西北地區某基坑凸邊大變形險情加固處理分析★

劉一俊，張 勇，孫志虎，魏永孝，郭 斌

(1.甘肅中建市政工程勘察設計研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000; 2.中國市政工程西北設計研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

隨著中國城鎮化發展的不斷深入以及政府對城市更新的政策轉變,城市基建內容重心也從以往房建工程逐漸轉向市政民生工程,進而衍生出更多具有特殊性、復雜性的基坑支護工程。在新建市政工程中基坑支護作為保駕護航的角色也將面臨更多的問題與挑戰。不同的基坑有其獨有的特性,施工過程中場地復雜性、地下水季節性影響、地下水承壓特性、基坑流土管涌、基坑超挖施工等因素[1],均可能讓基坑陷入險情,如何有效地把控基坑現存問題,選取適宜的處理辦法,控制基坑變形發展,及時消除基坑安全隱患,避免安全生產事故發生,成為了行業發展所面對的難題。

本文描述了某一基坑大變形搶險控制過程,在支護結構性能不明的情況下,對其狀態進行分析并采取相應加固措施,結合后續監測數據表明,該加固方案實際效果良好,有效控制了支護變形發展,為基坑類似險情處理提供了寶貴經驗。

1 工程概況

渭南某水廠新建沉淀池基坑平面尺寸約110 m×38 m,基坑整體開挖深度約6.6 m～10.1 m;內部坑中坑距基坑邊線約4 m～6 m,深度約1.7 m;距基坑西側約10 m,為既有運行中的水處理反應池,池深約4.5 m。基坑深度6.6 m區間主要為懸臂樁、放坡支護,基坑深度10.1 m區間為樁錨單支點支護體系,地下水位距地表11 m～12 m。

場地地層自上而下分別為:①-1素填土,黃褐色,濕,中密—密實狀態,土質較均勻;①-2雜填土,雜色,松散,土質不均勻;②粉土,黃褐色,濕,密實狀態,土質較均勻,夾帶少量粉質黏土,層頂埋深4.5 m～6.5 m;③中砂,淺黃色—青灰色,飽和,密實狀態,層頂埋深11.5 m～12.6 m;④粉質黏土,青灰色—灰色,可塑狀態,土質較均勻,層頂埋深18.0 m～20.7 m。

6月份渭南地區開始進入雨季,基坑開挖過程中坑底土體含水量較大,現場采用輕型井點處理,此時基坑已開挖至二級坑底,深度約10 m處。進入7月份渭南地區受連續暴雨天氣影響,地下水位變幅較大,現場輕型井點水位控制效果穩定在基底10 m處。基坑局部需開挖兩個5.4 m×13 m×1.7 m坑中坑,并先期進行了旋噴樁加固施工,樁徑550 mm,咬合100 mm,樁長3 m。開挖坑中坑時,坑內連續抽水直排,土體顆粒流失較多,現場樁錨支護區間凸出區域坑底側壁形成約0.5 m～1 m寬,1 m～2 m高空洞,同時坑底伴隨有流土現象。

2021年8月初某日凌晨,沉淀池二級基坑樁錨支護區間凸出區域冠梁水平位移快速發展超過70 mm,遠超預警值,現場隨即采取土體反壓措施,并停止坑內人員施工。

2 基坑加固及降水方案

隔日赴現場,基底反壓已基本完成,反壓土寬度約6 m,高約3 m。基坑大變形發生在G-H段基坑凸出區域(見圖1),現場監測數據顯示坑頂冠梁水平位移最大值約為83 mm,樁體深層水平位移、錨索應力數據不詳,現場水位在基底附近,局部位置有涌水承壓現象。

在支護體系受力情況不易判斷的條件下,基坑采取強加固、強控水的思路。確定了先注漿補側壁空洞,后降水施工與錨索強加固同時進行,待地下水位控制完成后再開挖的方案。

地下水控制措施:在二級基坑內設6口降水井,基底以下土層自上而下為:②粉土,層頂埋深4.5 m～6.5 m;③中砂,層頂埋深11.5 m～12.6 m;④粉質黏土,層頂埋深18.0 m～20.7 m。降水井穿過砂層進入下部粉質黏土層不小于1.5 m,成井直徑800 mm。

錨索強加固措施:首先將基坑底部側壁空洞注漿填實,然后在大變形區間的現有錨索以上1.3 m、以下3.2 m各增設一道高壓旋噴錨索;新增上部錨索長度20 m,錨固段長14 m,錨固體直徑300 mm,擴大端直徑550 mm,預加力350 kN,水平間距1.5 m;新增下部錨索長度16 m,錨固段長11 m,錨固體直徑300 mm,擴大端直徑550 mm,預加力150 kN,水平間距1.5 m(見圖2)。

3 基坑加固方案計算分析

基坑采用錨索強加固、上部土體卸荷、地下水強控制的綜合方案。地下水位控制在基底以下1 m,場地土體巖土參數見表1,采用理正深基坑軟件對基坑加固方案進行分析計算。

表1 基坑支護巖土參數

原基坑支護體系為單支點支護[2],其水平位移在坑頂處于最大狀態,最大值約16 mm。不考慮錨索作用,支護體系按懸臂考慮,支護結構最大水平位移約78 mm。根據現場實際數據,險情區域基坑頂冠梁水平位移最大值約為83 mm,樁體深層水平位移、錨索應力數據缺乏,此時基坑、錨索實際工作性能判定困難。故本次強加固措施,不考慮原有錨索工作狀態,假定其已失效。加固錨索施加后,其計算結果與懸臂狀態比較[3],支護后續預期位移變化量約3 mm～5 mm。基坑支護變形圖見圖3。

4 基坑發展狀態與加固效果分析

本基坑凸邊險情區域范圍內,在冠梁頂部設有4個水平豎向位移監測點,鄰近SBR反應池設有4個建筑物沉降監測點,對加固錨索增設了應力監測點。基坑土體反壓前,坑頂最大位移約83 mm,土體反壓完成后,支護結構頂部水平位移約77 mm,2 d時間支護頂部往坑外回退約5 mm。坑頂土體卸荷施工完成后,支護結構頂部位移狀態基本穩定,頂部水平位移約85 mm。現場對第一道加固錨索預應力張拉工程中,坑頂位移有略微回退的現象。第一道錨索施工完成時,現場地下水位已控制在基底以下1.5 m,反壓土挖除后,施工第二道加固錨索時,支護結構坑頂水平位移基本穩定在87 mm～90 mm。加固錨索施工完成后,險情區域基坑頂部水平位移約90 mm～93 mm,鄰近SBR反應池沉降約1 mm～5 mm。項目主體結構封頂,進入內部安裝階段后,基坑支護結構狀態基本穩定,坑頂水平位移約87 mm～92 mm,基坑加固降水措施整體效果良好。2021年險情區域監測數據圖見圖4。

在整個支護搶險過程中,坑頂水平位移的發展變化與現場施工工藝緊密關聯,坑底土體反壓時,坑頂水平位移回退約5 mm,控制效果明顯;上部土體卸荷時,支護頂部位移朝坑內發展約7 mm～8 mm,有施工擾動現象;在錨索施作過程中,坑頂水平位移發展約3 mm～5 mm;在本案例中,由加固措施帶來的位移變化量(坑頂水平)約5 mm～10 mm,加固完成后,支護變形基本穩定。

方案中加固錨索設計預加力為350 kN,在錨索施工完成到主體結構封頂過程中,預加力損失較大,錨索應力值在50 kN～170 kN,錨索在此加固過程中效能發揮未最大化。該方案為基坑應急搶險加固措施,故未進行場地錨索試驗,錨索在施工過程中預應力損失現象可能受施工質量、土體大變形引起的強度性質變化、錨索蠕變等因素的影響[4],其機理還需進一步研究。

本基坑地層基底2.0 m以內主要為粉土、2.0 m以下為7 m～8 m厚砂層,地下水受河流補給、天氣氣候等因素影響,其水位變幅較大,坑內水位控制不當時,易出現局部位置涌水承壓現象,降低基坑支護被動區土體強度。現場排水措施若粗放進行,會帶來坑底及側壁水土流失問題,擾動坑內土體使其強度性能下降,影響支護整體穩定。

5 結論與總結

本文以渭南某水廠基坑大變形險情為背景,在支護體系整體性能不明的情況下,提出了針對性的基坑加固降水措施,并結合后續監測數據,對加固方案實際效果分析評估,得出下述結論與總結:

1)對于本案例中的樁錨支護體系,基坑支護出現大變形險情,第一時間采取坑底土體反壓措施,可以有效延緩支護變形進一步惡化發展。

2)在基坑監測數據缺乏的情況下,支護體系受力狀態不易判斷,坑頂土體卸荷措施與錨索強加固措施均需盡早開展。對地下水在基底標高附近的情況,應采取合適降水措施,合理控制地下水位。

3)基坑搶險過程中無法進行錨索基本試驗,加固錨索可能存在預應力損失現象,以預應力控制支護變形需考慮一定程度折減。

4)后續監測數據表明,采用該基坑搶險加固方案較好地控制了險情發生后基坑支護結構的位移發展,同時周邊建筑物沉降在可承受范圍。對渭南地區類似基坑工程的險情處理提供寶貴經驗及參考。

5)實時監測、動態設計、高效施工是保障基坑及周邊環境安全的重要體系[5],亦是基坑工程信息化施工的發展要求。增強基坑實時數據的積累與分析可以為支護設計加固優化提供支撐,可以及時發現現場施工問題并進行糾偏,減少基坑安全隱患,保障基坑安全。