相邻基坑先后开挖互相影响研究

郭思磊

(中铁十四局集团建筑工程有限公司,山东 济南 250000)

0 引言

工程施工中,有时受场地限制,需要在既有基坑周边开挖坑外坑,或者大基坑内部存在不同深度的坑中坑,相邻基坑之间的地基受力及变形特征、稳定性等无疑变得更加复杂,给理论设计及工程实践都提出了新的挑战。与单基坑相比,相邻基坑之间存在明显耦合作用,围护结构的变形、受力和对周围环境的影响也变得更加复杂[1-2]。特别是在软土地区,由于淤泥质土层强度低、压缩性高等特点,相邻基坑开挖的相互影响效应尤为明显,施工中不得不予以考虑。目前,大多是根据经验判别施工时可能出现的问题,只是针对特定的实例提出某个观点,未能形成较为系统的理论,施工中可借鉴资料匮乏。许多专家学者已对相邻基坑同步开挖产生的相互影响进行了研究。张竹庭[3]利用二维数值模拟分析了相邻基坑交界处土坡的稳定性;陈江等[4]研究了连续墙在相邻深基坑同时开挖工况下的受力,分析了围护墙顶部水平位移、沉降、支撑轴力的变化规律;马雪妍等[5]对软土地区相邻基坑开挖时序对围护结构位移的影响进行了研究;文仁学等[6]对复杂填海地层相邻超大深基坑开挖相互影响稳定性进行了分析研究;秦奇峰[7]研究了基坑开挖对相邻建筑物的影响。

1 工程实例

本工程为昆明地铁5号线工程世博车辆段,位于昆明市东三环与白龙路交叉口东南侧,西南林业大学以北,建筑面积39万m2,设有2座综合楼、停车列检库等功能单体建筑。勘察期间水深1.5 m。各结构物相对位置及地质情况如图1所示。

1)车辆段落地区基坑。车辆段落地区基坑宽度45 m,长度250 m,底板埋深约16.5 m。围护结构采用放坡+地连墙结合内支撑,明挖顺作法施工。

围护结构开挖深度约13 m,采用地连墙围护,墙厚1.0 m,深度约28 m,内支撑采用1道混凝土支撑+1道型钢支撑,坑底设置旋喷桩裙边加固。主体结构形式为三柱四跨箱型结构,底板厚1.5 m。其主要结构断面见图2。

第一道为混凝土支撑,水平桁架混凝土对撑组,混凝土支撑间距9 m,布置如图3所示。

第二道为型钢支撑,型钢截面HW400×400×13×21支撑,每组3根～4根,布置如图4所示。

2)楼座基坑设计方案。在车辆段落地区基坑外同步施工2处楼座钢板桩基坑,深度约8 m,钢板桩长18 m,一道钢支撑,围檩为3拼Ⅰ40工字钢,支撑为φ609 mm×14 mm钢管,钢板桩布置及结构立面如图5,图6所示。

2 施工监测

本处施工安全风险涉及两个方面:一是车辆段落地区基坑开挖的安全及对邻近楼座基坑的影响,二是邻近楼座基坑本身开挖时的安全状况。

2.1 监测项目

主要针对车辆段落地区基坑及相邻楼座钢板桩基坑进行监测。

车辆段落地区基坑监测项目主要有:

1)围护墙顶水平竖向位移;2)围护墙体深层水平位移;3)立柱水平竖向位移;4)支撑轴力;5)邻近桥墩承台观测点。

楼座钢板桩基坑监测项目主要有:

1)钢板桩深层水平位移;2)桩顶水平竖向位移;3)支撑轴力。

基准点在基坑施工前设置,监测项目在开挖前应测得初始值,且不少于两次。位移和沉降观测基点应设在影响范围以外,主要监测项目测点应设置在观测量最大处。

2.2 监测控制值

本项目施工安全监测等级为一等,构筑物及周边岩土体监测控制值按表1采用。

表1 车辆段落地区基坑变形监测控制值

3 工况介绍

根据施工安排,车辆段落地区基坑先行开挖,2个楼座基坑后开挖,步序如下:

步骤1):施作钢板桩和地下连续墙围护,施作双轴搅拌桩及袖阀管注浆地基加固土。

步骤2):落地区基坑施作冠梁及混凝土支撑(见图7)。

步骤3):落地区基坑开挖至钢支撑底部,施作围檩以及钢支撑。

步骤4):落地区基坑开挖至基底设计标高(如图8所示)。

步骤5):落地区基坑开挖完成后,2个楼座基坑同时开挖,施作围檩及支撑。

步骤6):楼座钢板桩基坑开挖至底部(见图9)。

4 数据统计

将实测位移及轴力数据导入软件,自动生成相应图表,便于对比分析。

4.1 落地区基坑围护结构

4.1.1 地下连续墙监测

1)车辆段落地区基坑开挖至基底时。地下连续墙围护结构位移如图10所示,水平方向总位移最大为21.62 mm,位移最大值出现在距地连墙顶部约10 m的位置。

2)楼座钢板桩基坑开挖至基底时。1号、2号楼座基坑同时开挖,此时落地区基坑地连墙围护结构位移如图11所示,水平方向总位移最大为21.64 mm,位移最大值出现在距离地连墙顶部10 m位置。

为直观对比地连墙在单基坑开挖和双基坑开挖工况下的水平位移变化,在基坑两侧长边向各取3个位置,根据实测数据,绘制最终开挖步下地连墙沿深度下的变形曲线,如图12所示,其中1-1′和3-3′分别为距离楼座钢板桩最近的位置。

1-1′最大水平向位移约为10.1 mm;3-3′最大水平位移约为11.9 mm,出现在地连墙深度约8 m的位置,如图13所示。

4.1.2 内支撑

1)车辆段落地区基坑开挖至基底时。基坑内支撑围护结构位移如图14所示,水平方向总位移最大为16.71 mm。

重点关注落地区邻近钢板桩附近的钢支撑变形,统计实测支撑轴力图,如图15所示,拉为正压为负,其轴力最大值为1 567.54 kN。

2)楼座钢板桩基坑开挖至基底。车辆段落地区基坑内支撑围护结构位移如图16所示,水平方向总位移最大为16.72 mm。

重点关注落地区基坑邻近钢板桩附近的钢支撑变形,统计实测支撑轴力,如图17所示,拉为正压为负,轴力最大值1 556.64 kN。

4.2 对楼座围护结构的影响

4.2.1 钢板桩

楼座基坑开挖至底部时,围护结构位移如图18所示,水平方向总位移最大为9.85 mm。

4.2.2 内支撑

楼座基坑开挖至底部时,内支撑位移如图19所示,水平方向总位移最大为8.82 mm。

统计实测支撑轴力图如图20所示,轴力最大为311.64 kN。

5 数据汇总

为了研究车辆段落地区基坑及其与1号、2号楼座基坑开挖过程中的相互影响,以地连墙、钢板桩为主要研究对象,统计了各开挖步骤下的围护结构变形及支撑内力如表2所示。

表2 车辆段落地区基坑及楼座钢板桩围护结构变形及内力详表

6 统计分析

6.1 单基坑开挖

开挖步骤1)—4)时,车辆段落地区基坑远离楼座基坑区域(5-5′和6-6′处)几乎不受相邻基坑开挖影响,可视作单基坑开挖。

6.1.1 围护墙侧移

从上图可以看出,单工况下,水平方向最大侧移为20.52 mm,位于地面以下10 m处,两侧围护墙侧移曲线对称,随着开挖深度的增加,最大侧移点深度逐渐下移,同时墙体下端出现明显的踢脚现象。

6.1.2 围护墙轴力

远离双基坑开挖处,支撑轴力对称分布,最大轴力为1 567.54 kN。

6.2 双基坑开挖

6.2.1 围护墙侧移

两端围护墙侧移分布规律类似,墙顶侧移量较小,随着土层深度的增加,墙体侧移先增大后减小,最大侧移位于埋深约10 m位置处。由于受楼座侧基坑开挖卸载影响,水平位移比单基坑开挖时要小。

6.2.2 围护墙轴力

远离双基坑开挖处,支撑最大轴力为1 567.54 kN,1号、2号楼钢板桩基坑开挖至底部后,支撑最大轴力变为1 556.64 kN,表明相邻基坑开挖后,对本体基坑存在明显的卸载效应。

7 结论和建议

7.1 结论

软土地区基坑工程受相邻基坑开挖的相互影响,呈现以下特征:

1)相邻基坑开挖将引起本体基坑整体向相邻侧的附加位移,且根据两个基坑施工顺序的不同,本体基坑两侧围护墙产生附加位移的大小也不同。当采用同步施工时,近端墙附加位移远大于远端墙,对基坑安全不利。

2)本体基坑与相邻基坑之间夹心土的位移存在明显的叠加效应,相邻基坑的开挖将显著增加该部分土体的位移量,这对地表沉降的控制极为不利。基坑的开挖顺序对夹心土地表最终变形量影响不大。

3)受格构柱和横向支撑的影响,支撑轴力呈现两端高、中间低的分布特点。相邻基坑的开挖将引起本体基坑土压力的非对称分布,进一步引起支撑轴力的非对称分布,靠近相邻基坑一侧支撑轴力较小。

7.2 建议

为确保整体工程安全,建议采取如下措施:

1)继续楼座基坑与车辆段落地区基坑邻近地层,可考虑施作一排抗滑桩或插打一排钢管桩,增加整体刚度。

2)所有基坑挖土卸载应分层、缓慢进行,施工前及施工过程中及时动态检测围护结构变形情况,发现调整时及时修整。

3)优先考虑车辆段落地区基坑与楼座基坑相邻区域范围内测点的布置与保护,确保测点数据能真实反映围护结构变形以及施工过程中数据的完整性,对于因意外而导致测点损坏的情况,需及时对测点进行补充布置。

4)在车辆段落地区基坑与楼座钢板桩基坑开挖过程中,加强监控量测(至少一天两测),当监测数值达预警限值时,应立即停止施工,根据动态评估结果调整施工工艺和工程措施。