临近古建筑的深基坑开挖的支护体系设计

　　1 工程概况

　　1. 1 工程简介

　　某深基坑工程位于一条繁华的步行街上,而且位于河岸边,基坑面积约 150m2,周长约 92. 8m,场地现状标高约 7. 600m,基坑底标高约 0. 850m,基坑开挖深度约 6. 75m.基坑 4 个角部均靠近已建 3 ~4 层古建筑,最近处仅 1. 5m,建筑结构为木结构,是省重点文物保护对象,楼房均采用浅基础,埋深约2m.基坑的东北角有雨水管、污水管、电力管分布.

　　根据本工程特点,该基坑工程安全等级为一级,基坑侧壁安全等级Ⅰ级,重要性系数为 1. 10.基坑设计正常使用期限为 12 个月.

　　1. 2 工程地质条件

　　根据勘察资料,拟建场地属冲淤积平原地貌,土层成因以冲淤积为主.主要地层为: 杂填土厚度很薄,工程力学性质差; 中粗砂稍密,工程力学性质一般,下卧高压缩性淤泥质土层; 淤泥质土层厚较厚,工程力学性质差,灵敏度高,属高压缩性软土;中砂中密,工程力学性质较好,厚度一般,埋深较浅; ( 含泥) 细中砂中密 ~ 密实,工程力学性质较好,厚度大,埋深较大; 卵石中密 ~ 密实,工程力学性质较好,埋深较大,厚度较小; 碎块状强风化花岗岩工程力学性质好.场地及其邻近区域全新世以来未见活动断裂,场地构造稳定.整个场地地基土在水平方向及垂直方向较不均匀,地基稳定性较好.

　　1. 3 水文地质条件

　　地表水主要为基坑前面的河水,枯水期水深0. 5m,该河长约 1 100m,河道宽 18 ~ 22m,勘察期间河水深约 0. 80m,河床罗零标高 2. 900 ~3. 250m,水量主要受大气降水和地区生活用水影响及控制.

　　河水流速较缓,枯水、平水期水量都较小,雨季洪水期方有较大水量; 且河水与场地地下水具有连通性,地下水与地表水存在直接水力联系,地下水水位主要受河水及大气降水影响.场地地下水主要有: 填石和中粗砂中的潜水,稳定水位标高约4. 200m( 罗零标高) ; 中砂、( 含泥) 细中砂及卵石中的孔隙承压水,稳定水位标高约 - 9. 200m( 罗零标高) ,下部碎块状强风化花岗岩层为网状孔隙裂隙水.

　　据调查,场地地下水年变化幅度在 2. 0m 内,并受河水位影响.近 3 ~ 5 年地下水最高水位约在6. 000m( 罗零标高) ,历史最高水位约 7. 500m( 罗零标高) .

　　1. 4 基坑支护体系与开挖方案

　　根据该场地的地质、水文条件、周边环境、开挖深度等条件,基坑主要采用拉森Ⅳ型钢板桩( SP-U400 × 170 × 15. 5) 结合型钢对撑进行支护,共 2 排型钢支撑( HW350 ×350 ×12 ×19) ,如图 1 所示.

　　基坑开挖施工采用边挖边撑的方案,开挖深度根据支撑高差而定,以支撑底面标高作为每层开挖分界线.为有效保障基坑整体施工安全,及时了解基坑施工对周边环境的影响程度,在施工全过程中实行全程监测,并依照监测预警值对整体设计方案及施工方案进行动态调整.

　　2 监测方案

　　2. 1 基坑监测的关键点分析

　　基坑平面如图 2 所示,经分析,除保证基坑开挖的安全性外,主要有3 个关键控制点: ①古建筑角部最近处距离基坑仅 2m,若深基坑开挖引起建筑产生过大变形,后果将不堪设想; ②基坑位于繁华步行街,管线分布较多,若深基坑开挖导致管线破坏,将极大地影响步行街商家的经营活动; ③基坑一侧靠近驳岸,若深基坑开挖导致驳岸大面积破坏,将会引起内涝.因此,对这些古建筑等构筑物的监测十分必要.此外,在基坑开挖过程中,基坑内外的土压力变化可能导致基坑围护结构产生位移或变形.

　　当这些位移量达到一定界限,必然对基坑的围护结构产生破坏,直接威胁施工安全.因此,在施工过程中,应对基坑围护结构、支撑轴力以及周边地表沉降开展监测.

　　2. 2 监测点布置与监测频率

　　根据分析及《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497-2009 规定,具体的监测项目包括: 周边建筑、道路沉降,支撑内力,围护桩水平位移和竖向位移,地下水位,深层土体水平位移.依照制定的监测项目,确定实地监测点布置.具体位置如图 2 所示.基坑周边共设置 67 个监测点,其中周边建筑、道路沉降监测点 15 个( CJ) ,分布于古建筑四角; 支撑内力监测点 4 个( ZC) ; 围护桩水平位移和竖向位移监测点 12 个( WY) ; 地下水位监测点 2 个( SW) ;深层土体水平位移监测点 12 个( CX) .基坑正式监测周期为 2012 年 6-7 月.

　　2. 3 监测预警指标控制

　　根据工程土质特征、设计结果及附近工程经验等因素确定基坑支护报警值.基坑周边环境报警值,一般按周围建( 构) 筑物预警值和周围管线报警值确定.本工程基坑周围有重要古建筑、道路等,如支护结构破坏、土体失稳或出现过大变形,对周边环境的影响很严重.因此,该基坑侧壁安全等级应定为一级.按照《建筑基坑工程监测技术规范》规定,其监测报警值及监测频率如表 1,2 所示.基坑周边环境报警值,一般按周围建( 构) 筑物预警值和周围管线报警值来确定.由于该工程周边有古建筑和道路,当观测值达到以下情况时应及时报警: ①邻近建筑位移累计值达 20mm、变化速率3mm / d.②建筑整体倾斜度累计值达 2 /1 000 或倾斜速度连续 3d > 0. 000 1H/d.③建筑物裂缝宽度达 3mm、地面裂缝宽度达 15mm,并持续发展.

　　3 初始设计的数值模拟分析与监测结果分析

　　3. 1 基坑数值模型及其物理力学性质指标

　　采用 Geostudio 有限元软件对基坑开挖进行模拟.为了减小边界效应的影响,数值模型长取 35m、高 25m.模拟分析时假定边界约束在基坑左、右两侧没有水平位移,而基坑底部则没有任何位移,模型采用对称分析.

　　根据室内试验、工程勘察资料,基坑模拟计算的各岩土力学参数如表 3 所示.

　　3. 2 初始设计的数值模拟分析

　　初始设计的数值模拟分析结果如图 3,4 所示.

　　由图 3 可知,当开挖至基坑底面时,基坑的坡脚处出现应力集中,剪应力发生在基坑坡脚处,达到120kPa; 从图 4 还可以看出,基坑坡脚处的位移最大,达到 50mm,基坑坡脚的位移很容易导致坑顶沉降,从而引起周边建筑沉降.虽然初始设计时采用拉森Ⅳ型钢板桩( SP-U400 × 170 × 15. 5) 结合型钢对撑进行支护,可以满足计算要求.但由于设计时并未考虑基坑"时空效应"的影响,随着开挖过程的进行,基坑的"时空效应"开始发挥作用,若没有及时采取进一步的防护措施,随着基坑土体蠕变、应力逐渐松弛,在剪应力作用下极易导致基坑滑塌.

　　3. 3 初始设计的监测分析

　　周边建筑竖向位移的监测数据如图 5 所示.由图 5 可以看出,当开挖到基坑底面时( 第 15 天) ,古建筑沉降值增大较快,尤其是监测点 CJ1,原因是古建筑层数较高,而且最靠近基坑,所以累计沉降量较大.由图 5 还可以看出,连续 3d 基坑顶部的竖向位移增大速率 >2mm/d,超过了报警值.同样,从图6 可以看出,基坑土体的深层位移在逐渐增大,最大值达到 31. 2mm.上述监测结果均表明基坑土体处于蠕滑状态,这与数值分析结果相吻合.

　　4 变更设计后的数值模拟分析与监测结果分析

　　经研究决定变更设计,采取高压旋喷桩内插锚管的措施在基坑四角离古建筑较近处补强.同理,利用类似于初始设计的有限元模型进行分析,唯一不同的是在原有钢板桩后加了 2 排内插锚管的高压旋喷桩.从图 7 可以看出,基坑坡脚处的剪应力明经设计变更后,监测点位移曲线如图 9 所示.

　　最后监测数值显示,古建筑的深层位移增大速率开始减缓,最大值为 18. 3mm.监测过程中,基坑坡顶最大沉降量约为 16mm,基坑大面积开挖后,沉降速率较大,基坑开挖至坑底后,沉降量趋于稳定.

　　综上所述,结合数值模拟和监测技术,再根据二者综合反馈的信息,可以为基坑的"动态设计,信息化施工"提供可靠的理论依据和实践指导.不但保证了周边的重要古建筑,防止古建筑出现破坏,而且还保证后续施工的顺利进行.该基坑支护方式事先采用钢板桩结合 2 道对撑,后期由于基坑"时空效应"及施工影响,尚不足以控制古建筑的位移变形,基坑施工过程中出现了周边古建筑沉降速率增长超过报警值的情形.后期根据数值模拟和监测结果,及时采取了有效措施( 在基坑四周采用高压旋喷桩内插锚管进行补强) ,防止了建筑沉降的进一步增长,有效地控制了古建筑的变形.

　　5 结语

　　对于临近具有重要历史意义的古建筑深基坑开挖除了考虑恰当的支护措施外,还应同时注意"时空效应"及施工方法对基坑开挖的影响.基坑整体应力、应变的数值模拟与基坑监测信息分析相结合的方法,为临近具有重要历史意义的古建筑基坑的合理设计与成功开挖提供了一种新思路.

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