深圳前海某深基坑支护结构监测与分析

刘 动

(1.深圳市岩土综合勘察设计有限公司， 广东 深圳 518172；2.深圳市龙岗地质勘查局， 广东 深圳 518172)

地下空间的开发和利用导致建筑、市政工程领域中出现越来越多的深基坑工程，同时基坑越来越深、周边环境越来越复杂，并伴随着地质条件的不确定性，导致深基坑工程的风险越来越高，容易出现重大工程事故。除了采取安全可靠的支护设计方案、严格控制施工质量之外，通过实施科学合理的基坑监测方案，建立及时有效的预警反馈机制，也是降低基坑支护施工风险、保证基坑安全运行的有效措施。目前，结合具体工程实例，分析深基坑监测数据，学者们总结规律、处理险情，取得了许多有益的成果[1-12]。丁智等[13]对杭州地铁附近一深基坑开挖进行了监测数据的分析，总结得出对深基坑设计和施工具有参考价值的建议。王杰光等[14]针对某地铁车站深基坑，重点分析了围护结构的水平及沉降变形规律，并为后续设计提供了优化建议。文建鹏等[15]通过对珠海某内支撑式深基坑进行施工监测分析，揭示了监测对象在开挖过程中的变形发展规律，保证了基坑的安全稳定。本研究的背景是深圳前海软土地区某超深基坑，开挖深度20.0 m～23.7 m，坑壁淤泥层最厚有14.7 m，基坑开挖过程中有数次监测预警，针对如此复杂地质条件下的深基坑进行监测分析，国内外鲜有相关的先例及经验。

本文结合深圳前海地区某超深基坑支护工程，介绍了滨海深厚淤泥地层条件下深基坑监测方案设计，对支护结构深层水平位移、沉降、支撑轴力、立柱沉降及地下水位等监测项目进行深入分析，揭示了监测对象在整个开挖过程中的变化规律，并针对监测过程中的数次险情提供了处理建议，以供类似工程参考。

1 工程简介

1.1 工程概况

项目位于深圳市南山区前海地区，占地面积约2 700 m2，地上为26层建筑，4层地下室，地上建筑采用现浇钢筋混凝土框架核心筒结构体系，基坑南侧和西侧为住宅小区，基础形式为桩基础，其余两侧为市政道路，道路下铺设有大量市政管线。本基坑项目坑壁地层主要为杂填土、淤泥、黏土层，坑底主要为含黏土砂、砾质黏性土以及下伏花岗岩，各地层物理力学性质指标如表1所示。

表1 土层物理力学性质指标

1.2 支护设计方案

本项目基坑采用顺做法施工，受用地红线及周边环境限制，除顶部可进行适当放坡处理外，其他支护结构不能进入隔壁地块，因此锚索施工受到限制，最终的基坑支护设计方案选择了支护桩+混凝土内支撑的支护形式，支护结构的典型剖面如图1所示。

图1典型支护剖面图

主要的支护结构设计如下：(1) 基坑开挖深度20.0 m～23.7 m，开挖范围内存在较厚的软弱土层，周边环境复杂，破坏后果严重，结合规范，基坑支护安全等级为一级；(2) 基坑支护采用支护桩+内支撑的支护形式，支护桩采用旋挖灌注桩，桩径1.5 m，桩间距1.8 m，桩长根据各剖面地质情况有所不同，从上至下设置四道钢筋混凝土内支撑，内支撑以角撑布置为主；(3) 立柱桩下部采用直径1.2 m的混凝土灌注桩，上部插入直径0.7 m，壁厚0.01 m的钢管，钢管内同时灌入混凝土以形成支护体系；(4) 考虑场地地质条件及安全经济的原则，采用桩间单管旋喷桩作为止水帷幕，旋喷桩直径0.6 m，进入砂层至少1.0 m以达到止水效果。

2 监测方案设计

2.1 监测项目

本项目基坑设置的监测项目具体详见表2，监测点的分布及位置详见监测平面图(见图2)。

表2 监测项目表

图2监测点平面布置图

2.2 监测频率及预警值设置

监测频率和监测报警值是基坑监测的重要内容，监测频率应能系统反应出监测对象所测项目的重要变化过程，根据设计要求及相关规范并结合基坑类别、不同施工阶段以及当地经验综合确定。监测预警值应满足基坑工程设计及周边环境中重要建(构)筑物的控制要求，根据设计要求结合基坑安全等级、周边环境要求确定。本监测项目的监测频率和预警值如表3和表4所示。

表3 监测频率表

表4 监测项目累计值

注：监测项目的变化速率达到表中规定值或连续三天超过累计值的80%应报警。

2.3 监测工作完成情况

本监测项目自2012年12月进场，2013年1月开始开挖土方，2013年10月开挖到基坑底，2013年11月底开始拆撑进行地下室施工，到2014年5月基坑回填完毕结束，监测时间共18个月，基坑共监测499次，监测周报74期，监测期间按照设计的监测频率及时监测，并提交监测数据。监测期间，共报警多次，及时进行了预警并提供了解决建议。

3 监测结果及分析

3.1 沉降监测

本项目沉降监测共分为地表沉降、支护桩沉降以及立柱桩沉降三类，选取了典型的几个监测点进行分析，其随时间的主要变化趋势如图3所示。

图3典型监测点沉降随时间的变化曲线

地表沉降主要发生在土方开挖期间，基坑开挖至基坑底后，沉降变形趋于稳定。本项目地表沉降变形监测值均较大，沉降最大点发生基坑西北侧，累计沉降量为61.2 mm，而原设计地表沉降允许值为±50 mm，报警值为±40 mm，监测期间数次出现报警，经分析，主要是场地内存有深厚的淤泥，基坑开挖深度较大，虽有止水帷幕措施，但开挖期间不可避免的出现基坑顶部的地表沉降，鉴于基坑周边距离既有建筑物有一定距离，且建筑物为桩基础形式，后经设计变更将地表沉降允许值调整为±80 mm，报警值调整为±64 mm，后未出现异常情况。建议类似分布有深厚填土及淤泥的场地，如周边无重要建筑物，可适当放宽地表沉降允许值，但若基坑顶存有浅基础建筑物或其它对沉降敏感的建筑物，应充分考虑到基坑开挖期间将出现的地表沉降问题，以做好应对措施。

本项目支护桩及立柱桩沉降监测值均较小，支护桩累计沉降量最大为8.1 mm，立柱桩累计沉降量在10.9 mm～15.9 mm之间，均未超过报警值。

3.2 水平位移监测

本项目水平位移监测主要分为支护桩顶部水平位移监测以及桩体深层水平位移(测斜)监测两类，选取了典型的监测点进行分析，其中，桩顶水平位移随时间的变形曲线如图4所示，桩体深层水平位移的典型变化曲线如图5所示。

图4 桩顶水平位移随时间的变化曲线

图5典型桩体深层水平位移随时间的变化曲线

通过图4可以发现，桩顶水平位移主要发生在土方开挖期间，基坑开挖到底后，变形逐渐趋于稳定。对比各个监测点的水平位移值，发现基坑西侧、北侧水平位移较大，其他侧位移较小，经分析，主要是由于西北两侧地质情况较差所致。原设计桩顶水平位移允许值为±30 mm，报警值为±24 mm，在基坑开挖到底时，西侧有两个监测点累计值达到39.7 mm和32.5 mm，北侧有一个监测点累计值达到35.4 mm，进行预警后分析认为，个别监测点水平位移累计值虽超过允许值，但根据其变化趋势已较为稳定，基坑开挖到底后变形预计不会再继续发展，并结合现场巡查以及其他监测项目的数据，认为基坑整体处于安全稳定状态，后设计变更将允许累计值调整为40 mm，后期底板施工完毕后、拆撑及回填期间，经继续监测，水平位移未出现继续发展的趋势。建议类似深基坑项目，施工应严格按照工序有序进行，土方开挖速度不可过快，并尽量减少基坑暴露时间，开挖到基底后应加密监测频率、及时反馈变形信息，并应尽快施工底板以封闭坑底。

根据图5可知，桩体的深层水平位移变化主要发生在土方开挖过程中，土方停止开挖及地下室施工期间测斜变化值较小。深层水平位移在桩体的最上部的几米范围内出现向坑外发展的趋势，这可能与支护桩顶部存在放坡卸载以及行车荷载的原因造成。在桩体的中下部，深层水平位移向基坑内发展，随着深度加深，水平位移逐渐变大，在接近基坑底的位置，即接近桩身的三分之二深度处，深层水平位移达到最大值，随着深度继续加深，深层水平位移逐渐减小。各深层水平位移监测点累计变化值均较小，未出现超过报警值的情况，测斜曲线也较为平滑未出现明显拐点。

3.3 支撑轴力监测

选取典型的支撑轴力随时间的变化曲线如图6所示，第一道支撑施工后，2013年1月份开始土方开挖，该层支撑轴力迅速增加，2月份第二道支撑浇筑完成，首层支撑轴力达到最大值，随后第二道支撑的轴力开始迅速增加，首层支撑轴力开始逐渐减小，随后一直保持一个较小的数值。第二、第三道支撑轴力随着土方开挖都迅速增加，第二道支撑轴力一直保持在10 000 kN左右，第三道支撑轴力达到13 000 kN左右，其后在工作状态一直保持较高的数值。2013年5月份，第四道支撑施工完毕开始进行工作状态，其支撑轴力迅速增加至最大值，但在数值上只有约7 000 kN，远远没有达到第二、第三道支撑轴力的数值，并且在第四道支撑进入工作状态后，第二、第三道支撑轴力并没有出现下降的趋势。2013年11月底开始拆撑工作，支撑轴力的监测工作继续进行，一直等到拆撑完毕后结束。原支撑轴力监测报警值为累计到达12 000 kN后报警，在基坑东北角出现第三道支撑轴力达到13 000 kN后报警的情况，后结合其他监测项目经分析认为，支撑轴力局部出现较大值为正常现象，要求继续加强监测，并密切注意其发展动向，后土方开挖到底后支撑轴力未出现继续加大的趋势。建议类似深基坑项目在施工至基坑底附近时，应加强对第二、第三道支撑轴力的监测工作，注意巡查支撑表面是否出现裂纹等现象，并可在设计阶段就采取增加第二、第三道支撑的截面面积等加强措施，以保障基坑的安全。

3.4 地下水位监测

地下水位沿基坑周边布置，每边各布置一点，共4点，图7为选取的典型地下水位随时间的变化曲线，可以发现地下水下降主要发生在土方开挖阶段，直至底板浇筑完成后水位逐渐稳定，在基坑回填期间，基坑水位回升，累计水位变化为3 m左右。原设计为水位累计变化2 m后预警，鉴于基坑周边离现有建筑物较远，且建筑物为桩基础，后将水位报警值调整为3 m，并继续加强对地下水位的监测工作。值得注意的是，地下水位的下降与地表沉降加大是密切相关的，两者一般呈正相关性，建议类似基坑顶若存有浅基础建筑物或其它对沉降敏感的建筑物，应充分考虑到基坑开挖期间地下水位下降造成的影响，并采取加强止水帷幕并预留回灌井等有效措施。

图6 典型支撑轴力随时间的变化曲线

图7地下水位随时间的变化曲线

4 结 论

(1) 监测项目中地表沉降以及地下水位下降主要发生在土方开挖期间，基坑开挖至基坑底后，沉降变形和地下水位下降趋于稳定。在分布有深厚填土及淤泥的场地，地表沉降以及地下水下降数值较大，但支护桩及立柱桩沉降较小，如周边无重要建筑物，可适当放宽地表沉降以及地下水位下降允许值。

(2) 桩顶水平位移在基坑开挖阶段迅速增加，基坑开挖到底后，变形逐渐趋于稳定。桩体深层水平位移大部分向基坑内发展，随着深度加深，水平位移逐渐变大，在接近桩身的三分之二深度处，深层水平位移达到最大值。建议类似深基坑项目，施工应严格按照工序有序进行，尽量减少基坑暴露时间，开挖到基底后应加密监测频率、及时反馈变形信息，并应尽快施工底板以封闭坑底。

(4) 在施工过程中出现多项监测数值超过预警值的情况，通过及时反馈监测信息、对比各项监测数据以及采取加强监测等有效应对措施。