不同基坑施工引起的围护结构变形及建筑物沉降对比分析

刘洪震

(中铁隧道集团科研所,河南洛阳　471009)

摘要:在城市环境中,如何控制地层移动以保证基坑周围临近建筑物的安全,是设计以及施工中必须考虑的问题。在监控量测基础上,详细对比分析了二元结构地层基坑开挖引起不同围护结构的变形情况及对周边环境的影响,对以后明挖基坑设计根据地质情况及周边环境的复杂性来选取围护结构参数及支护形式具有一定指导意义。

关键词:基坑施工;建筑物沉降;二元结构地层;监控量测;围护结构;变形分析;支护形式中图分类号:T V 551.4

文献标志码:A

文章编号:1672-741X (2009)02-0172-04

Co mparati ve Analysis on Ret a i n i n g Structure Defor mati on and Surroundi n g

Buildi n g Settle ment Caused by D i fferent Foundati on Pit Constructi on

L I U Hongzhen

(Scientific R esearch Institute under China R a il w ay Tunnel Group Co .,L td .,L uoyang 471009,Henan,Ch ina )

Abstract:The main issue that should be considered both in the design and constructi on of f oundati on p its in the urban envir on ment is the contr olling of the gr ound move ment and the contr olling of surr ounding building settle ment .The author makes a comparative analysis on the different def or mati on situati ons of the retaining structures and on the influence on the surr ounding envir onment caused by excavati on in dual 2structure strata .This paper p r ovides reference f or the selecti on of the retaining structure para meters and the bracing types of open 2cut f oundati on p its in accordance with the geol ogical conditi ons and the surr ounding envir on ment in the future .

Key words:f oundati on p it constructi on;surr ounding building settle ment;dual 2structure strata;monit oring and meas 2ure ment;retaining structure;def or mati on analysis;bracing type

0引言随着我国城市化的飞速发展,相关的地下工程越来越多,涌现出了大量的深基坑工程。当前,因施工技术的,软弱围岩明挖基坑工程对周边环境均有不同程度的影响,特别是邻近建(构)筑物的变形开裂现象时常发生,严重时甚至形成危房或倒塌。在明挖基坑中根据不同的围岩条件及周边环境,在节约施工成本,加快施工进度的同时,采用何种围护结构形式,何种支护结构形式显得非常重要。广州地铁三号线林和西站南端基坑设计中,基坑南侧、北侧及西侧采用了人工挖孔桩+拉锚结构;凹角采用人工挖孔桩+钢管内

支撑型式;基坑东侧采用土钉墙支护形式[1]

。在前人研究的基础上,以武汉市某典型的二元结构地层明挖基坑为依托,通过现场监控量测,较为全面地收集了该基坑的支护结构施工参数,对不同的围护结构形式及内支撑形式的基坑本身变形情况以及周边建筑物变形情况进行了汇总分析。

1工程及设计情况

1.1　工程概况

该工程为一横跨长江的双向市政公路隧道,位于武汉市。其中两竖井开挖深度约21m 左右;两竖井之间为正线暗挖区间隧道(包括过江段);竖井两侧为正线明挖暗埋区间隧道及匝道,开挖深度最深处为17m ,然后是上坡路段与武汉市地面交通系统接轨,见图1。明挖段全部采用明挖顺作法施工,基中竖井为地下三层一柱两跨钢筋混凝土框架结构,主体围护结构采用宽800mm 的地下连续墙,墙体深度为37m ,在基坑深度范围内设6道支撑;安全等级设计为一级。第1道为混凝土支撑,第2～6道钢支撑采用<609钢管支撑,采用管井在基坑内降水,不设置基坑外降水;基坑

降水至开挖面下3m;单井涌水量不小于50m 3

/h,单井抽水含砂量不超过1/100000。江南正线明挖暗埋段围护结构采用<1000mm 钻孔灌注桩,桩间距1200

mm ,设3～4道<609mm 、

δ16mm 的钢支撑,靠近竖收稿日期:2009-02-17;修回日期:2009-03-24

作者简介:刘洪震(1978—),男,1999年毕业于安微理工大学弹药工程与爆破技术专业,本科,工程师,主要从事隧道与地下工程方面的研究工作。

第29卷　第2期2009年4月

隧道建设

Tunnel C onstruction

　　　　　　　　　　　　　　Vol .29　No .2

Ap r .　2009

井的146m 段安全等级设计为一级,其余地段为二级;江北明挖暗埋段围护采用宽600mm 的地下连续墙围护结构,墙体深度为18m 左右,在基坑深度范围内设3～4道支撑;安全等级设计为一级。第一道为混凝土

支撑,第2～4道钢支撑采用<609钢管支撑。降水采用减压降水的设计方案。匝道开挖较浅段围护结构采用S MW 工桩,设2道钢管支撑。工程的平面布置见图1

。

图1工程平面布置示意图

Fig .1　Plan layout of f oundati on p its

1.2　地质及水文情况

根据地质剖面图,基坑开挖揭露的地层主要有人工填土层、可塑黏土层、软塑粉质黏土层、稍密粉土层、软塑粉质黏土层、淤泥质粉质黏土层、中密粉土层、中密粉细砂、密实粉砂层。基坑底部位于密实粉细砂层中,施工时,粉细砂层中承压水对施工影响较大。从地质剖面图上知道地层上层透水性较弱,其下为较厚的透水性较强的细砂层,这种地质最容易出现渗透失稳状态,属典型的“二元结构”地层。

场地地下水主要有上部滞水、潜水、承压水3种类型。上部滞水主要赋存于人工填土层及第四系黏性土层中,其水量较小;潜水主要赋存于长江河床下的粉细砂、中粗砂层中,与长江具有密切的水力联系;承压水主要赋存于长江两岸粉细砂、中粗砂层中。根据场地取上部滞水、承压水的水质分析结果,场地地下水对混凝土及混凝土结构中的钢筋无腐蚀性,对钢结构有弱腐蚀性。场地上部滞水的水位埋深在0.5～2.80m (相当于标高20.7～23.90m );场地承压水水头在5.90～9.00m (相当于标高15.51～19.67m )。根据

场地承压非完整井的抽水试验结果,场地承压含水层的综合渗透系数为19.68m /d,降水影响半径为168m 。

2变形分析

根据设计条件不同,每种围护结构形式、支护结构

形式选择一个测斜孔进行变形分析,所选测斜管具有一定的代表性,相同施工参数下,其他测斜管的变形曲线形态及大小与所选测斜管相接近,各测斜管所在位

置如表1所示。

表1

各测斜管段设计情况统计表

Table 1Detailed inf or mati on of each inclinometer tube 测斜孔

编号

围护结构形式支撑形式

基坑开挖深度/m

W1钻孔桩,直径1m 　4道钢管支撑17W2钻孔桩,直径1m

　前3道为混凝土支撑,

第4道为钢管支撑17W3S MW 桩

　2道钢管支撑8W4连续墙,

D =0.8m

　第1道为混凝土支撑,下面为4道钢管支撑21W5

连续墙,

D =0.6m

　第1道为混凝土支撑,下面2(或3)道为钢管支撑

12

2.1

基坑开挖引起围护结构变形分析

基坑开挖过程中,混凝土支撑必须提前施作,因此含混凝土支撑开挖层全部按先支后挖的施工方法进行施工,其他采用钢管支撑的地段基坑开挖均有不同程度的超挖现象,除W 4测斜管处基坑开挖较深,支撑架设相对及时一些,其他4根测斜管处在基坑施工过程中,钢支撑架设滞后较为严重。支撑架设后,预加轴力严格按照设计轴力的60%进行加力。　　开挖到底后围护桩变形见图2。　　工程为设计施工总承包,工程范围较大,施工初期,W 1测斜管变形较大,向基坑最大位移接近120mm ,远远超过设计控制变形量40mm ,对周边环境影响也较大。在随后的施工段设计单位变更了支护方式,由原来4道钢管支撑变为3道混凝土支撑加1道钢管支撑。控制变形效果较为显著,W 2测斜管变形明显减小,向基坑最大位移仅有34mm ,最大位移位于

3

71　第2期　　　　　　　　　　　　　　　　　刘洪震:　不同基坑施工引起的围护结构变形及建筑物沉降对比分析　

地面下15m ,也就是第4道钢支撑附近,前3层混凝土

支撑处桩体位移较小。随后的匝道施工,因开挖深度相对较浅,围护结构改用S MW 桩。该种工法施工速度快,可重复利用,有良好的经济效益,但开挖过程中桩体位移较大,W 3测斜管向基坑最大位移达63mm 。

虽然采用混凝土支撑段桩体变形较小,但施作混凝土支撑周期较长,基坑开挖速度较慢,在后续施工的江北段,其正线段(W 5处),设计由原来的钻孔桩加钢管支撑变更为厚600mm 的连续墙,第1道设置混凝土支撑,下面设置钢管支撑;竖井段(W 4处)采用厚800mm 的连续墙,第1道设置混凝土支撑,下面设置钢管

支撑,斜撑第3层和第4层钢支撑设计变更为双拼的形式进行架设,以提高支护力度,并尽量做到开挖到位及时架撑。从图2可看出,测斜管W 4和W 5累积变形均比较小,其中W 4向基坑最大位移仅18mm ,W 5向基坑最大位移为23.8mm 。虽然W 4处开挖比较W 5处还要深,从施工过程控制来看,由于竖井施工支

撑架设较为及时一些,因而最终的桩体变形控制的更好一些,W 4最大水平位移要比W 5的最大水平位移还要小5mm

。

图2　开挖到底后围护桩变形图

Fig .2　Defor mati on of retaining p iles when excavati on of f ounda 2

ti on p it is comp leted

2.2临近建筑物沉降分析

　　建筑物沉降变形曲线见图3

。

图3建筑物沉降变形历时曲线图

Fig .3

D iachr onic curves of settlement of buildings

4

71　隧道建设　　　　　　　　　　　　　　　　　　第

29卷　

　　表2为临近建筑物的情况。

表2临近建筑物情况统计

Table2Detailed infor mati on of neighboring buildings

测斜管编号附近建

筑物测

点编号

建筑物状况

基础楼层结构

建筑物测

点与基坑

之距/m

W1J1条基,深度1.5m3层砖混16.0

W2J2条基,深度1.5m5层砖混 3.6

W3J3条基,深度1.5m8层砖混10.9

W4J4条基,深度1.0m5层砖混 3.8

W5J5条基,深度1.0m4层砖混 4.7

由表2、图2、图3知W1测斜管及距基坑16m远的建筑物测点J1变形均较大,在正线后续的施工过程中对支护形式进行了设计变更,并且对距仅3.6m的2号建筑物进行了高压旋喷预加固,旋喷桩位于基底以下2m,如图4。建筑物进行高压旋喷注浆加固时,由于压力作用以及大量浆液的涌入而被抬升,又由于高压浆液与高压空气对原地基土的破坏扰动,会产生一定的附加沉降(附加荷载),且凝结体强度增长较慢,加之旋喷体扰动影响的半径比较大,使局部地基强度丧失殆尽,打破了尚在维持的相对平衡状态,从而产生比较大的沉降。初期受注浆影响,J2测点迅速上升,然后是明显的沉洚。从J2沉降变形曲线中可以看出,在开挖第1层土方时,变形并不明显,同时对应的是这期间W2位移也较小。在2006年1月后

,该段基坑开挖第3、4层土方,因未能及时架设最后一层钢支撑,导致2号围护桩在主动土压力作用下向基坑内部位移,有点类似“踢脚”。发生位移最大部位是基底下淤泥质土,由于淤泥质黏土呈流塑状态,强度低(50～80 kPa),缩性大(2.0～3.0MPa),并具触变性和流动性特点,易形成滑动面,在荷载的作用下更容易向基坑方向移动,从而导致J2测点也产生了明显的沉降。

因W3处基坑开挖深度不大,仅8m左右,围护结构改为S MW桩,这种围护结构支护力较弱,变形较大,对周边环境的影响也较大,导致J3累计沉降达56mm,沉降主要发生在基坑土方第2层和第3层开挖过程中。

图42号建筑物基础加固平面图

Fig.4Plan layout of f oundati on reinforcement f or No.2building 对于江北竖井,基坑较深约21m,建筑物J4测点距基坑仅3.8m。到2006年8月13日连续墙施工完毕,J4累计沉降6.2mm。为保护J4建筑物,提前在建筑物与基坑之间采用1排直径1000mm加3排直径800mm的旋喷桩加固,加固深度为34.5m。起到加强围护结构强度以及形成一排防水帷幕的作用。旋喷桩施工时严格控制注浆压力,施工时间为2006年10月14日到10月31日,这期间J4沉降4mm。从J4沉降曲线图中可知,前3层土方开挖过程中,沉降值均不大。在开挖第4层和第5层土体时沉降较为明显,一是与围护结构的变形有关;二是基坑降水致使周边水位下降,土层压缩和固结沉降;三是与墙间断断续续的渗水有关,2007年3月8日出现较大涌水,特别是长时间的渗漏导致地层中形成通道,在2007年7月12日主体结构施工期间,连续墙间地面下18m深处出现一次大量的涌水、涌泥沙现象,虽然很快堵住,但涌出的泥沙量较大,导致建物沉降测点J4在短短的2d内下沉了15mm。

建筑物测点J5累计沉降较小,说明设计、施工均是合理的、成功的。前期沉降主要是由墙间注浆止水引起的,先是一定量的隆起接着是附加沉降,约占其总沉降量的1/3,开挖期间桩体位移较小,桩间没有明显的渗水现象,大大降低了对周边环境的影响。

3结论

1)施工过程中有2次大的设计方案优化:一是围护结构为钻孔桩时,钢支撑改为混凝土支撑;二是在后续的施工中,围护结构由钻孔桩改为连续墙加1道混凝土支撑,2、3道支撑仍为钢支撑;优化后均有效的控制了围护结构的变形及对周边环境的影响,优化后的设计方案是成功的。

2)即使施作了桩间旋喷止水,但桩体发生较大变形时,桩间就会产生薄弱环节,渗漏现象容易发生,发生在粉土层渗漏时,对周边环境的影响是致命的。

(下转184页)

571

　第2期　　　　　　　　　　　　　　　　　刘洪震:　不同基坑施工引起的围护结构变形及建筑物沉降对比分析　续表

里程测区编号贯入深度实侧值/mm 贯入深度

平均值/

mm

混凝土1d

强度换算

值/MPa

混凝土1d

强度代表

值/MPa

DK1910+616～

+6201

2

3

4

5

3.7

4.121 3.885 3.821

4.195 3.911 3.876

3.821 3.888 3.722 3.726

3.925 3.765 3.729

3.965 3.734

4.023 4.365

3.715

4.217 4.141

3.241 3.345 3.021 3.416

2.974

3.007 3.201

4.365 4.218 4.321 4.330

4.624 4.582 4.416

3.93811.0

3.78311.2

4.01610.8

3.16312.1

4.40310.3

11.1

构无损伤等优点[8],便于施工单位对工程质量进行自控。作为一种检测手段,它的应用前景将是非常广阔的[9]。

参考文献:

[1]　朱永全.隧道工程[M].北京:中国铁道出版社,2007.

[2]　中铁二局.铁建设[2005]160号客运专线铁路隧道施工

质量验收暂行标准[S].北京:中国铁道出版社,2005. [3]　薛吉岗.铁建设[2005]160号铁路混凝土施工质量验收

补充标准[S].北京:中国铁道出版社,2005.

[4]　吴仁友.T B10426—2004铁路工程结构混凝土强度检测

规程[S].北京:中国铁道出版社,2004.

[5]　张仁瑜.JGJ/T136—2001贯入法检测砌筑砂浆抗压强

度技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2001. [6]　崔士起,孔旭文,郝玉友.贯入法检测砌筑砂浆强度测强

曲线建立[C]//第八届全国建设工程无损检测技术学术会议论文集.北京:中国土木工程学会,2004.

[7]　安文汉.铁路工程试验与检测[M].太原:山西科学技

术出版社,2006.

[8]　郝挺宇,惠云玲,梅名虎,等.结构混凝土耐久性无损检测

技术[C]//第五届混凝土结构耐久性科技论坛论文集.

北京:中国工程院土木、水利与建筑工程学部,2006. [9]　钟巍.结构混凝土质量现场检测方法应用体会[J].广

东土木与建筑,2003(12):52-54.

(上接175页)

3)最优的围护结构及支撑结构形式并不是一成不变的,要综合各方面的因素来考虑,比如施工成本、地质和水文条件、周边环境的复杂程度等,需要做进一步的研究工作。

参考文献:

[1]　贺维国.多型式支护在同一基坑中的运用[J].隧道建

设,2005,25(1):61-63.

[2]　刘耀峰,李事业,项汉昌,等.基坑降水引起的地面沉降

机理探讨[J].安全与环境工程,2004,12(2):51-54. [3]　夏明耀,曾进伦.地下工程设计手册[M].北京:中国建

筑工业出版社,1999.[4]　张家鸣,刘洪震.武汉某深基坑施工对周围环境的影响

[J].隧道建设,2007,27(增刊2):33-36.

[5]　李启森,吴秀国,张厚美.盾构始发井基坑施工监测及分

析[J].隧道建设,2006,26(增刊2):14-18.

[6]　卢智强,冯晓腊,王超峰.悬挂式止水帷幕对基坑降水的

影响[J].隧道建设,2006,26(5):5-7,20.

[7]　刘坤鹏,管泽英.饱和粉细砂土基坑开挖支护技术[J].

隧道建设,2006,26(4):61-63,67.

[8]　王志刚,范鹏,杨会军,等.温度变化引起的超宽基坑围

护结构变形分析[J].隧道建设,2005,25(3):12-14. [9]　范鹏,焦苍,徐成家,等.建筑物受深基坑开挖影响的显

式差分分析[J].隧道建设,2005,25(6):4-8.

[10]　侯学渊,刘国彬,黄院雄.城市基坑工程发展的几点看

法[J].施工技术,2000(1):5-7.

481　隧道建设　　　　　　　　　　　　　　　　　　第29卷