快速公交车辆基地基坑支护设计与监测分析

庄　妍　张　飞　郑玉梅

(1. 河海大学 土木与交通学院 岩土工程研究所， 南京　210098; 2. 河海大学 土木与交通学院， 南京 210098)



快速公交车辆基地基坑支护设计与监测分析

庄妍1张飞2郑玉梅2

(1. 河海大学 土木与交通学院 岩土工程研究所， 南京210098; 2. 河海大学 土木与交通学院， 南京 210098)

摘要：以南京快速公交某车辆基地基坑工程为例，介绍了该基坑施工的流程，并介绍了其中支护桩施工和钢支撑施工二个重要工序的施工工艺．分析了基坑施工过程中桩顶水平位移、土体深层水平位移、坡顶竖向位移、钢支撑轴力的变化．现场监测结果显示：施工结束后，除土体深层水平位移介于蓝色警戒值与橙色警戒值之间以外，其它3个监测对象都小于警戒值．由此表明，基坑的施工方案设计合理，能把变形控制在警戒范围内．该基坑设计对类似的工程具有参考借鉴意义．

关键词：基坑工程；支护结构；现场监测

近年来，不断发展的高层建筑和地下工程带动了深基坑工程的发展，也给基坑开挖工程带来了新的挑战，基坑的开挖和支护技术问题越来越突出[1]．我国已经相继发生了多起深基坑事故，因此深基坑的变形和稳定性问题也变得更加重要[2]．南京快速公交某车辆基地所在地区属长江漫滩地貌单元，地势平坦低洼，软弱土层深厚，一般为饱和流塑状高压缩性淤泥质粉质粘土[3]，地质条件较差，在基坑开挖时要特别注意对围护结构和周围环境的监测．在施工期间可以根据监测信息对比设计方案和施工方案及时调整不合理的设计，预测下一步施工的新动态，为后续施工提出更合理的方法，对施工中出现的异常情况立即采取必要的措施，将问题抑制在初始阶段，确保施工的顺利进行[4]．本文基于南京快速公交某车辆基地基坑施工情况，介绍了基坑的施工方案与施工工艺，并对基坑北侧桩顶水平位移、土体深层水平位移、坡顶竖向位移、钢支撑的轴力进行了监测分析，总结在施工过程中基坑的变形规律，旨在给类似工程地质条件下的基坑建设和监测提供一定的参考．

1工程概况

南京快速公交某车辆基地项目占地面积约8.2公顷．基地基坑周长约1 340 m，长边约512 m，短边约190.5 m，基坑开挖深度约为11.5 m．基坑总面积约为84 000 m2．

根据勘察结果，场地内分布有较多的水塘、河沟，勘察期间实测主要水塘、河沟水面标高为5.17～5.65 m，水深为1～2 m，淤泥厚度为0.5～1.0 m．场地覆盖层厚度较大，为典型的长江漫滩相沉积物，工程性质与土性和状态相关．场地从上到下的土层参数见表1．

表1　各土层参数表

2施工方案

合理的支撑体系是影响深基坑安全性的一个重要因素[5]．基坑支护结构除满足自身强度要求外，还须满足变形要求[6]．南京快速公交某车辆基地基坑的设计中，施工方案灵活采用基坑周边支护桩加固、放坡开挖结合斜支撑体系加固的支护结构．此支护结构针对南京河西地区的工程地质条件设计，具有一定的示范意义．

本节先对基坑开挖整体的施工方案进行描述，然后对支护桩的施工方案、钢支撑的施工方案做详细说明．

2.1基坑开挖的施工方案

由于在类似工程地质条件下以支护桩加斜撑支护形式为核心的工法在设计、施工等方面经验相对较少，同时本工程工期紧任务重，因此根据本工程的实际工程特点合理安排施工工序，有助于在保障工程安全进行的同时，增加作业面、配足资源，缩短工期，创造工程效益．该工程中，基坑施工流程图如图1所示．整个基坑施工历时200 d，不同工序对应的工期见表2．

2.2支护桩的施工方案

基坑支护桩的作用是维持临空土体的稳定，以保证基坑施工的安全，其施工是基坑施工中最重要的工序之一．基地基坑的支护桩采用钻孔灌注桩，桩径为1 m，桩长16.5～35.5 m．钻孔灌注桩的施工工艺如图2所示．

表2　基坑施工工序一览表

图1　基坑施工流程图　　图2　钻孔灌注桩施工工艺图

2.3钢支撑的施工方案

在整个基坑施工中另一最重要的工序是钢支撑的施工．基坑工程采用支护桩加斜支撑的体系进行支护．施工过程中先采用盆式开挖，然后在基坑中间浇筑底板形成中心岛，最后在底板与支护桩之间设置斜支撑，斜支撑能把土体水平侧压力传递给中心岛，中心岛提供足够反力保证土体稳定．斜支撑采用Φ609×16钢管．钢管斜支撑施工流程如图3所示．

图3　钢支撑施工工艺图

3监测方案及监测结果分析

3.1监测点的布设

本文选取基坑北侧监测点的测量结果进行数据分析，各监测点的布设如图4～5所示．

图4　桩顶及土体深层水平位移监测点

图5　坡顶竖向位移及支撑轴力监测点

基坑北侧布置桩顶水平位移监测点8个，在图4中用实心圆圈表示．从西向东依次为ZDWY-28至ZDWY-21，根据空间对称性可分成ZDWY-28、21，ZDWY-27、22，ZDWY-26、23，ZDWY-25、24四组．布置土体深层水平位移监测点6个，在图4中用实心正三角表示．从西向东依次为TSWY-25至TSWY-20，按照对称性共分成3组，分别为TSWY-25、20，TSWY-24、21，TSWY-23、22．布置坡顶竖向位移监测点共6个，在图5中用实心正三角表示．从西向东为PDWY-30至PDWY-25，按照空间对称性分成PDWY-30、25，PDWY-29、26，PDWY-28、27．布置钢支撑轴力监测点共4个，在图5中用实心正方形表示，从西向东为ZCZL-04至ZCZL-01．

3.2安全监测警戒值的确定

安全监测警戒值一般以设计值或设计者提出的允许值为基准，然后建立绝对值或变化速率的安全系数，并根据安全系数的大小设置不同的等级的警戒水平．参照《建筑基坑工程检测技术规范》[7]，本基坑施工安全监测的警戒值见表3．

表3　监测警戒值

3.3现场监测结果

本文对基坑北侧桩顶水平位移，土体深层水平位移，坡顶竖向位移，钢支撑的轴力变化规律进行了分析．

3.3.1桩顶水平位移监测数据分析

监测点的桩顶水平位移变化如图6所示．从图6可以看出，随着施工过程的不断推进，桩顶水平位移不断增加，但在不同的施工阶段桩顶位移增加速率不同．基坑的3层及3层土体开挖阶段(施工时间见表2)变化速率较快，浇筑底板过程中变化缓慢，开挖支撑下1层及2层土体时变化较快．

图6　桩顶水平位移变化图

施工结束时，桩顶水平位移趋于稳定在最大值．具体变化数值见表4．由表4可知，不同监测组在不同位置桩顶位移最大值相差较大，其中第4组监测点位于基坑北侧的中部，监测值最大，第1组位于基坑北侧角点，监测值最小．对称监测位置上监测值变化相似，呈现空间效应．北侧基坑桩顶位移最大值为49.23 mm，小于累计水平位移50 mm(桩顶水平位移累计报警值)，处于安全警戒范围内，变形合理．

表4　桩顶水平位移对比表

由以上监测数据分析可知，在浇筑中心底板和钢支撑施工前后的土体开挖过程中，桩顶水平位移变化较快，要加大监测频率；基坑边坡的中部桩顶水平位移值最大，两侧最小，因此可以在监测点布置时采用“中间密，两侧稀”的布置方式．

3.3.2土体深层水平位移监测数据分析

选取基坑北侧中部的一组点TSWY-23、22分析监测数据进行分析，如图7所示．

图7　监测点TSWY-23、22土体深层位移变化图

监测点TSWY-23在第2层土体开挖时最大土体深层水平位移为18.69 mm，第3层土体开挖时最大位移为24.69 mm．钢支撑施工过后开挖支撑下第1层土体时，最大水平位移为35.49 mm，且最大水平位移略微下移，开挖支撑下第2层土体时土体深层位移变形规律同开挖支撑下第1层土体，最大变形为43.01 mm，拆除钢支撑以后土体深层位移达到最大为50.12 mm，略大于50 mm，在橙色警戒值范围内．监测点TSWY-22在第2层土体开挖时最大土体深层水平位移为19.23 mm，第3层土体开挖时最大水平位移为26.42 mm，最大位移值均位于监测点的上部．开挖支撑下第1层土体时，最大水平位移为35.16 mm，开挖支撑下第2层土体时，最大变形为42.76 mm，拆除钢支撑以后土体深层位移达到最大为51.26 mm，在橙色警戒值范围内．由TSWY-23及TSWY-22各工序下土体深层位移数值对比分析可知，相同的工序下，对称的监测点变形相似，数值相近．

由以上分析可知，在进行较深层的土体开挖如进行工序3、4、7、8的施工时，土体深层位移变化较大，应增加监测频率．

3.3.3坡顶竖向位移监测数据分析

坡顶竖向位移监测数据的变化如图8所示.从图8可以看出，第1组监测点位于基坑北侧中心的位置，PDWY-28点的最大侧移值为24.66 mm，PDWY-27点的最大侧移值为23.12 mm；第3组PDWY-30、25点位于基坑的西北及东北角，由于空间效应，总体变形较小、增长缓慢．在工序5浇筑中心底板阶段，坡顶竖向位移变化较大．这是由于基坑所在的南京河西地区地下水位很高，在中心底板浇筑的施工过程中要不断排水．为了确保边坡的安全稳定，这一阶段可以适当增加监测频率．另外，边坡中心处的坡顶竖向位移大致是边坡两侧的2.5倍，因此可以考虑增加边坡中心处监测点的密度．

图8　坡顶竖向位移变化图

3.3.4钢支撑的轴力监测数据分析

取每道支撑下土体自开挖时为开始工期，作为X轴，绘制轴力的变化图如图9所示．

图9　钢支撑轴力变化图

从图9可以看出，监测点ZCZL-03、02的支撑轴力较大，且变形规律及数值接近，最大值分别为1 412.23 kN、1 354.36 kN，均小于1 500 kN(钢支撑轴力警戒值)；监测点ZCZL-04、01的支撑轴力略小于监测点ZCZL-03、02，且变形规律及数值接近，最大值分别为1 025.65 kN、964.12 kN，同样小于1 500 kN．

从图9可以分析得，位于基坑角部两侧监测点的轴力均小于基坑边中心处的轴力，主要原因是由于位于空间基坑的角部的监测点存在明显的角部加强效应，基坑角部的空间效应明显，角部的位移很小，支撑变形相对减小，轴力减小[8]．钢支撑的轴力在钢支撑开始受力后40～50 d最大，这时整个基坑施工的工序是工序7、8，也即开挖支撑下第1、2层土体．因此在工序7、8阶段要加强钢支撑轴力的监测频率．基坑边坡中心处钢支撑的轴力是两侧的1.4倍，在施工时可以加密基坑边坡中心处的钢支撑．

4结论

本文对南京快速公交某车辆基地基坑工程监测数据进行了分析，绘制了基坑北侧不同监测点的桩顶水平位移、土体深层水平位移、坡顶竖向位移及钢支撑支护结构的支撑轴力随时间变化的动态曲线图．通过本文的介绍分析，主要结论有：

1)基坑开挖过程中，支护桩的水平位移与基坑开挖的深度、内支撑所处的位置以及基坑开挖的时间有密切的联系．在基坑开挖初期，桩顶水平位移较小，随着施工的不断推进桩顶水平位移逐渐增大，最后稳定在最大值49.23 mm，小于警戒值50 mm．

2)基坑开挖过程中土体深层水平位移变形与桩顶水平位移紧密相连，开挖初期，土体深层位移量均较小，最大水平位移主要集中在上部，随着开挖深度的增加围护结构逐渐向坑内倾斜，最大水平位移也随之下移；随着内支撑的布置，围护结构水平位移受到了限制，开挖后期水平位移主要集中在坑底附近，从内支撑轴力变化规律也可以看出，开挖越深，钢支撑受力越大．现场后期监测数据显示，基坑开挖至基底后，随着后续支护与内部结构相应完成，墙体下部水平位移不再明显增大，最终墙体水平位移趋于稳定．土体深层水平位移最大值为51.25 mm，稍微超过蓝色警戒值，但小于橙色警戒值．

3)坡顶竖向位移与与监测点的位置和基坑开挖时间有关．在同一时刻，由于空间效应，基坑北侧中间位置处的坡顶竖向位移比基坑角部的大．随着时间的增加，整个坡顶的竖向位移增加至趋于稳定．坡顶竖向位移最大值为24.66 mm，远小于警戒值．

4)轴力随时间变化的曲线图反应了支撑受力不仅与支撑的空间位置有一定的关系，而且与基坑开挖的深度、开挖速度以及外界环境条件的变化都有着密切的关系．钢支撑轴力最大值为1 412.23 kN，小于警戒值．

5)从总体监测数据分析可知，基坑工程是一个系统的整体，桩顶位移、坡顶位移、土体深层位移及支撑轴力的变化均与施工进程及周边环境相关，故应整体分析，面对异常数值应全面对比分析，排除危险，保证施工安全．

6)由于基坑地质条件的复杂性，基坑施工采用周边排桩加固、放坡开挖结合斜支撑体系的支护结构．基坑边坡中心处的桩顶水平位移、土体深层水平位移、坡顶竖向位移及钢支撑的支撑轴力都比两侧的大，因此在监测点布置时可以采用“中间密，两侧稀”的方式．在浇筑中心底板和钢支撑施工前后的土体开挖过程中，桩顶水平位移和土体深层水平位移变化较大，要加大监测频率；在底板浇筑过程中坡顶竖向位移变化较大，要加大监测频率；在钢支撑施工结束后的土体开挖过程中，钢支撑轴力达到最大，要加大监测频率．

参考文献：

[1]徐希萍，杨永卿．深基坑支护技术的现状与发展趋势[J]．福建建筑，2008(2)：34-36．

[2]李晓芳．深基坑支护施工技术的研究与应用[D]．天津：天津大学，2008．

[3]井润霞，毛龙泉．南京河西地区软土地基水泥土深层搅拌桩探析[J]．江苏建筑，2010(3)：79-82．

[4]谭菊香．某地铁车站深基坑支护工程监测与分析[D]．长沙：中南大学，2006．

[5]徐中华．上海地区支护结构与主体地下结构相结合的深基坑变形性状研究[D]．上海：上海交通大学，2007．

[6]徐中华，王建华，王卫东，等．软土地区采用灌注桩围护的深基坑变形性状研究[J]．岩土力学，2009，30(5)：1362-1366．

[7]中华人民共和国住房与城乡建设部．GB50497-2009．建筑基坑工程监测技术规范[S]．北京：中国计划出版社，2009．

[8]张磊．基于FLAC3D对深基坑空间效应的分析[D]．太原：太原理工大学，2011．

[责任编辑王康平]

Design and Monitoring Analysis of Supporting Structures for

Vehicle Bases Excavation of a Rapid Transit

Zhuang Yan1Zhang Fei2Zheng Yumei2

(1. Geotechnical Research Institute, College of Civil & Transportation Engineering， Hohai Univ.， Nanjing 210098， China; 2. College of Civil & Transportation Engineering， Hohai Univ.， Nanjing 210098， China)

AbstractTaking the vehicle bases excavation of a rapid transit in Nanjing for example， this paper presents the excavation construction process， especially two vital construction technologies of row piles and steel supported structures. Besides， the variation of horizontal displacement of the pile head， horizontal displacement of deep soils， vertical displacement at the top of slope and axial force of steel support are analyzed. It is shown that the monitoring results are within the security line， except the horizontal displacement of deep soils lies between the blue security line and orange security line. The construction method is therefore found to be reasonable; and the deformation can be kept in the security line. The excavation design has reference significance for similar engineering.

Keywordsfoundation engineering；supporting structure；field measurement

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51409151)；三峡大学人才科研启动基金资助项目(KJ2012B031)

收稿日期：2015-05-21

中图分类号：TU472

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2015)06-0060-05

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2015.06.013

通信作者：庄妍(1982-)，女，教授，博士生导师，主要从事软土地基加固研究．E-mail：joannazhuang@163.com