考慮“拱效應(yīng)”的圓形基坑支護結(jié)構(gòu)現(xiàn)場監(jiān)測試驗分析

羅 輯，屠 越，顧衛(wèi)兵

(國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇南京 210000)

基坑工程作為一切建筑工程的基礎(chǔ)，其重要地位愈加顯著。圓形支護作為一種特殊的基坑支護類型，具有明顯的空間“拱效應(yīng)”，能夠?qū)o結(jié)構(gòu)受到的土壓力轉(zhuǎn)化為環(huán)向應(yīng)力，減弱支護結(jié)構(gòu)的變形?；颖O(jiān)測[1-4]包含支撐內(nèi)力和基坑變形兩大類，所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以判斷基坑的安全程度。在圓形支護結(jié)構(gòu)受力變形研究中，Tan[5]等對上海大直徑圓形深基坑進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)隨著基坑的開挖，支護結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力增加，當開挖至基坑底部時，圍護結(jié)構(gòu)應(yīng)力達到最大值。宋青君[6]等通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)圓形地下連續(xù)墻的徑向位移明顯小于同等條件下的條形地下連續(xù)墻的側(cè)向位移。劉春源[7]等對軟弱土層的地下連續(xù)墻進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)嚴格控制施工工序，是減小結(jié)構(gòu)傾斜側(cè)移的最有效方法。黃海云[8]等分析環(huán)球金融中心塔樓圓形深基坑工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)，證實了100 m圓形深基坑中的“拱效應(yīng)”效果依舊顯著。劉波[9]依托“上海中心”塔樓深大圓形基坑實測數(shù)據(jù)，分析了基坑施工中的受力與變形特性，發(fā)現(xiàn)土方開挖均勻、地面車輛荷載分布、環(huán)撐對稱是影響圓形支護結(jié)構(gòu)受力與變形的重要因素。在基坑地表沉降方面，武立波[10]對圓形地連墻基坑在施工過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)當圓形支護結(jié)構(gòu)嵌入巖石層時，其相應(yīng)的側(cè)向位移與地表沉降均顯著降低。孫文懷[11]等對圓形基坑沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)地表沉降主要受降水、開挖深度與施工速度的影響。

1 工程概況

本工程位于南京市江寧區(qū)將軍大道與繞越高速交叉位置，共計兩座頂管井，頂進工作井、接收井各一座，間距158 m。圓形工作井位于繞越高速南側(cè)，外徑9.0 m，內(nèi)徑7.0 m，結(jié)構(gòu)高為10.8 m，井壁厚0.5 m，底板厚0.6 m。圓形接收井位于繞越高速北側(cè)，外徑9.0 m，內(nèi)徑7.0 m，結(jié)構(gòu)高為10 m，井壁厚0.5 m，底板厚0.6 m。工作井與接收井均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，采用逆作法施工。接收井采用高壓旋噴樁為止水帷幕，鉆孔灌注樁為主要的支護結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)部的混凝土側(cè)墻與上部鎖口將其所有的灌注樁連接成一整體，共同構(gòu)建成圓形基坑支護結(jié)構(gòu)。

根據(jù)本次勘測調(diào)查結(jié)果及已有工程地質(zhì)資料顯示，接收井勘探深度范圍內(nèi)的地基土主要由1-2填土、2-1粉質(zhì)黏土、3-1粉質(zhì)黏土、3-2粉質(zhì)黏土和5-1強風化泥質(zhì)粉砂巖組成。具體基坑開挖與支護設(shè)計參數(shù)見圖1、表1。

圖1 接收井周圍土層剖面(單位：m)

2 現(xiàn)場試驗

2.1 設(shè)計方案

根據(jù)對基坑周邊環(huán)境、土質(zhì)條件及開挖深度等方面綜合考慮，結(jié)合類似工程經(jīng)驗，制定接收井的支護方案。

接收井外圍為直徑600 mm，水平間距400 mm，樁體搭接200 mm的高壓旋噴樁做止水帷幕，樁長為11.1 m，采用雙重管法。中間采用直徑800 mm，水平間距1 000 mm，混凝土強度等級C30的鉆孔灌注樁作為支護結(jié)構(gòu)，樁長為16.0 m。支

表1 基坑開挖與支護設(shè)計參數(shù)

護結(jié)構(gòu)外徑為9 m,內(nèi)徑為7 m，樁頂部采用寬為1 m，高為1 m的C30鋼筋混凝土冠梁，其內(nèi)部采用C30鋼筋混凝土做側(cè)墻，不設(shè)置內(nèi)支撐。接收井基坑平面圖如圖2所示，接收井基坑剖面如圖3所示。

圖2 收井基坑平面(單位：mm)

圖3 接收井基坑剖面(尺寸單位：mm；高程單位：m)

2.2 監(jiān)測內(nèi)容

為確保工程及其周邊環(huán)境的安全，施工時從以下幾個方面進行監(jiān)測：

(1)接收井樁體深層水平位移監(jiān)測。

(2)接收井表面水平位移。

(3)接收井周圍表面沉降監(jiān)測。

(4)基坑外地下水位監(jiān)測。

根據(jù)相關(guān)測量規(guī)范，結(jié)合現(xiàn)場施工要求，進行監(jiān)測點位的布設(shè)。如圖4所示，深層水平位移共布置了四個點：CX-1、CX-2、CX-3和CX-4，均布在圓形接收井邊上，埋設(shè)深度為16 m。在臨近基坑冠梁的邊上布置了兩個水位監(jiān)測點，標號SW-1、SW-2。根據(jù)相關(guān)規(guī)范并結(jié)合現(xiàn)場情況，接收井表面水平位移監(jiān)測點與地表沉降點共用一個測點，標號CJ-1、CJ-2、CJ-3和CJ-4。

圖4 基坑施工監(jiān)測平面

2.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.3.1 深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

對測斜點位CX-1、CX-2、CX-3和CX-4的數(shù)據(jù)進行分析，得到不同工況下灌注樁的深沉水平位移變形曲線，如圖5～圖8所示。變形曲線從下到上逐漸增大，呈現(xiàn)為向坑內(nèi)的拋物線發(fā)展，主要表現(xiàn)為下面小、中間大，上面收斂的“山丘”形式。

圖5 測斜孔CX-1位移隨深度變化曲線

圖6 測斜孔CX-2位移隨深度變化曲線

圖7 測斜孔CX-3位移隨深度變化曲線

圖8 測斜孔CX-4位移隨深度變化曲線

以CX-1為例，當開挖至2.1 m時(工況1)，最大深層水平位移為0.42 mm，此時，深層水平位移并不大；開挖至5.1 m時(工況2)，最大深層水平位移為3.2 mm，樁頂?shù)奈灰崎_始受到限制，樁頂處位移為2.4 m，兩者相差25.0 %；開挖至8.1 m時(工況3)，最大深層水平位移為5.69 mm，樁頂處位移為4.0 m，兩者相差29.7 %；開挖至11.1 m時(工況4)，最大深層水平位移為11.5 mm，樁頂處位移為7.2 m，兩者相差37.4 %。可以看出，隨著工況的增加，最大深層水平位移增長速率逐漸加快，這是土體開挖應(yīng)力釋放的結(jié)果；樁頂位移的限制逐漸加大，這是冠梁“拱效應(yīng)”影響的結(jié)果，可以看出，開挖深度的增加會導(dǎo)致圓形基坑 “拱效應(yīng)” 的增強。

冠梁有效連接每根灌注樁，使灌注樁產(chǎn)生一定的空間約束能力，即圓形基坑的“拱效應(yīng)”，有效限制了灌注樁向坑內(nèi)變形。CX-1、CX-2、CX-3、CX-4的最大位移依次為11.5 mm、10.9 mm、12.6 mm、7.5 mm；CX-1、CX-2、CX-3、CX-4的頂部位移依次為7.2 mm、7.1 mm、8.1 mm、7.5 mm；由于冠梁所產(chǎn)生的“拱效應(yīng)”使得其變形相較于最大深層位移減少了37.4 %、34.9 %、35.7 %、37.0 %，在一定程度上反應(yīng)“拱效應(yīng)”能有效減少圍護結(jié)構(gòu)的變形。

2.3.2 表面水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

由圖9可以看出，表面水平位移曲線變化趨勢較為平緩，局部會出現(xiàn)陡峭的情況，這是正常的。當開挖深度較小時，水平位移變化不大，隨著基坑不斷開挖，變形量逐次增加，這是土體應(yīng)力釋放的結(jié)果。當開挖結(jié)束后，由于施工現(xiàn)狀不變，導(dǎo)致變化又趨于平緩?？傮w來說，接收井表面水平位移變化不大，呈 “階梯”走勢。

圖9 CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4表面水平位移累計值隨時間變化曲線

以CJ-1為例，當開挖至2.1 m時(工況1)，最大表面水平位移為0.41 mm，開挖期間，表面水平位移變化速率最大為0.12 mm/d，變化速率不大；當開挖至5.1 m時(工況2)，最大表面水平位移為2.30 mm，開挖期間，表面水平位移變化速率最大為0.36 mm/d，變化速率是整個開挖過程最大的；當開挖至8.1 m時(工況3)，最大表面水平位移為3.33 mm，開挖期間，表面水平位移變化速率最大為0.20 mm/d；當開挖至11.1 m時(工況4)，最大表面水平位移為7.03 mm，開挖期間，表面水平位移變化速率最大為0.33 mm/d。隨著工況的增加，表面水平位移的速率先增大后減小，這與一般基坑位移發(fā)展略有不同，究其原因是隨著基坑深度的增加，冠梁產(chǎn)生的 “拱效應(yīng)”得到加強，在一定程度上限制了表面水平位移的發(fā)展。

當工況4時CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4測點的地表水平位移最大，依次為7.03 mm、6.95 mm、8.04 mm、7.24 mm。其中CJ-1最大變化速率為0.36 mm/d，發(fā)生在工況2；CJ-2最大變化速率為0.40 mm/d,發(fā)生在工況2；CJ-3最大變化速率為0.40 mm/d,發(fā)生在工況4；CJ-4最大變化速率為0.41 mm/d,發(fā)生在工況2。以上數(shù)據(jù)遠小于其相應(yīng)的監(jiān)測預(yù)警值，基坑較為安全。

2.3.3 地表沉降位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

由圖10 CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4地表沉降位移累計值隨時間變化曲線，可以看出，累計沉降量呈現(xiàn)“階梯”型增長，當工況4時，CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4監(jiān)測點的累計最終沉降量為11.41 mm、11.28 mm、12.28 mm、12.52 mm，其中CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4監(jiān)測點沉降最大速率為0.68 mm/d、0.64 mm/d、0.72 mm/d、0.75 mm/d，遠小于其相應(yīng)的監(jiān)測預(yù)警值，并未出現(xiàn)較大的不均勻沉降，工程較為安全，滿足基坑使用要求。

圖10 CJ-1、CJ-2、CJ-3、CJ-4地表沉降位移累計值隨時間變化曲線

以CJ-1為例，當開挖至2.1 m時(工況1)，最大地表沉降位移為0.82 mm，開挖期間，地表沉降位移變化速率最大為0.38 mm/d；當開挖至5.1 m時(工況2)，最大地表沉降位移為2.69 mm，開挖期間，地表沉降位移變化速率最大為0.48 mm/d；當開挖至8.1m時(工況3)，最大地表沉降位移為5.05 mm，開挖期間，地表沉降位移變化速率最大為0.46 mm/d；當開挖至11.1 m時(工況4)，最大地表沉降位移為11.41 mm，開挖期間，地表沉降位移變化速率最大為0.42 mm/d。當基坑開挖至相應(yīng)標高時，產(chǎn)生的沉降速率較大；當相應(yīng)標高開挖結(jié)束時進入側(cè)墻施工時，其相應(yīng)的沉降增長速率漸入緩慢?？梢钥闯?，冠梁的“拱效應(yīng)”對表面水平位移影響不大，其變化規(guī)律與一般基坑相似。可能是土體應(yīng)力釋放與灌注樁側(cè)移這兩部分的原因讓冠梁“拱效應(yīng)”的表現(xiàn)作用不明顯。

2.3.4 地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)

由圖11 地下水位SW-1、SW-2隨時間變化曲線可以看出，水位隨時間變化曲線比較平緩，SW-1測點的最大水位為-5.50 m，最大變化范圍是0.4 m，相對于初始水位最大下降了0.07 m；SW-2測點的最高水位為-3.58 m，最大變化范圍是0.32 m，相對于初始水位最大下降了0.04 m。兩測點在2019年10月16日水位均達到最大值，是13～16日三日暴雨所致。在基坑開挖的過程中，水位呈現(xiàn)一定的波動，總體來看，水位呈下降趨勢，但下降幅度較小，最大水位變化值小于監(jiān)測預(yù)警值，可以看出本工程中的高壓旋噴樁止水效果較好。

值得注意點的是，SW-1、SW-2的水位高差將近2 m，其主要原因是SW-1地處基坑的最高地勢，而SW-2地處基坑地勢較低，這造成了兩者水位的差距。

圖11 地下水位SW-1、SW-2隨時間變化曲線

3 結(jié) 論

(1)深層水平位移曲線從下到上逐漸增大，且變化速率也逐漸增大，由于只有冠梁而沒有內(nèi)支撐，曲線呈現(xiàn)為下面小、中間大，上面收斂的“山丘”拋物線形式。隨著工況的增加，CX-1最大深層水平位移增長速率先增大后減小，可以看出，開挖深度的增加會導(dǎo)致圓形基坑 “拱效應(yīng)” 的增強。

(2)表面水平位移曲線變化趨勢較為平緩，局部會出現(xiàn)陡峭，呈“階梯”走勢，這是隨著基坑的開挖(工況1～工況4)應(yīng)力釋放的結(jié)果，符合一般基坑變形規(guī)律。結(jié)合深層水平位移數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，圓形基坑變形向基坑內(nèi)發(fā)展，不是完全軸對稱的，也未發(fā)生整體向某一方向傾斜。

(3)地表沉降位移曲線呈 “階梯”形式平緩增加，當基坑開挖時，其變化速率增大，隨著基坑開挖深度的增加，土的應(yīng)力釋放得到加強，同時灌注樁的側(cè)移也會使得地表沉降進一步的發(fā)展。各測點的最終沉降值基本相當，并未出現(xiàn)不均勻沉降，當基坑停止開挖時，其累計沉降量逐漸趨于平緩并不再增加。

(4)水位變化曲線走勢較為平緩，總體來看，水位呈下降趨勢，但下降幅度較小。相應(yīng)測點的最大變化范圍均在0.5 m之內(nèi)，符合相關(guān)要求。本工程中的高壓旋噴樁止水效果較好。