坑中坑基坑支护设计与监测

第28卷 增刊 岩 土 工 程 学 报 Vol.28 Supp. 2006年 11月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Nov., 2006 坑中坑基坑支护设计与监测 吴铭炳，林大丰，戴一鸣，俞 强 （福建省建筑设计研究院，福建 福州 350001） 摘 要：对软土地基坑中坑支护设计计算深度的取值进行了探讨。通过某工程实例，详细阐述了施工过程和信息化施工在基坑工程中的应用。通过对测试资料的分析、研究，证明了设计的安全合理性，对于坑中坑支护研究和应用具有重要意义。本工程取得的经验对于类似工程具有指导意义。 关键词：坑中坑；信息化施工；基坑监测 中图分类号：TU942 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2006)S0–1569–04 作者简介：吴铭炳(1962– )，男，福建人，教授级高级工程师。 Design and monitoring of retaining of pits in foudation-pit WU Ming-bing, LIN Da-feng, DAI Yi-ming, YU Qiang (Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research, Fuzhou 350001, China) Abstract: The value of designed calculated depth of the foundation-pit retaining in soft-soil foudation was discussed. By virtue of a project case, The construction process and the application of informationized construction in foundation-pit engincering was presented. By means of analyzing and studying the testing data, the safety and the rationality of the design was verified. It is of significance to the researches and application of pits in foundation-pit retaining. The project also does good to the similar one. Key words: pits in foundation-pit; informationized construction; foundation-pit monitoring0 前 言 基坑支护计算深度的确定，本是简单的问题，但事实并非如此，由于基础存在大大小小承台或由于建筑地下室功能的需要，基坑坑底深度并不相同，出现坑中坑，不少工程就是由于对坑中坑重视不够，轻则位移偏大，对周边造成影响，重则造成基坑失稳，例如不少基坑在开挖大承台时出现事故，纠其原因，除存在施工质量问题外，就是由于没有考虑开挖坑中坑对支护的影响造成的，因此对这一问题应该引起重视。 对于坑中坑设计，难就难在基坑计算深度的取值上，若计算深度取底板底开挖深度，忽视更深的坑中坑影响，支护设计偏于不安全，坑中坑越靠近基坑侧壁、坑中坑范围越大，越不安全，特别在软土地基，越容易出现工程事故（然而，由于土拱作用，对于单桩承台或其他小承台，对基坑影响却不大，不考虑其对大基坑的影响，不会对整个基坑安全构成威胁），若设计计算深度取坑中坑的最大深度，则过于安全，造成不必要的浪费，如何适度考虑坑中坑的影响－即如何确定基坑计算深度，对合理设计支护结构、节省造价非常重要。 由于基坑支护结构一般为临时性结构物，支护造价的节省，往往是开发商首要考虑的问题，在市场竞争日益激烈的今天，作为技术人员，不仅要考虑技术安全，还应考虑节省造价。对于一般的基坑，支护设计比较成熟，但对于坑中坑的支护设计，由于没有明确规定，其设计因人而异，不同的设计人员，存在不同的基坑深度计算取值。因此，合理设计支护结构是至关重要的，要合理设计就要合理确定基坑计算深度。 笔者在多年的基坑支护设计实践中，进行了多种尝试，取得以下经验： (1) 支护结构强度计算主要考虑基坑周边的坑中坑的影响，稳定性、嵌固深度验算考虑相当于1.0～1.3倍开挖深度范围以内坑中坑的影响。 (2) （沿基坑走向）单桩的承台（宽度1 m左右），可不考虑对支护结构的影响，基坑计算深度取底板垫层底深度。 (3) （沿基坑走向）两桩的承台（宽度约3 m以内），承台范围基坑计算深度取承台厚度（自上而下）1/2～2/3位置的深度，坑底土层性质好取低值，反之取高值（以下类似）。 ─────── 收稿日期: 2006–05–15 1570 岩 土 工 程 学 报 2006年 (4) （沿基坑走向）三桩的承台（宽度约5 m以内），承台范围基坑计算深度取承台厚度（自上而下）2/3～3/4位置的深度。 (5) （沿基坑走向）四桩的大承台（宽度约5 m以上），承台范围基坑计算深度取承台厚度底深度。 (6) 若坑中坑与支护结构有一定距离，取坑中坑底按垂直夹角45＋ϕ/2（ϕ为土层内摩擦角）与支护结构交点位置深度（且不小于开挖深度）；当距离进一步加大时，仅稳定性计算和嵌固深度计算取上述深度。 以上取值，虽然没有充分的理论依据，但比较简单，通过对不同大小的坑中坑取不同的计算深度，在支护结构计算上加以考虑，从而反映坑中坑对支护结构的影响，通过实践、通过监测证明是成功的。 由于基坑支护牵涉到复杂的岩土工程问题，要彻底弄清基坑问题，相当困难，甚至不可能，但各种工程条件是客观存在的、且必须解决，因此，信息化施工是非常重要的，通过监测，对于不成熟、尚未解决的问题，及时在施工过程中观察、验证，深基坑监测工作既是指导施工、避免工程事故的重要手段，又可检验深基坑设计理论正确性，从而提高设计水平，推动科技进步。 福州软土地基某工程在处理坑中坑支护设计方面取得了成功，该支护由建工院设计，在多种方案设计竞标中，以其技术的合理性和最低造价中标，该支护设计非常重视施工监测，布置了完整的监测系统，信息化施工在本工程中取得良好的效果，通过监测，证明按上述方法确定计算深度是可行的。 撑，围护桩采用静压沉管灌注桩（部分冲孔灌注桩）。内坑、外坑分别支护、分别计算，外坑开挖从地面标 图1 基坑总平图 Fig. 1 The total plane of the foudation-pit 1 工程概况 该工程位于福州市中心的广场南侧，为大型公共建筑，属福建省重点工程，场地北侧及西侧均为道路，南侧为内河，场地西侧为多层建筑物，道路边地下埋有大量电缆及水管等地下管线，场地附近有高压线电杆。本工程基础采用钢筋混凝土预制桩及冲钻孔灌注桩。主楼基坑开挖深度一般为6.5 m，北侧乐池8.3 m，将其称为外坑，在基坑中部偏北为主台台仓，需再下挖，基坑深度达12 m，将其称为内坑（坑中坑），形成一个典型的坑中坑基坑，详见图1。 场地上部岩土层为：①杂填土，厚2.0～4.4 m，②粘土，厚2.5～4.5 m，③淤泥，厚11.3～17.3 m，④粉砂夹淤泥，厚16.2～21.4 m，⑤淤泥质粉质粘土，厚19.5～33.6 m，⑥淤泥质土夹粉砂，厚26.4～32.9 m。对基坑开挖有影响的地下水主要为上部杂填土中的上层滞水及④粉砂夹淤泥层中的承压水。 基坑支护采用排桩加设园拱形钢筋混凝土内支高-2.40至-8.9，围护桩直径为600～700 mm，桩长14.85 m（乐池位置）～11.25 m，桩中心距1.0～1.2 m，桩间采用水泥搅拌桩止水，内支撑采用圆形支撑并通过连梁与冠梁连接，圆拱直径68 m。内坑即主台仓围护桩也采用静压沉管灌注桩，桩长10.10 m，基坑开挖至标高-8.90后施工内坑圆形内支撑，小圆拱直径30.5 m。围护桩结构剖面图如图2所示。 由于内坑进行了支护，因此在计算外坑时，支护结构受力计算的基坑计算深度取外坑开挖深度，嵌固深度计算和稳定性计算深度取内坑深度以45＋ϕ/2扩散角与外坑围护桩相交深度，但不小于外坑深度，因此嵌入深度较大，以确保整体稳定性。 内坑计算时，基坑计算深度取内坑、外坑深度差，外坑深度以上边坡土体（与内坑有一定距离的）作为地面超载考虑。 上述设计方法是将内、外坑分开支护，分别计算，分别考虑各自条件，既简化了计算，又考虑了内、外坑相互影响，但毕竟人为地将相互联系的统一基坑分开，是否合理与安全，必须通过施工监测进行判断和检验。 由于坑中坑开挖已到④层粉砂夹淤泥承压含水层，因此在内坑周边设置5个降水井。 2 监测布置 由于本工程位于福州市中心，社会影响大，基坑南侧5 m外地下埋有煤气管道，8 m外为内河河道，两个不同深度的基坑形成坑中坑，基坑条件及周边环境均比较复杂，为了确保基坑工程施工中的支护结构自身与邻近建筑及周围地下设施的安全，基坑支护设计布置了完整的监测体系，并提出了具体的监测要求 增刊 吴铭炳，等. 坑中坑基坑支护设计与监测 1571图2 基坑支护结构剖面示意图 Fig. 2 The section of the retaining structure in the foudation pits 和各项预警指标，主要监测项目为：①围护桩桩身变形（测斜）监测；②支撑环梁法向水平位移监测；③支撑立柱沉降监测；④支撑环梁钢筋应力监测；⑤围护桩两侧土压力观测；⑥周边建筑、道路、高压线杆沉降监测，河道两侧、地下管线地面水平位移监测。监测点平面布置见图3。 然后进入地下室施工。 3.1 排桩桩身变形 从围护桩桩身位移与深度曲线上看，桩身水平位移曲线一般呈“弓”形，其位移两端小、中间大。随着开挖深度的增加，最大水平位移位置逐渐下移，在开挖面附近水平位移达到最大值，图4各图基本代表基坑不同位置围护桩水平位移与深度关系，桩越短，桩底位移越大。由于开挖内坑时，遇特大台风“龙王”暴雨袭击，基坑南侧东西向内河的水位暴涨，漫过地面进入基坑，河水的暴涨大大增加了南侧基坑围护结构的侧压力，桩身下部位移速率出现增加趋势。设计人员根据监测信息，为控制桩底位移继续发展，台风过后，抢先进行封底和基坑南部底板施工，底板施工后，桩身下部水平位移得到控制，位移速率趋于稳定。开挖结束后，桩身最大水平位移35.06 mm。随着地下室向上施工，支撑环梁拆除后，排桩顶部应力释放，桩顶位移都有不同程度的增加，即增加5.14～25.05 mm。 图3 A区基坑支护结构监测点平面位置图 Fig. 3 The plane of the monitoring 3 监测成果分析 基坑开挖施工顺序分为3个阶段：①开挖至标高约-5.0 m，进行围护桩压顶梁及第一层支撑系统施工；②开挖至标高-8.90 m，进行内坑围护桩压顶梁及第二层支撑系统施工；③开挖内坑主台仓至标高-14.40 m。 图4 围护桩桩身变形图 Fig. 4 The transform of the pile-middle of the retaining piles 1572 岩 土 工 程 学 报 2006年 表1 排桩两侧土压力测试成果表 Table 1 The test results of soil pressures 北侧CXG-3 两侧 基坑外侧（主动土压力） TYL-8 3.90 36.0 TYL-9 6.90 82.7 TYL-10 11.00 98.3 TYL-11 15.00 144.5 开挖侧（被动土压力） TYL-127.90 86.3 TYL-1311.00 102.2 TYL-1415.00 134.8 TYL-12.40 4.7 TYL-24.40 21.7 北侧CXG-1两侧 基坑外侧（主动土压力） TYL-3 7.90 失效 TYL-4 11.50 93.9 开挖侧（被动土压力）TYL-5 5.40 48.5 TYL-67.90 86.4 TYL-711.50109.3项目 测点编号 埋设深度/m 开挖前土 压力/kPa 开挖到底土 压力/kPa 支撑拆除后 土压力/kPa 40.2 82.2 89.0 105.4 32.9 35.1 107.6 0.5 24.1 82.7 8.0 31.7 99.2 38.4 81.9 85.0 104.6 42.1 55.3 115.2 0.0 22.3 77.1 10.0 43.2 89.2 3.2 围护桩两侧土压力监测 土压力埋设在围护桩两侧的不同深度土体中，如图3所示。从监测结果来看，土压力变化规律一般为：主动侧浅部（支撑位置附近）土体位移不大，土压力变化不大，下部土压力随着桩身变形的增加而减小；被动侧的土压力随着土方的开挖卸载而大幅减小，以后位移趋于稳定时，又缓慢增大。底板施工后及地下室施工期间土压力变化不大，支撑拆除后，桩底被动区土压力略有增加，主动土压力一般有所减小，监测成果见表1。根据上述实测土压力，计算围护桩桩身强度和变形，与实测结果基本吻合，说明计算深度取值基本合理。 3.3 支撑系统圈梁的支撑梁钢筋应力、水平法向位移及支承立柱的垂直位移 支撑环梁钢筋受力均表现为全断面受压。压应力最大值25.3～95.4 MPa，最大值位于东南角环梁外侧CJJ－3测点。从监测结果看，环梁内外侧钢筋应力受力不均匀，从开挖过程中钢筋应力变化可以看出，支撑梁钢筋应力随着支撑环梁附近位置的开挖及开挖深度的增加而增大。 环梁支撑刚度较大，故其水平法向位移不大，最大为6 mm，环梁的支承立柱以上浮为主，但量值不大，最大值约为5 mm，主要是基坑开挖后，基坑回弹引起立柱上浮造成。 3.4 基坑周边环境影响分析 (1) 东侧道路、西侧道路距基坑相对较远，开挖对其影响不大。北侧道路距基坑较近，受后期内坑开挖施工及降水影响，最大累计沉降31.32 mm，但道路及地下管线未出现明显异常现象。 (2) 周边道路地下管线地面水平位移较小，距基坑最近点最大水平位移值为13 mm。 (3) 内河北岸水平位移为0～5 mm，南岸水平位移没有变化，基坑开挖对河岸影响不大。 (4) 东侧邻近建筑为桩基框架结构，开挖期间沉降及沉降速率均不大，累计沉降仅2.66～4.52 mm。场地内的临时建筑物开挖过程时沉降也不大，但开挖 后期及降水时，沉降速率明显增大，旧配电房沉降量达50.52～98.40 mm，建筑物西南角墙体及梁下出现明显裂缝，内坑地下室施工后，降水量逐渐减小，邻近建筑物沉降速率趋于稳定。 4 结 论 (1) 本工程在进行坑中坑支护设计方面进行了有益的探索，在充分考虑内坑、外坑相互影响的情况下，大胆简化计算，合理选取计算深度，同时采用信息化施工，在百年一遇的“龙王”台风暴雨袭击下，仍然确保安全，经受了严峻考验，实践证明，本工程设计是成功的，经济上是合理的，效果良好。 (2) 本工程建立了较为完整的施工监测系统，对支护结构（围护桩及支撑系统）的变形、应力、周边环境进行全过程跟踪监测，掌握了支护结构及周边的动态变化。在施工监测过程中，监测单位及时提供各项监测成果，出现问题及时提出警报，并提出有关建议。设计人员及施工单位高度重视监测成果，及时采取有效措施，确保了基坑工程的安全，基坑工程监测对于支护结构安全判断、对周边影响程度分析及信息化施工起了非常重要的作用。 (3) 监测成果验证了基坑支护设计安全合理。 参考文献： [1] 吴铭炳.软土地基深基坑支护中的土压力[J].工程勘察,1999 2:15–17.(WU Ming-bing. The soil pressure of the deep foudation-pit retaining of soft soil[J]. Engineering Monitoring, 1999,2:15–17.) [2] 吴铭炳.软土地基排桩支护结构计算[C]//岩土工程青年专家学术论坛文集.北京:中国建筑工业出版社,1998,10:236–246.(WU Ming-bing. The calculation of the pipe-pile retaining constructions in rhe soft-clay foudation[C]// The Collection of Essays From the Academic Forum of Young Expert in Geotechnical Engineering. Beijing: China Architecture & Building Press, 1998,10:236–246.)