超期服役基坑再开挖的监测分析

张鑫全

(中铁城建集团有限公司总承包分公司 湖南长沙 410000)

1 引言

随着城市建设快速发展，超高层建筑越来越多，超高层建筑的基坑开挖深度不断加深，由此造成邻近建筑物和基坑周边地面下沉并引起事故的案例不断增多。基坑开挖是一个卸荷过程，在深基坑工程中，开挖深度越深，其应力释放和开挖降水对基坑周边土体不均匀沉降影响越大。对于基坑工程的风险控制与监控量测分析，许多专家学者都进行了研究。胡湘贵[1]提出了一些对深基坑施工进行质量控制的对策；黄友发[2]探讨了深基坑临近既有线近接施工技术，提出了相应的处理措施；黄喜雄[3]以某深大基坑超期使用为基础，进行了支护技术的研究；李亮辉[4]以近接地铁隧道深基坑工程为例，分析了其设计与工程实践；马德云等[5]分析了超期深基坑对周边建筑物的沉降影响；胡友建等[6]则提出了对深基坑工程监测数据的处理及预测报警系统；刘杰等[7]对地铁车站基坑围护结构进行了变形监测与数值模拟。基坑支护超过设计使用年限，再开挖需考虑基坑超期服役带来的工作性能下降，则需对该基坑支护结构的支护性能、周围建筑物、道路、深埋管道、电缆等进行有效的监测、评估分析。本文在参考吴铭炳[8]、安关峰[9]、宋建学[10]、姜忻良[11]等人相关文献的基础上，对其进行监测分析，并提出相关建议。

2 工程概况和地质条件

2.1 工程概况

该工程位于湖南省长沙市芙蓉区韶山路与解放东路交汇处，由一栋塔楼、五层裙楼及车库组成。塔楼地上35层，高度201.80 m，地下4层。地下室外轮廓周围长310 m，基坑开挖深度为19～26 m。基坑土体为遇水软化的红壤典型土体，水稳性差。基坑西侧与韶山北路地下通道出入口距离5 m；南侧与高度100 m的湖南大剧院外墙距5.4 m；东侧支护桩上为项目3层板房，间隔4 m消防通道为温莎KTV；北侧紧邻解放东路，文艺路口公交站台仅3 m；基坑西侧、北侧、东侧均埋有天然气管道、电力管线、弱电管线、上下水管道及军用光缆。基坑位置与周围关系如图1所示。

图1 湖南文化广场基坑和湖南文化大厦的位置关系

2.2 场地地层

该场地内各土层工程地质岩土特性参数详见表1。

表1 土层参数

2.3 水文条件

场地内地层除圆砾③为强透水层外，其余地层均为弱透水层。按受环境类型影响评价，场地环境类别为Ⅱ类；按受地层渗透性影响评价，场地内地下水水质及土质在强透水性地层中对混凝土结构具弱腐蚀性，在弱透水性地层中对混凝土结构具微腐蚀性；场地内地下水水质及土质对钢筋混凝土中的钢筋具微腐蚀性。

3 监测方案

3.1 监测概况

本基坑于2014年9月份开工，2014年12月完成支护桩、冠梁施工，2015年1月开始进行土方开挖，于2015年10月停工，此时锚索施工完成60%左右，土方施工完成60%左右。2017年2月28日，该基坑工程又重新复工。参考刘勇[12]、罗康[13]等人对基坑工程超期检测鉴定分析，对于该项目的监测贯穿该基坑的整个开挖施工、停工、复工直至完工的时期。有许多监控项目和大量数据收集。本章节中仅列出了部分具有代表性的点位桩身变形和基坑周边沉降的监测结果。

3.2 监测项目

基坑监测项目内容主要包括：(1)支护结构顶部水平位移、沉降；(2)邻近建(构)筑物沉降监测；(3)地下管线位移监测；(4)锚索拉力监测；(5)支护结构深层水平位移监测；(6)基坑外地下水位监测。

3.3 监测仪器

为保证测量精度，采用如下仪器设备进行本项目的监测工作，具体见表2。

表2 监测仪器、设备配置

3.4 监测点布置

监测点平面布置图及基坑监测规定情况见图2和表3。

图2 监测点布置

表3 基坑变形监测

4 监测数据分析

4.1 复工前的监测结果

(1)2017年4月9日位移观测中共观测5个点，累计变化最大点为东侧冠梁A39观测点，累计变化为+23.7 mm，阶段变化速率最大点为A39观测点，变化速率为+1.10 mm/d。

(2)2017年4月9日沉降观测32个点，发现阶段性变化速率最大点为A38，变化速率为+0.374 mm/d。

(3)2017年4月9日地下水位观测2个点，其中有1个点处于报警状态：基坑东南角H003监测点累计变化-2 175 mm＞控制值1 200 mm。

(4)2017年4月9日深层水平位移观测3个测孔(120点)，累计变化最大点为基坑北侧D004观测点，累计变化+12.6 mm，阶段性变化速率最大点为D001，变化速率-0.90 mm/d。

(5)2016年12月17日对基坑支护锚索进行二次检测，共抽检30根锚索，轴向抗拔值均能达到设计要求。

监测结果表明，地下水位监测数据存在异常变化，需加强关注。

4.2 开挖基本完工时的监测结果

4.2.1 径向位移监测结果及分析

根据监测数据，只有A46监测点径向位移超控制值，A46监测点(基坑西侧冠梁处)径向位移随时间变化的曲线见图3。其最大累计变形量为+30.2 mm，超控制值(25 mm)。根据位移图，第10月～第12月，监测点的位移速率较大，第18月之后位移量较小。

图3 A46监测点径向位移曲线

4.2.2 沉降结果及分析

根据监测数据，A30监测点(基坑东侧地下管线处)累计沉降值最大，为-11.95 mm，未超过控制值(25 mm)。根据沉降曲线图，第27月之后，该监测点的沉降量逐渐增大。A30监测点沉降曲线见图4。

图4 A30监测点沉降曲线

4.2.3 地下水位结果及分析

根据监测数据，位于基坑东南角的H003监测点地下水位累计变化量最大，其最大累计变化量为-3 020 mm，超控制值(1 200 mm)。该监测点地下水位变化情况见图5。根据变化图，第10月该测点地下水位累计变化量已超控制值，第29月，地下水位累计变化量直线上升为-3 000 mm，之后的地下水位变化量几乎不变。

图5 H003地下水位曲线图

4.2.4 深层水平位移结果及分析

根据监测数据，位于基坑北侧的D004监测点(深度3.00 m处)深层水平位移累计变形量最大，其最大累计变形量为+14.6 mm，未超控制值(20 mm)。该监测点深层水平位移曲线见图6。根据曲线图，该测点3.00 m深度处的深层水平位移达到最大值。

图6 D004监测点深层水平位移曲线

4.2.5 拉力结果及分析

根据监测数据，位于基坑西侧第一道腰梁上的L101监测点拉力累计变化量最大，其最大累计变化量为+28.297 kN，未超控制值(255.2 kN)。该监测点拉力变化曲线见图7。根据曲线图，第6月后，该测点的拉力变化量基本保持不变。

图7 L101监测点拉力曲线图

5 监测结果分析

5.1 基坑支护桩桩顶水平位移监测结果及分析

基于对基坑四周各位置特征点的全面分析和对所选的监测点的数据完整性的考虑，本节选取基坑东南西北侧支护桩桩顶各一处监测标志点进行列举和分析，其点号分别为A38、W2、A46、A35。

图8为基坑东南西北侧方向的支护桩中间桩顶位置的各一监测点的水平位移监测数据，从图可以看出，基坑在停工前的开挖阶段、停工期间和复工后的开挖阶段，三个阶段中各位置的基坑支护桩桩顶水平位移随着时间不断发展。

图8 基坑东南西北侧支护桩桩顶水平位移随时间变化示意(从基坑外朝向基坑内为正)

在停工前的开挖阶段，随着时间增长，桩顶水平位移最大值在基坑东侧，值为6.6 mm；在停工期间，增幅最大处为基坑西侧位置，最大增幅为420%，其水平位移值达到了27 mm，已经超过预警限值；到复工后的开挖阶段，除了基坑北侧点位未进行监测之外，其他各点的增长速率经过前面停工阶段后期的平稳之后，又有了大幅度的提升。其中A46测点处位移超限。

5.2 基坑外侧地面沉降监测结果及分析

基于对基坑四周各位置特征点的全面分析和对所选的监测点的数据完整性的考虑，本节选取基坑外侧东南西北方向地表或地下管线位置各一处监测标志点进行列举和分析，其点号分别为A28、A3、A4、A23。

图9为基坑外侧东南西北方向的地表或地下管线位置的各一监测点的沉降监测数据，从图可以看出，基坑在停工前的开挖阶段、停工期间和复工后的开挖阶段，三个阶段中基坑外侧土体各位置的沉降随着时间不断发展。

图9 基坑外东南西北侧地面沉降随时间变化示意

在停工前的开挖阶段，所选的四处监测点位的沉降随着开挖的进行都有着各自的波动变化，在该阶段中各点总体的沉降变化值不大；在停工期间，基坑的停工阶段中其外侧土体的沉降仍有一定的变化，增幅最大处为基坑东侧，最大增幅为2 638%；到复工后的开挖阶段，各监测点的增长随着开挖又有了短期大幅度的提升，但随之其沉降又逐渐减小，最终趋于平稳。

5.3 基坑支护桩深层水平位移监测结果及分析

本项目对基坑支护桩深层水平位移的监测一共布设了三个测点D1、D3、D4，分别位于基坑的西、东、北侧，本节选取这三个监测标志点在停工时、复工时和开挖完成时三个时期的深层水平位移进行列举和分析。

图10为基坑东西北侧方向的支护桩各一位置的监测点深层水平位移监测数据，从图可以看出，基坑在停工前的开挖阶段、停工期间和复工后的开挖阶段，三个阶段中基坑支护桩各位置的水平位移随着时间不断发展，除了基坑北侧的D4测点由于支护桩-8～-10 m处由于腰梁上预应力锚索的预应力过大而使桩体在中部向基坑外侧变形，基坑西侧和东侧的D1、D3测点的支护桩呈现典型的悬臂桩变形特征。

图10 基坑东西北侧支护桩深层水平位移变化示意(从基坑外朝向基坑内为正)

在停工前的开挖阶段，三处测点的支护桩的深层水平位移都大致呈支护桩上部大而下部小的状态，D1、D3、D4测点的支护桩的最大水平位移分别为5.7 mm、3.8 mm、8.5 mm；在停工期间，三监测点的桩体水平位移变形最大位置基本保持不变，而水平位移的数值都有一段大幅度的增长，其中增幅最大处基本发生在支护桩的桩顶部分，沿支护桩从上至下增幅逐渐减小，D1、D3、D4测点的最大变形增量分别为2.9 mm、4.6 mm、4.8 mm，最大增幅达到了121%；到复工后的开挖阶段，各点的深层水平位移仍有小幅度的增长，主要表现在桩顶位置，但增长的幅度不大，说明土体在长时间的固结中变形已经趋于稳定，在有效的支护条件下，再开挖对土体扰动所产生的位移较小。

6 结论及监测建议

6.1 结论

(1)基坑在停工前的开挖阶段、停工期间和复工后的开挖阶段，三个阶段中基坑各位置的支护桩桩顶水平位移、桩体深层水平位移以及基坑外土体的沉降都随着时间而不断发展，在基坑的施工全过程中支护桩的最大水平变形为29.6 mm，已经超过了最大限值25 mm，基坑外土体沉降最大量为11.44 mm，小于最大限值20 mm。

(2)在停工前的开挖阶段，基坑支护桩桩顶的水平位移、桩体的深层水平位移随着开挖的进行而增大，支护桩的水平位移最大值基本都发生于桩顶附近，该阶段中基坑外侧土体的沉降波动较大，期间存在沉降值增大后又回弹的现象。

(3)在停工期间，支护桩的水平位移变形最大位置基本保持不变，而水平位移的数值都有一段大幅度的增长，其中增幅最大处基本发生在支护桩的桩顶部分，沿支护桩从上至下增幅逐渐减小。总体而言，基坑虽然进入了停工阶段，但其支护桩的水平位移和基坑外侧土体的沉降仍有明显的增大，支护桩水平位移最大增幅达到了420%，基坑外土体沉降最大增幅达到了2 638%，所以对于超期服役基坑的停工阶段需重点关注。

(4)在复工后的开挖阶段，支护桩的水平位移在经过前面停工阶段后期的平稳之后，随着基坑再开挖，其变形速度又开始增大，但整体的增幅不大，其增长幅度最大处发生在桩顶位置。同时在该阶段中，前期基坑外侧土体的沉降也有短期大幅度的提升，但随之其沉降又逐渐减小，最终趋于平稳。

6.2 监测建议

依据《基坑工程监测技术规范》(GB 50497-2009)对该施工项目进行有效及时的监控量测，以便有效地指导施工，使设计单位和施工单位能够根据监测结果检验设计和施工是否能够满足基坑工程周边既有结构变形控制标准，以便及时修改设计，避免事故的发生。

(1)主要监测内容：

围护结构水平及竖向位移；周边建筑物位移变形及裂缝；地下水位；支撑轴力；周边地下管线变形；周边地表沉降；基底隆起。

(2)监测点布设原则：

监测点应布置于特征点位，根据数值计算结果，在发生较大变形部位增设测点；主要影响区内监测点间距不大于10 m，特殊情况下适当加密；在文化大厦北侧靠近基坑位置的地下室结构部分及地面部分应布有监测点。

(3)监测频率：

结构监测应贯穿于基坑开挖及施工作业的全过程，直至回填完成且监测数据趋于稳定后方可结束，在开挖施工作业重要工序施工期间不宜低于1次/1～2 d。必要时应采取自动化监测。

(4)监测成果按黄色、橙色和红色三级预警进行管理和控制。