于廣西南寧市五象新區(qū), 總建筑面積約為181 000 m2, 占地面積約29 725 m2, 由6個單元及3層地下室組成。地下室區(qū)域全部連通, 且與結(jié)構(gòu)整體相連, 主樓為筏板基礎(chǔ), 裙樓為防水板, 其中1號樓部分區(qū)域為樁-筏基礎(chǔ), 基礎(chǔ)形式較為復雜。基坑周長約650 m, 基坑開挖及支護深度為11.80～16.00 m, 基坑平面布置圖見圖1。

圖1 基坑平面及監(jiān)測點布置Fig.1 Foundation pit plan and layout of monitoring points

2 場地工程地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

項目地處屬南寧盆地邊緣壟狀高丘地貌。上覆地層為人工堆填素填土, 第四系沖積形成的圓礫砂礫石; 下伏基巖為泥盆系五指山組粉砂巖、 泥巖、 鈣質(zhì)泥巖、 角礫巖、 石灰?guī)r、 泥質(zhì)條帶灰?guī)r。開挖范圍內(nèi)基坑主要巖土層分布: 北側(cè)為中風化鈣質(zhì)泥巖, 泥狀結(jié)構(gòu)軟巖, 中厚層狀構(gòu)造, 巖體較完整, 局部閉合狀風化裂隙發(fā)育, 多呈透鏡體狀分布于基巖中, 連續(xù)性較差; 其余三側(cè)主要為全風化泥巖, 局部夾粉砂質(zhì)泥巖, 偶見夾有磨圓度很好的礫石, 原巖結(jié)構(gòu)基本破壞, 巖體風化呈硬塑黏性土狀, 局部可塑, 黏性、 韌性中等, 干強度較高, 含較多碳化物, 風干疏松易散。受下伏基巖面起伏影響, 層厚變化較大。各巖土層參數(shù)見表1。

表1 場地土層各主要巖土參數(shù)Table 1 Main geotechnical parameters of field soil layers

2.2 水文地質(zhì)特征

根據(jù)項目基坑專項勘察成果, 場地地下水主要為賦存于基巖裂隙及溶洞中巖溶裂隙水, 勘察穩(wěn)定水位埋深13.10～18.00 m, 相應高程為72.70～74.89 m, 局部存在有一定承壓性, 年水位變化幅度在1～3 m。另據(jù)項目施工揭露地層情況, 場地內(nèi)溶洞以充填、 半充填形式為主, 地下水水量受巖溶裂隙影響, 水位變幅較大。

2.3 地形及地質(zhì)構(gòu)造

南寧市在大地構(gòu)造上處于右江再生地槽東端, 北西向的右江斷裂帶與北東向的桂林-南寧斷裂帶的交接部位。南寧盆地為向斜盆地, 屬中新生代斷陷盆地, 經(jīng)歷了從加里東期到喜馬拉雅期的各個發(fā)展階段。由于受新構(gòu)造運動的影響, 南寧盆地主要以間歇性振蕩性提升為主, 形成邕江兩岸的5級階地(主要為Ⅰ～Ⅲ級)[8]。

擬建場地位于南寧市飛龍路與五象大道交匯處東北側(cè), 原始地貌北高南低, 北側(cè)因場地整平基巖出露, 南側(cè)大部分地段風化殘積土出露, 地面標高在84.20～92.90 m不等, 原始地貌上屬邕江南(右)岸Ⅲ級階地。

3 基坑支護方案比選

根據(jù)勘察報告資料, 結(jié)合場地周邊環(huán)境、 用地紅線、 基坑開挖深度及地層狀況, 除南側(cè)具備一定放坡空間外, 其余三側(cè)在規(guī)劃用地范圍內(nèi)放坡條件有限。綜上, 本工程可采用的支護方式有復合土釘墻支護、 排樁+錨索支護、 排樁+鋼筋砼支撐、 逆作法等[7], 支護形式特點對比見表2。

表2 基坑支護形式對比Table 2 Comparison of foundation pit support forms

本基坑開挖深度多在16 m以內(nèi), 基坑側(cè)壁無軟弱巖土層分布, 紅線范圍內(nèi)具備一定放坡條件, 地下水水量一般。經(jīng)過設(shè)計、 勘察等單位及專家研判, 本工程基坑優(yōu)先采用坡率法結(jié)合復合土釘墻的支護方案, 對于周邊環(huán)境相對開闊的南面及土質(zhì)條件較好的北面, 采用網(wǎng)噴砼放坡進行支護。

4 復合土釘墻支護結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 設(shè)計參數(shù)

按照施工規(guī)范及場地工程地質(zhì)條件, 確定以下設(shè)計參數(shù): 土體平均重度γ=19.4 kN/m3, 平均內(nèi)聚力c=30.5 kN/m2, 平均內(nèi)摩擦角φ=16.8°, 地面超載按q0=20 kPa條形荷載計算。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計及降排水設(shè)計

開挖深度h=16 m, 邊坡傾角73.3°, 豎向間距Sy=1.2 m, 水平間距Sx=1.2 m土釘錨索向下傾斜, 入射角=15°。復合土釘墻剖面圖見圖2。

圖2 復合土釘墻詳圖(單位: mm)Fig.2 Detailed drawings of composite soil nailing wall

對于復合土釘墻支護結(jié)構(gòu), 有效的降水排水是整個基坑支護工程成功的關(guān)鍵之一。此外, 南寧市位于北回歸線南側(cè), 濕潤的亞熱帶季風氣候使得本地區(qū)降雨量充沛, 年均降雨量達1 304.2 mm, 雨季集中出現(xiàn)在3—7月。為了確保工程質(zhì)量, 坡頂?shù)孛孢M行了硬化, 沿安全圍擋內(nèi)側(cè)砌筑400 mm高擋水墻; 坡腳設(shè)置排水溝、 集水井; 坡面上設(shè)置泄水管, 外包兩層尼龍網(wǎng)紗, 管長700 mm, 開孔率15%, 傾角10°, 布置間距2 400 mm×2 400 mm。泄水管詳細構(gòu)造見圖3。

圖3 超高層深基坑支護結(jié)構(gòu)泄水管構(gòu)造及施工詳圖Fig.3 Drainage pipes for super high-building with deep foundation of pit supporting structures and construcion

4.4 土釘(錨桿)抗拔力計算

(1)

式中:KBj為第j個土釘(錨桿)抗拔力安全系數(shù);Txj為第j個土釘(錨桿)破裂面外土體有效抗拉能力標準值(kN); 破裂面與水平面之間的夾角αi由(β+φ)/2計算得到;Sx、Sy為土釘(錨桿)水平、 垂直向的間距(m);eaj為主動土壓力強度(kPa)[7,9-10]。

4.5 整體穩(wěn)定計算

本工程采用預應力復合土釘墻組合, 假設(shè)最危險滑移面破壞模式為圓弧滑移破壞, 主要因其與一些試驗結(jié)果及大多數(shù)工程實踐比較接近, 且分析計算相對容易, 計算公式為[11]

KS0+η1KS1+η2KS2≥KS;

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:KS為整體穩(wěn)定安全系數(shù);KS0、KS1、KS2為整體穩(wěn)定性分項抗力系數(shù), 分別為土、 土釘、 預應力錨桿和土體下滑力矩比;ci、φi為第i個土條在滑弧面上的黏聚力及內(nèi)摩擦角;li為第i個土條在滑弧面上的弧長;Wi為第i個土條自重和作用在其上部的附加荷載之和;θi為第i個土條在滑弧面中點處的法線與垂直面的夾角;η1、η2為土釘、 預應力錨桿組合作用折減系數(shù);Sxj為第j層土釘?shù)乃介g距;S2xj為第j根預應力錨桿平均水平間距;Nuj為第j根土釘在穩(wěn)定區(qū)(即滑移面外)所提供的摩阻力;Puj為第j根預應力錨桿在穩(wěn)定區(qū)(即滑移面外)的極限抗拔力;αj為第j根土釘與水平面間的夾角;αmj為第j根預應力錨桿與水平面間的夾角;θj為第j根土釘或預應力錨桿與滑弧面相交處, 滑弧面切線與水平面的夾角;φj為第j根土釘或預應力錨桿與滑弧面交點處土的內(nèi)摩擦角。

以開挖深度不同劃分為不同工況, 利用深基坑設(shè)計程序進行圍護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性驗算, 由各工況下安全穩(wěn)定性計算結(jié)果可知, 安全系數(shù)均大于1.3(該工程為二級基坑, 取KS=1.3), 符合安全施工范圍。

4.6 基于智能化監(jiān)測的動態(tài)設(shè)計與信息化施工

信息化管理施工與動態(tài)設(shè)計施工是巖土地下工程建設(shè)的發(fā)展方向。深基坑開挖過程中影響因素眾多, 情況復雜多變, 需結(jié)合施工現(xiàn)場情況與實時監(jiān)測結(jié)果來判斷是否達到預期要求, 并結(jié)合應急預案來優(yōu)化設(shè)計重新設(shè)定參數(shù), 實現(xiàn)動態(tài)設(shè)計和信息化施工。需要進行基坑工程動態(tài)設(shè)計與信息化施工的原因包括: ① 施工過程中偶然因素變化的動態(tài)設(shè)計; ② 保證支護結(jié)構(gòu)安全下的施工便捷性動態(tài)設(shè)計; ③ 細節(jié)處理方面的動態(tài)設(shè)計。簡單來說, 智能化監(jiān)測包括兩方面: 一是預警范圍內(nèi)的潛在風險調(diào)控, 這是施工全流程控制過程中最易忽視的信息; 二是以預警值為界限、 數(shù)據(jù)異常波動的動態(tài)預警。基于智能化監(jiān)測的動態(tài)設(shè)計與信息化施工的簡要流程見圖4。

圖4 超高層深基坑支護結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計流程Fig.4 Flow chart of dynamic design for super high-building with deep foundation pit supporting structures

5 智能化監(jiān)測技術(shù)的應用

5.1 全自動監(jiān)測預警系統(tǒng)

基于物聯(lián)網(wǎng)+、 互聯(lián)網(wǎng)+、 地質(zhì)+等技術(shù)來構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)自動監(jiān)測預警平臺, 前期主要應用于滑坡、 泥石流等地質(zhì)災害的監(jiān)控服務(wù)及自動預警服務(wù)[13-14]。為實現(xiàn)城市深基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息化, 提高智能化水平, 本項目通過自動監(jiān)測預警平臺實現(xiàn)基坑位移、 沉降等變形指標的實時監(jiān)測。首先根據(jù)監(jiān)測要求布置測點及傳感器, 設(shè)置監(jiān)測一體機并進行設(shè)備組網(wǎng), 通過監(jiān)測一體機將傳感器采集的基坑測點數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)海量數(shù)據(jù)平臺, 進行后臺數(shù)據(jù)整理和分析。此外, 事先應在PC端進行預警值設(shè)置, 當監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預警值, 平臺會將預警信息通過短信或消息通知預先設(shè)置的項目預警接收人, 并推送至項目群和手機客戶端。根據(jù)《建筑基坑支所技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)規(guī)定, 結(jié)合基坑支護類型和基坑類別, 本工程位移預警值應在50～60 mm, 為安全起見最終取值為50 mm。全自動監(jiān)測預警系統(tǒng)與預警信息設(shè)置見圖5、 圖6。

圖5 超高層深基坑支護結(jié)構(gòu)信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Fig.5 Information transmission system for super high-building with deep foundation pit supporting structures

圖6 超高層深基坑支護結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)Fig.6 Warning notification setting for super high-building with deep foundation pit supporting structures

5.2 主要設(shè)備組成

智能化基坑監(jiān)測系統(tǒng)主要組成設(shè)備包括GNSS監(jiān)測一體機、 數(shù)據(jù)采集儀以及路由器。

1)GNSS監(jiān)測一體機(圖7a): 采用多系統(tǒng)板卡綜合定位, 利用LoRa無線數(shù)傳, 3 km內(nèi)實現(xiàn)無線互聯(lián)。可通過手機終端遠程設(shè)置儀器參數(shù), 無網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下仍可利用WiFi與儀器直接溝通, 其水平位移監(jiān)測精度可達到1～2 mm, 垂直位移監(jiān)測精度可達到2～3 mm。

圖7 超高層深基坑支護結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)主要設(shè)備Fig.7 Main equipment of monitoring system for super high-building with deep foundation pit supporting structures

2)數(shù)據(jù)采集儀(圖7b): 通過有線方式連接傳感器, 再以無線方式將采集的數(shù)據(jù)上傳至路由器, 場地內(nèi)使用LoRa物聯(lián)網(wǎng)數(shù)傳模塊與路由器通訊, 建立內(nèi)部局域網(wǎng)模式通訊系統(tǒng)可使通訊更可靠更有保障。數(shù)據(jù)采集儀能自動檢測連接的傳感器類型, 可以從路由器自適應下載合適的通訊協(xié)議及數(shù)據(jù)處理程序, 也能滿足特殊情況下的不間斷采集。

3)路由器(圖7c): 負責收集數(shù)據(jù)采集儀上傳的傳感器數(shù)據(jù)后上傳至服務(wù)器端, 支持多種數(shù)據(jù)傳輸途徑, 且離線狀態(tài)下的存儲數(shù)據(jù)可連線后上傳。擁有記憶功能, 采集儀需要時可以通過無線LoRa從路由器自動更新。

5.3 測點布置、監(jiān)測結(jié)果和分析

為確保施工安全、 全面掌握基坑周邊建筑物及道路變化情況，本工程支護結(jié)構(gòu)監(jiān)測點主要布置在距離工程周邊較重要的建筑角點及道路邊界上，按20 m間距布設(shè)，共布置31個監(jiān)測點(圖1)。

基坑施工期間每天安排專人進行巡檢，檢查基坑支護結(jié)構(gòu)以及基坑周邊環(huán)境的變化情況、坑邊堆載是否符合設(shè)計要求等，巡視期未發(fā)生異常現(xiàn)象。2018-11-21—2019-07-21每月21日對基坑坡頂?shù)某两滴灰啤⑺轿灰七M行持續(xù)性監(jiān)測。從剖面3—3′、6—6′、7—7′、8—8′上的監(jiān)測點中分別選取對應剖面上水平位移累計值最大的點(WY16、WY19、WY22、WY25)以及對應的沉降位移累計值，繪制成累計值與觀測時間關(guān)系曲線圖8。

圖8 超高層深基坑支護結(jié)構(gòu)監(jiān)測點位移時間累積曲線Fig.8 Displacement-cumulative time curves for super high-building with deep foundation pit supporting structures

支護初期(2018-11-21—2018-12-21)坡頂水平位移呈現(xiàn)上升趨勢, 變化幅度較大, 最大水平位移累計值為42.1 mm; 隨著土釘、 錨索作用建立后(2018-12-21以后), 水平位移的變化速率明顯降低; 但到2019年3—5月出現(xiàn)不同程度降雨, 雨量較大, 基坑外部土體嚴重蓄水導致邊坡部分測點發(fā)生較大位移, 最高變化速率達4 mm/d, 最高累計位移值達到35 mm; 降雨過后, 隨著地下工程施工進度的推進, 水平位移累計值雖仍有上升但已趨于穩(wěn)定。而沉降位移在支護初期出現(xiàn)一定上下浮動的狀態(tài), 隨后總體呈現(xiàn)下沉狀態(tài), 曲線變化較緩, 基坑總體穩(wěn)定。整個基坑監(jiān)測期間(2019-08-15以后進行地下室回填不再進行監(jiān)測記錄), 最大水平位移累計值穩(wěn)定在43 mm左右, 最大沉降位移累計值5.38 mm, 沉降位移、 水平位移累計值均控制在設(shè)計監(jiān)測報警值50 mm以內(nèi)。

5.4 支護結(jié)構(gòu)的動態(tài)設(shè)計

監(jiān)測過程中, 系統(tǒng)未出現(xiàn)報警情況, 但監(jiān)測信息反饋3—3′剖面開挖至-6.5 m時各監(jiān)測點變形速率較大, 實勘現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)錨桿孔內(nèi)有滲水、 部分開挖面坍塌的現(xiàn)象, 土質(zhì)酥松、 含水量大。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)是由于該段紅線外市政道路地勢較低, 排水不暢, 長期積水所致。結(jié)合應急預案和設(shè)計單位意見, 進行排水優(yōu)化, 重新調(diào)整后的剖面設(shè)計見圖9, 此時減小監(jiān)測預警值和增大數(shù)據(jù)采集頻率, 取得了較好的治理效果。

圖9 調(diào)整設(shè)計后的3—3′剖面圖Fig.9 Section 3-3′ after optimization

6 結(jié) 論

本文從基坑工程的設(shè)計方案、 施工技術(shù)、 智能化監(jiān)測等多方面進行分析, 得出以下結(jié)論:

(1)考慮邊坡開挖深度、 土質(zhì)及放坡條件等多種因素采取多剖面設(shè)計, 滿足了邊坡支護要求, 同時對比排樁+錨索、 排樁+鋼筋砼支撐等支護方案節(jié)約了成本和工期。

(2)通過物聯(lián)網(wǎng)、 北斗+、 互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù), 以監(jiān)測云平臺及各類傳感器為核心, 拓寬智能化監(jiān)測在城市深基坑工程應用范圍。監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳匯總查看, 報表實時自動導出, 監(jiān)測技術(shù)靈活性強、 安全有效。

(3)從穩(wěn)定性計算和基坑監(jiān)測的最終結(jié)果看, 基坑整體穩(wěn)定安全系數(shù)計算結(jié)果在1.45～1.58, 達到設(shè)計值1.3的要求且經(jīng)濟合理, 基坑坡頂最大水平位移累計值42.1 mm, 最大沉降位移累計值5.38 mm, 沉降位移、 水平位移累計值均控制在設(shè)計監(jiān)測報警值50 mm以內(nèi), 說明基坑的支護設(shè)計合理有效。

(4)該工程是預警系統(tǒng)在城市深基坑的初期應用, 其測點布置精細化水平、 數(shù)據(jù)采集與預警值設(shè)置以及施工進度與工藝要求等方面都有嚴格的要求, 沒有出現(xiàn)超預警情況。結(jié)合動態(tài)監(jiān)測信息反饋, 對偶然因素引起的潛在不安全現(xiàn)象實施動態(tài)調(diào)整和設(shè)計, 使施工過程更加準確化和及時化。