1 工程概況

1. 1 工程簡介

某深基坑工程位于一條繁華的步行街上,而且位于河岸邊,基坑面積約 150m2,周長約 92. 8m,場地現狀標高約 7. 600m,基坑底標高約 0. 850m,基坑開挖深度約 6. 75m.基坑 4 個角部均靠近已建 3 ~4 層古建筑,最近處僅 1. 5m,建筑結構為木結構,是省重點文物保護對象,樓房均采用淺基礎,埋深約2m.基坑的東北角有雨水管、污水管、電力管分布.

根據本工程特點,該基坑工程安全等級為一級,基坑側壁安全等級Ⅰ級,重要性系數為 1. 10.基坑設計正常使用期限為 12 個月.

1. 2 工程地質條件

根據勘察資料,擬建場地屬沖淤積平原地貌,土層成因以沖淤積為主.主要地層為: 雜填土厚度很薄,工程力學性質差; 中粗砂稍密,工程力學性質一般,下臥高壓縮性淤泥質土層; 淤泥質土層厚較厚,工程力學性質差,靈敏度高,屬高壓縮性軟土;中砂中密,工程力學性質較好,厚度一般,埋深較淺; \\( 含泥\\) 細中砂中密 ~ 密實,工程力學性質較好,厚度大,埋深較大; 卵石中密 ~ 密實,工程力學性質較好,埋深較大,厚度較小; 碎塊狀強風化花崗巖工程力學性質好.場地及其鄰近區域全新世以來未見活動斷裂,場地構造穩定.整個場地地基土在水平方向及垂直方向較不均勻,地基穩定性較好.

1. 3 水文地質條件

地表水主要為基坑前面的河水,枯水期水深0. 5m,該河長約 1 100m,河道寬 18 ~ 22m,勘察期間河水深約 0. 80m,河床羅零標高 2. 900 ~3. 250m,水量主要受大氣降水和地區生活用水影響及控制.

河水流速較緩,枯水、平水期水量都較小,雨季洪水期方有較大水量; 且河水與場地地下水具有連通性,地下水與地表水存在直接水力聯系,地下水水位主要受河水及大氣降水影響.場地地下水主要有: 填石和中粗砂中的潛水,穩定水位標高約4. 200m\\( 羅零標高\\) ; 中砂、\\( 含泥\\) 細中砂及卵石中的孔隙承壓水,穩定水位標高約 - 9. 200m\\( 羅零標高\\) ,下部碎塊狀強風化花崗巖層為網狀孔隙裂隙水.

據調查,場地地下水年變化幅度在 2. 0m 內,并受河水位影響.近 3 ~ 5 年地下水最高水位約在6. 000m\\( 羅零標高\\) ,歷史最高水位約 7. 500m\\( 羅零標高\\) .

1. 4 基坑支護體系與開挖方案

根據該場地的地質、水文條件、周邊環境、開挖深度等條件,基坑主要采用拉森Ⅳ型鋼板樁\\( SP-U400 × 170 × 15. 5\\) 結合型鋼對撐進行支護,共 2 排型鋼支撐\\( HW350 ×350 ×12 ×19\\) ,如圖 1 所示.

基坑開挖施工采用邊挖邊撐的方案,開挖深度根據支撐高差而定,以支撐底面標高作為每層開挖分界線.為有效保障基坑整體施工安全,及時了解基坑施工對周邊環境的影響程度,在施工全過程中實行全程監測,并依照監測預警值對整體設計方案及施工方案進行動態調整.

2 監測方案

2. 1 基坑監測的關鍵點分析

基坑平面如圖 2 所示,經分析,除保證基坑開挖的安全性外,主要有3 個關鍵控制點: ①古建筑角部最近處距離基坑僅 2m,若深基坑開挖引起建筑產生過大變形,后果將不堪設想; ②基坑位于繁華步行街,管線分布較多,若深基坑開挖導致管線破壞,將極大地影響步行街商家的經營活動; ③基坑一側靠近駁岸,若深基坑開挖導致駁岸大面積破壞,將會引起內澇.因此,對這些古建筑等構筑物的監測十分必要.此外,在基坑開挖過程中,基坑內外的土壓力變化可能導致基坑圍護結構產生位移或變形.

當這些位移量達到一定界限,必然對基坑的圍護結構產生破壞,直接威脅施工安全.因此,在施工過程中,應對基坑圍護結構、支撐軸力以及周邊地表沉降開展監測.

2. 2 監測點布置與監測頻率

根據分析及《建筑基坑工程監測技術規范》GB50497-2009 規定,具體的監測項目包括: 周邊建筑、道路沉降,支撐內力,圍護樁水平位移和豎向位移,地下水位,深層土體水平位移.依照制定的監測項目,確定實地監測點布置.具體位置如圖 2 所示.基坑周邊共設置 67 個監測點,其中周邊建筑、道路沉降監測點 15 個\\( CJ\\) ,分布于古建筑四角; 支撐內力監測點 4 個\\( ZC\\) ; 圍護樁水平位移和豎向位移監測點 12 個\\( WY\\) ; 地下水位監測點 2 個\\( SW\\) ;深層土體水平位移監測點 12 個\\( CX\\) .基坑正式監測周期為 2012 年 6-7 月.

2. 3 監測預警指標控制

根據工程土質特征、設計結果及附近工程經驗等因素確定基坑支護報警值.基坑周邊環境報警值,一般按周圍建\\( 構\\) 筑物預警值和周圍管線報警值確定.本工程基坑周圍有重要古建筑、道路等,如支護結構破壞、土體失穩或出現過大變形,對周邊環境的影響很嚴重.因此,該基坑側壁安全等級應定為一級.按照《建筑基坑工程監測技術規范》規定,其監測報警值及監測頻率如表 1,2 所示.基坑周邊環境報警值,一般按周圍建\\( 構\\) 筑物預警值和周圍管線報警值來確定.由于該工程周邊有古建筑和道路,當觀測值達到以下情況時應及時報警: ①鄰近建筑位移累計值達 20mm、變化速率3mm / d.②建筑整體傾斜度累計值達 2 /1 000 或傾斜速度連續 3d > 0. 000 1H/d.③建筑物裂縫寬度達 3mm、地面裂縫寬度達 15mm,并持續發展.

3 初始設計的數值模擬分析與監測結果分析

3. 1 基坑數值模型及其物理力學性質指標

采用 Geostudio 有限元軟件對基坑開挖進行模擬.為了減小邊界效應的影響,數值模型長取 35m、高 25m.模擬分析時假定邊界約束在基坑左、右兩側沒有水平位移,而基坑底部則沒有任何位移,模型采用對稱分析.

根據室內試驗、工程勘察資料,基坑模擬計算的各巖土力學參數如表 3 所示.

3. 2 初始設計的數值模擬分析

初始設計的數值模擬分析結果如圖 3,4 所示.

由圖 3 可知,當開挖至基坑底面時,基坑的坡腳處出現應力集中,剪應力發生在基坑坡腳處,達到120kPa; 從圖 4 還可以看出,基坑坡腳處的位移最大,達到 50mm,基坑坡腳的位移很容易導致坑頂沉降,從而引起周邊建筑沉降.雖然初始設計時采用拉森Ⅳ型鋼板樁\\( SP-U400 × 170 × 15. 5\\) 結合型鋼對撐進行支護,可以滿足計算要求.但由于設計時并未考慮基坑"時空效應"的影響,隨著開挖過程的進行,基坑的"時空效應"開始發揮作用,若沒有及時采取進一步的防護措施,隨著基坑土體蠕變、應力逐漸松弛,在剪應力作用下極易導致基坑滑塌.

3. 3 初始設計的監測分析

周邊建筑豎向位移的監測數據如圖 5 所示.由圖 5 可以看出,當開挖到基坑底面時\\( 第 15 天\\) ,古建筑沉降值增大較快,尤其是監測點 CJ1,原因是古建筑層數較高,而且最靠近基坑,所以累計沉降量較大.由圖 5 還可以看出,連續 3d 基坑頂部的豎向位移增大速率 >2mm/d,超過了報警值.同樣,從圖6 可以看出,基坑土體的深層位移在逐漸增大,最大值達到 31. 2mm.上述監測結果均表明基坑土體處于蠕滑狀態,這與數值分析結果相吻合.

4 變更設計后的數值模擬分析與監測結果分析

經研究決定變更設計,采取高壓旋噴樁內插錨管的措施在基坑四角離古建筑較近處補強.同理,利用類似于初始設計的有限元模型進行分析,唯一不同的是在原有鋼板樁后加了 2 排內插錨管的高壓旋噴樁.從圖 7 可以看出,基坑坡腳處的剪應力明經設計變更后,監測點位移曲線如圖 9 所示.

最后監測數值顯示,古建筑的深層位移增大速率開始減緩,最大值為 18. 3mm.監測過程中,基坑坡頂最大沉降量約為 16mm,基坑大面積開挖后,沉降速率較大,基坑開挖至坑底后,沉降量趨于穩定.

綜上所述,結合數值模擬和監測技術,再根據二者綜合反饋的信息,可以為基坑的"動態設計,信息化施工"提供可靠的理論依據和實踐指導.不但保證了周邊的重要古建筑,防止古建筑出現破壞,而且還保證后續施工的順利進行.該基坑支護方式事先采用鋼板樁結合 2 道對撐,后期由于基坑"時空效應"及施工影響,尚不足以控制古建筑的位移變形,基坑施工過程中出現了周邊古建筑沉降速率增長超過報警值的情形.后期根據數值模擬和監測結果,及時采取了有效措施\\( 在基坑四周采用高壓旋噴樁內插錨管進行補強\\) ,防止了建筑沉降的進一步增長,有效地控制了古建筑的變形.

5 結語

對于臨近具有重要歷史意義的古建筑深基坑開挖除了考慮恰當的支護措施外,還應同時注意"時空效應"及施工方法對基坑開挖的影響.基坑整體應力、應變的數值模擬與基坑監測信息分析相結合的方法,為臨近具有重要歷史意義的古建筑基坑的合理設計與成功開挖提供了一種新思路.

參考文獻:

[1] 劉國彬,王衛東. 基坑工程手冊\\( 2 版\\) [M]. 北京: 中國建筑工業出版社,2009.

[2] 龔曉南. 深基坑工程設計施工手冊[M]. 北京: 中國建筑工業出版社,1998.

[3] 《工程地質手冊》編委會. 工程地質手冊\\( 4 版\\) [M]. 北京:中國建筑工業出版社,2007.

[4] 賀煒,潘星羽,張軍,等. 河心洲地鐵車站深基坑開挖監測及環境影響分析[J]. 巖土工程學報,2013\\( S1\\) : 478-483.

[5] 朱向前. 金橋大道斜拉橋 051 號墩基坑支護設計與施工技術[J]. 交通科技,2013\\( 3\\) : 53-55.

[6] 楊愛民,陳生東,胡忠志. 福州三坊基坑開挖對周邊環境影響的分析[J]. 西部探礦工程,2007,19\\( 5\\) : 7-10.

[7] 王永哲. 廣州萬木草堂復建商場基坑施工監測[J]. 礦山測量,2006\\( 2\\) : 29-31,78.

[8] 朱燕. 臨近流塑狀軟土深基坑的古建筑綜合加固技術實踐[J]. 建筑科技情報,2011 \\( 1\\) : 23-28.

[9] 牛嘉銘,賈海霞,劉根華,等. 某基坑開挖對臨近古建筑物影響的有限元分析與評估[J]. 建筑技術開發,2013,40\\( 4\\) : 33-34,45.

[10] 尚岳全,王清,蔣軍,等. 地質工程學[M]. 北京: 清華大學出版社,2006.

[11] 中國建筑科學研究院. JGJ120-2012 建筑基坑支護技術規程[S]. 北京: 中國建筑工業出版社,2012.

[12] 濟南大學,萊西市建筑總公司,山東省工程建設標準造價協會. GB50497-2009 建筑基坑工程監測技術規范[S]. 北京:中國建筑工業出版社,2009.