相鄰基坑先后開挖互相影響研究

郭思磊

(中鐵十四局集團(tuán)建筑工程有限公司,山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

工程施工中,有時受場地限制,需要在既有基坑周邊開挖坑外坑,或者大基坑內(nèi)部存在不同深度的坑中坑,相鄰基坑之間的地基受力及變形特征、穩(wěn)定性等無疑變得更加復(fù)雜,給理論設(shè)計及工程實踐都提出了新的挑戰(zhàn)。與單基坑相比,相鄰基坑之間存在明顯耦合作用,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、受力和對周圍環(huán)境的影響也變得更加復(fù)雜[1-2]。特別是在軟土地區(qū),由于淤泥質(zhì)土層強(qiáng)度低、壓縮性高等特點,相鄰基坑開挖的相互影響效應(yīng)尤為明顯,施工中不得不予以考慮。目前,大多是根據(jù)經(jīng)驗判別施工時可能出現(xiàn)的問題,只是針對特定的實例提出某個觀點,未能形成較為系統(tǒng)的理論,施工中可借鑒資料匱乏。許多專家學(xué)者已對相鄰基坑同步開挖產(chǎn)生的相互影響進(jìn)行了研究。張竹庭[3]利用二維數(shù)值模擬分析了相鄰基坑交界處土坡的穩(wěn)定性;陳江等[4]研究了連續(xù)墻在相鄰深基坑同時開挖工況下的受力,分析了圍護(hù)墻頂部水平位移、沉降、支撐軸力的變化規(guī)律;馬雪妍等[5]對軟土地區(qū)相鄰基坑開挖時序?qū)o(hù)結(jié)構(gòu)位移的影響進(jìn)行了研究;文仁學(xué)等[6]對復(fù)雜填海地層相鄰超大深基坑開挖相互影響穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究;秦奇峰[7]研究了基坑開挖對相鄰建筑物的影響。

1 工程實例

本工程為昆明地鐵5號線工程世博車輛段,位于昆明市東三環(huán)與白龍路交叉口東南側(cè),西南林業(yè)大學(xué)以北,建筑面積39萬m2,設(shè)有2座綜合樓、停車列檢庫等功能單體建筑。勘察期間水深1.5 m。各結(jié)構(gòu)物相對位置及地質(zhì)情況如圖1所示。

1)車輛段落地區(qū)基坑。車輛段落地區(qū)基坑寬度45 m,長度250 m,底板埋深約16.5 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用放坡+地連墻結(jié)合內(nèi)支撐,明挖順作法施工。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)開挖深度約13 m,采用地連墻圍護(hù),墻厚1.0 m,深度約28 m,內(nèi)支撐采用1道混凝土支撐+1道型鋼支撐,坑底設(shè)置旋噴樁裙邊加固。主體結(jié)構(gòu)形式為三柱四跨箱型結(jié)構(gòu),底板厚1.5 m。其主要結(jié)構(gòu)斷面見圖2。

第一道為混凝土支撐,水平桁架混凝土對撐組,混凝土支撐間距9 m,布置如圖3所示。

第二道為型鋼支撐,型鋼截面HW400×400×13×21支撐,每組3根～4根,布置如圖4所示。

2)樓座基坑設(shè)計方案。在車輛段落地區(qū)基坑外同步施工2處樓座鋼板樁基坑,深度約8 m,鋼板樁長18 m,一道鋼支撐,圍檁為3拼Ⅰ40工字鋼,支撐為φ609 mm×14 mm鋼管,鋼板樁布置及結(jié)構(gòu)立面如圖5,圖6所示。

2 施工監(jiān)測

本處施工安全風(fēng)險涉及兩個方面:一是車輛段落地區(qū)基坑開挖的安全及對鄰近樓座基坑的影響,二是鄰近樓座基坑本身開挖時的安全狀況。

2.1 監(jiān)測項目

主要針對車輛段落地區(qū)基坑及相鄰樓座鋼板樁基坑進(jìn)行監(jiān)測。

車輛段落地區(qū)基坑監(jiān)測項目主要有:

1)圍護(hù)墻頂水平豎向位移;2)圍護(hù)墻體深層水平位移;3)立柱水平豎向位移;4)支撐軸力;5)鄰近橋墩承臺觀測點。

樓座鋼板樁基坑監(jiān)測項目主要有:

1)鋼板樁深層水平位移;2)樁頂水平豎向位移;3)支撐軸力。

基準(zhǔn)點在基坑施工前設(shè)置,監(jiān)測項目在開挖前應(yīng)測得初始值,且不少于兩次。位移和沉降觀測基點應(yīng)設(shè)在影響范圍以外,主要監(jiān)測項目測點應(yīng)設(shè)置在觀測量最大處。

2.2 監(jiān)測控制值

本項目施工安全監(jiān)測等級為一等,構(gòu)筑物及周邊巖土體監(jiān)測控制值按表1采用。

表1 車輛段落地區(qū)基坑變形監(jiān)測控制值

3 工況介紹

根據(jù)施工安排,車輛段落地區(qū)基坑先行開挖,2個樓座基坑后開挖,步序如下:

步驟1):施作鋼板樁和地下連續(xù)墻圍護(hù),施作雙軸攪拌樁及袖閥管注漿地基加固土。

步驟2):落地區(qū)基坑施作冠梁及混凝土支撐(見圖7)。

步驟3):落地區(qū)基坑開挖至鋼支撐底部,施作圍檁以及鋼支撐。

步驟4):落地區(qū)基坑開挖至基底設(shè)計標(biāo)高(如圖8所示)。

步驟5):落地區(qū)基坑開挖完成后,2個樓座基坑同時開挖,施作圍檁及支撐。

步驟6):樓座鋼板樁基坑開挖至底部(見圖9)。

4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

將實測位移及軸力數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件,自動生成相應(yīng)圖表,便于對比分析。

4.1 落地區(qū)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

4.1.1 地下連續(xù)墻監(jiān)測

1)車輛段落地區(qū)基坑開挖至基底時。地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移如圖10所示,水平方向總位移最大為21.62 mm,位移最大值出現(xiàn)在距地連墻頂部約10 m的位置。

2)樓座鋼板樁基坑開挖至基底時。1號、2號樓座基坑同時開挖,此時落地區(qū)基坑地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移如圖11所示,水平方向總位移最大為21.64 mm,位移最大值出現(xiàn)在距離地連墻頂部10 m位置。

為直觀對比地連墻在單基坑開挖和雙基坑開挖工況下的水平位移變化,在基坑兩側(cè)長邊向各取3個位置,根據(jù)實測數(shù)據(jù),繪制最終開挖步下地連墻沿深度下的變形曲線,如圖12所示,其中1-1′和3-3′分別為距離樓座鋼板樁最近的位置。

1-1′最大水平向位移約為10.1 mm;3-3′最大水平位移約為11.9 mm,出現(xiàn)在地連墻深度約8 m的位置,如圖13所示。

4.1.2 內(nèi)支撐

1)車輛段落地區(qū)基坑開挖至基底時。基坑內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移如圖14所示,水平方向總位移最大為16.71 mm。

重點關(guān)注落地區(qū)鄰近鋼板樁附近的鋼支撐變形,統(tǒng)計實測支撐軸力圖,如圖15所示,拉為正壓為負(fù),其軸力最大值為1 567.54 kN。

2)樓座鋼板樁基坑開挖至基底。車輛段落地區(qū)基坑內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移如圖16所示,水平方向總位移最大為16.72 mm。

重點關(guān)注落地區(qū)基坑鄰近鋼板樁附近的鋼支撐變形,統(tǒng)計實測支撐軸力,如圖17所示,拉為正壓為負(fù),軸力最大值1 556.64 kN。

4.2 對樓座圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響

4.2.1 鋼板樁

樓座基坑開挖至底部時,圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移如圖18所示,水平方向總位移最大為9.85 mm。

4.2.2 內(nèi)支撐

樓座基坑開挖至底部時,內(nèi)支撐位移如圖19所示,水平方向總位移最大為8.82 mm。

統(tǒng)計實測支撐軸力圖如圖20所示,軸力最大為311.64 kN。

5 數(shù)據(jù)匯總

為了研究車輛段落地區(qū)基坑及其與1號、2號樓座基坑開挖過程中的相互影響,以地連墻、鋼板樁為主要研究對象,統(tǒng)計了各開挖步驟下的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及支撐內(nèi)力如表2所示。

表2 車輛段落地區(qū)基坑及樓座鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形及內(nèi)力詳表

6 統(tǒng)計分析

6.1 單基坑開挖

開挖步驟1)—4)時,車輛段落地區(qū)基坑遠(yuǎn)離樓座基坑區(qū)域(5-5′和6-6′處)幾乎不受相鄰基坑開挖影響,可視作單基坑開挖。

6.1.1 圍護(hù)墻側(cè)移

從上圖可以看出,單工況下,水平方向最大側(cè)移為20.52 mm,位于地面以下10 m處,兩側(cè)圍護(hù)墻側(cè)移曲線對稱,隨著開挖深度的增加,最大側(cè)移點深度逐漸下移,同時墻體下端出現(xiàn)明顯的踢腳現(xiàn)象。

6.1.2 圍護(hù)墻軸力

遠(yuǎn)離雙基坑開挖處,支撐軸力對稱分布,最大軸力為1 567.54 kN。

6.2 雙基坑開挖

6.2.1 圍護(hù)墻側(cè)移

兩端圍護(hù)墻側(cè)移分布規(guī)律類似,墻頂側(cè)移量較小,隨著土層深度的增加,墻體側(cè)移先增大后減小,最大側(cè)移位于埋深約10 m位置處。由于受樓座側(cè)基坑開挖卸載影響,水平位移比單基坑開挖時要小。

6.2.2 圍護(hù)墻軸力

遠(yuǎn)離雙基坑開挖處,支撐最大軸力為1 567.54 kN,1號、2號樓鋼板樁基坑開挖至底部后,支撐最大軸力變?yōu)? 556.64 kN,表明相鄰基坑開挖后,對本體基坑存在明顯的卸載效應(yīng)。

7 結(jié)論和建議

7.1 結(jié)論

軟土地區(qū)基坑工程受相鄰基坑開挖的相互影響,呈現(xiàn)以下特征:

1)相鄰基坑開挖將引起本體基坑整體向相鄰側(cè)的附加位移,且根據(jù)兩個基坑施工順序的不同,本體基坑兩側(cè)圍護(hù)墻產(chǎn)生附加位移的大小也不同。當(dāng)采用同步施工時,近端墻附加位移遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)端墻,對基坑安全不利。

2)本體基坑與相鄰基坑之間夾心土的位移存在明顯的疊加效應(yīng),相鄰基坑的開挖將顯著增加該部分土體的位移量,這對地表沉降的控制極為不利。基坑的開挖順序?qū)A心土地表最終變形量影響不大。

3)受格構(gòu)柱和橫向支撐的影響,支撐軸力呈現(xiàn)兩端高、中間低的分布特點。相鄰基坑的開挖將引起本體基坑土壓力的非對稱分布,進(jìn)一步引起支撐軸力的非對稱分布,靠近相鄰基坑一側(cè)支撐軸力較小。

7.2 建議

為確保整體工程安全,建議采取如下措施:

1)繼續(xù)樓座基坑與車輛段落地區(qū)基坑鄰近地層,可考慮施作一排抗滑樁或插打一排鋼管樁,增加整體剛度。

2)所有基坑挖土卸載應(yīng)分層、緩慢進(jìn)行,施工前及施工過程中及時動態(tài)檢測圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況,發(fā)現(xiàn)調(diào)整時及時修整。

3)優(yōu)先考慮車輛段落地區(qū)基坑與樓座基坑相鄰區(qū)域范圍內(nèi)測點的布置與保護(hù),確保測點數(shù)據(jù)能真實反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形以及施工過程中數(shù)據(jù)的完整性,對于因意外而導(dǎo)致測點損壞的情況,需及時對測點進(jìn)行補(bǔ)充布置。

4)在車輛段落地區(qū)基坑與樓座鋼板樁基坑開挖過程中,加強(qiáng)監(jiān)控量測(至少一天兩測),當(dāng)監(jiān)測數(shù)值達(dá)預(yù)警限值時,應(yīng)立即停止施工,根據(jù)動態(tài)評估結(jié)果調(diào)整施工工藝和工程措施。