1、高层建筑深基坑在长江沿岸不良地层施工中的监测分析与风险控制 江筠 张晓鹏 熊海 陈建林 王静 樊荣丰 武汉建工集团股份有限公司 摘 要： 以武汉长江沿岸某高层建筑深基坑工程为例, 依据地勘报告进行基坑支护方案设计, 并建立有限元模型进行模拟分析以优化设计方案;在施工过程中则将现场基坑变形监测数据与有限元模型理论值进行对比分析, 研究软弱不良土层深基坑开挖过程中的支护结构和止水帷幕的变形、周边地表沉降和水平位移、深层土体水平位移等变化规律。最后, 结合现场实际监测分析情况, 提出风险控制措施, 确保了基坑开挖安全, 可为类似工程提供技术参考。关键词： 长江沿岸; 建筑深基坑; 不良地层; 有限元
2、; 监测分析; 风险控制; 作者简介：江筠 (1983) , 男, 本科, 高级工程师。通信地址:湖北省武汉市汉口火车站金家墩武汉建工大楼 (430023) 。收稿日期：2017-08-04Monitoring Analysis and Risk Control over High-Rise Building Deep Foundation Pit Construction in Adverse Stratum Adjacent to Yangtze River BankJIANG Yun ZHANG Xiaopeng XIONG Hai CHEN Jianlin WANG Jing FAN
3、Rongfeng Wuhan Construction Engineering Co., Ltd.; Abstract： Taking the deep foundation pit of a high-rise building along the Yangtze River in Wuhan as an example, the design of foundation pit support scheme has been carried out according to the geological survey report, and a finite element model h
4、as been established for simulate analysis to optimize the design scheme. During the construction process, the site monitoring data of foundation pit deformation and the theoretical value of the finite element model have been compared and analyzed so as to study the variation rule from the aspects of
5、 supporting structure and waterproof curtain deformation, surrounding ground settlement and horizontal displacement, horizontal displacement of deep soil, in the process of deep foundation pit excavation in poor soft soil layer. Finally, based on the actual monitoring and analysis of the site, the r
6、isk control measures have been put forward so as to ensure the safety of foundation pit excavation, which can provide technical references for similar projects.Keyword： along bank of Yangtze River; building deep foundation pit; poor geology; finite element; monitoring analysis; risk control; Receive
7、d： 2017-08-041 工程概况背景工程位于武汉市中心城区, 地上建筑高 150 m, 地下室 2 层, 深 12.8 m。基坑东侧距武汉市和平大道约 13 m, 距建成地铁 2 号线控制线约 6.8 m, 用地红线即为在建地铁 5 号线控制线;西侧距离某高层住宅小区 (1318 层住宅楼) 围墙 810 m;地下室距长江的直线距离为 236 m (图 1) 。2 工程地质及水文地质情况本工程地貌单元属长江一级阶地, 设计地面整平标高为 24.8 m。本基坑工程受影响最大的不良地层主要包括: (5) 层淤泥质黏土, (6) 层粉质黏土夹薄层粉土、粉砂, (7) 层粉细砂夹淤泥质粉质黏土
8、(图 2) 。图 1 基坑平面布置 下载原图据勘察, 场地地下水类型主要为上层滞水及承压水, 其中承压水赋存于杂填土以下的淤泥质粉质黏土中, 其稳定水位在地表下 2.53.3 m, 水位及水量较为稳定, 并接受长江侧向补给, 水量丰富。图 2 不良地层分布及周边环境示意 下载原图3 深基坑设计施工技术路线分析3.1 地勘报告主要地质不良土层风险分析3.1.1 粉土夹薄层性质及不良影响由工程地质及水文情况可看出, 该粉土夹层呈软塑状态, 饱含水。由于粉土夹层的水平渗透性大于垂直渗透性, 故当基坑开挖至该土层时, 孔隙承压水在地下水压作用下, 将直接进入基坑, 形成坑底隆起、侧壁涌砂涌水、失稳等病
9、害及引起周边建筑物沉降等不良影响。3.1.2 淤泥质粉质黏土层性质及不良影响本工程淤泥质粉质黏土层压缩性大, 呈饱和、流塑状态, 具有触变性和流变性特点, 易形成滑动面, 且其力学性能较差, 分布范围及深度具有随机性, 与地表水、长江水位、地下水位存在相互作用, 增加了设计的不确定性和施工中的风险。淤泥质粉质黏土层在开挖过程中容易造成土体滑移, 对深基坑支撑体系中的桩基产生推动变形, 严重时会导致基坑支撑体系失稳。3.2 基坑支护方案预选对于本工程来说, 基坑开挖深度 12.8 m, 基坑场地为深厚软土, 工程地质与水文地质条件复杂, 基坑四周都没有施工场地。根据地勘报告并结合本地深基坑工程施
10、工经验, 经过支护设计单位及本公司专家分析后, 从工期和造价两方面综合考虑, 该基坑支护初步拟定采用钻孔灌注桩+1 层内支撑 (局部设置被动区加固) 的支护方式, 支护结构外围采用三轴水泥土搅拌桩止水帷幕。为保证在狭小的场地内进行深基坑作业, 在保证支护结构合理性和安全性的同时, 建立一整套监测、预报方案及相应的控制措施, 便于施工过程中进行风险控制1-2。3.3 深基坑开挖模拟分析3.3.1 基坑支护模型建立根据现场深基坑支护体系的施工顺序, 支护体系与土层的相互作用, 在数值分析中采用 ABAQUS 有限元软件建立土体与支撑体系相互作用的三维有限元模型 (图 3) 。在模型初始状态下进行土
11、初始应力平衡, 再通过生死单元来模拟分层对称开挖过程中基坑变形的变化规律。图 3 基坑支护结构模型 下载原图3.3.2 基坑开挖模拟及风险分析对基坑进行分层对称开挖模拟 (图 4) 。分层挖土打破了原有土体的应力平衡, 导致基坑周边土体产生滑移趋势, 开挖深度越大, 其受到的非平衡应力越大。邻近北侧 (高层建筑) 位置最易诱发基坑土体失稳, 在实际基坑施工中, 要重点监测该侧的荷载和变形, 保证基坑开挖过程中的安全。图 4 基坑土体位移云图 下载原图3.4 基坑支护方案优化在确定初步方案并模拟开挖后, 进行支护方案论证。经过各方专家的综合分析后, 提出优化意见:1) 北部靠长江在 500 m
12、防洪设防线内, 靠近高层住宅部分区域存在粉土夹层等不良地质情况, 在开挖过程中土体易出现滑移, 需在北侧进行被动区加固 (图5) 。对于靠近和平大道无建筑物一侧, 地勘报告未发现不良地层, 暂不考虑被动区加固, 但仍要布置监测点加强监控, 提前制订措施进行预防。图 5 基坑被动区加固示意 下载原图2) 在靠近地铁 2、5 号线控制线区域, 由于原设计支护桩施工对地铁隧道四周的土体造成较大扰动, 可能破坏地铁 2、5 号线隧道周边土体的稳定性, 存在较大安全隐患, 故应适当缩短该工程支护桩至 (6) 粉质黏土夹砂层以上。4 深基坑开挖监测及风险控制4.1 基坑监测方案根据周边建筑情况及支护模型分
13、析结果, 进行相应的监测点布置 (图 6) 。在施工中设置支护结构顶部 (冠梁) 水平位移监测点 ZH1、ZH2、ZH3, 邻近建筑物的沉降观测点 JC1、JC2, 基坑边坡地面沉降监测点 DC1 (地勘报告反映不良地质区域) 、DC2 (地勘报告中未反映不良地质区域, 加强监测) 。图 6 基坑平面监测点布置示意 下载原图4.2 基坑支护结构变形监测及对比分析本工程紧邻 3 栋高层建筑, 通过数值建模对邻近建筑物一侧的基坑位移变形进行了分析, 并将其结果与实测数据进行对比分析。由支护结构顶部 (冠梁) 位置 ZH1、ZH2、ZH3 点的水平变形曲线 (图 7) 可知, 3 个点的位移变化在基
14、坑分层开挖阶段较大, 曲线斜率也最大, 在开挖结束后土体进入了稳定固结阶段, 其支护结构变形也趋于放缓并逐渐减小, 说明开挖过程中预处理措施达到了预期效果。图 7 支护结构顶部 (冠梁) 水平位移变化曲线 下载原图ZH2 点的水平变形是最大的, 实测值与数值结果分别为 10.68 mm 和 11.51 mm, 误差为 7.8%。最大水平位移与基坑深度之比为 0.097%, 属于较低水平。从位置来看, ZH2 刚好位于基坑长直边线的中部, 且刚好是 2 组内支撑之间, 其结构刚度较小, 且受到的土体地应力较大, 因而其变形数值最大, 其他两点刚好在基坑的角点附近, 支护结构刚度较大, 变形也相对
15、较小。在邻近基坑高层建筑物监测点 JC1 和 JC2 的沉降变化曲线 (图 8) 中, JC2 是建筑物距基坑边线距离最短的监测点, 直线距离为 16.92 m, JC1 点到基坑边的直线距离为 21.25 m。JC2 点的最大沉降量实测值与数值结果分别为-6.18 mm 和-6.25 mm, JC1 点为-4.82 mm 和-3.18 mm。从监测值与数值结果的变化上看, 符合地基沉降的一般规律, 均在基坑开挖阶段因地应力的失衡而导致建筑物地基沉降, 越是靠近基坑, 其建筑物沉降就越大。其最大累计沉降量未达到-25.00 mm 的报警值, 说明基坑支护结构能有效控制基坑周边土体的变形, 保证
16、邻近建筑物的安全。由基坑边坡 DC1、DC2 点的沉降变化曲线 (图 9) 可知, DC1 最大累计实测沉降为-39.39 mm, 累计数值沉降量为-27.4 mm, 实测值为数值结果的 1.43 倍, 超过-35.00 mm 的报警值;DC2 最大累计实测沉降量为-50.64 mm, 累计数值沉降量为-32.00 mm, 实测值为数值结果的 1.58 倍, 超过-35.00 mm 的报警值。图 8 邻近基坑建筑物沉降变化曲线 下载原图图 9 基坑边坡沉降变化曲线 下载原图4.3 现场开挖风险控制情况现场开挖险情:监测过程中靠近和平大道侧 DC2 监测点出现沉降异常, 开挖时基坑止水帷幕发生渗
17、漏、基坑侧壁涌水, 造成基坑边坡出现较大沉降。可能原因分析:DC1 点出现竖向位移累计监测值超出报警值的原因主要是开挖后不良地质区域基坑止水帷幕发生渗漏, 土体孔隙压力减小, 有效应力增大, 导致土体固结压缩变形增大。但由于提前进行被动区加固, 并未造成整体三轴搅拌桩帷幕严重变形, 故沉降数值及速率相对较小。DC2 点出现竖向位移累计监测值超出报警值的原因初步估计是此处同样存在与 DC1 点相似的不良地质情况, 但并未在地勘报告中反映, 南侧基坑边坡仅进行内支撑, 并未对土体进行被动区加固以增加土体力学性能, 竖向止水帷幕搅拌桩在具有弱承压水性质的粉土夹层处施工质量难以保证, 存在较多薄弱点,
18、 在地表水和弱承压水作用下, 竖向帷幕出现变形, 粉土夹层的砂和水突破薄弱点涌出, 形成基坑侧壁管涌。风险控制措施:由于 DC1 点所在的北侧边坡根据地勘报告提前进行了被动区加固, 故只对坑内出水点增加降水井进行排水引流即可消除危险。而对于 DC2 点所在的南侧边坡, 不仅需对坑内出水点增加降水井进行排水引流, 而且需要在三轴搅拌桩止水帷幕外侧约 5 m 位置增加拉丝钢板桩加固 (图 10) , 钢板桩植入深度约 15 m。图 1 0 钢板桩加固平面示意 下载原图现场实际开挖中, 南侧边坡除在监测期出现过一段时间的异常沉降外, 并未发现其他危险情况, 通过井点降水后边坡稳定。而北侧边坡区域在施
19、工钢板桩前发现部分涌水、涌砂, 经过快速植入钢板桩加固处理 6 h 后, 坑内涌水、涌砂逐渐减少, 直至满足施工条件。边坡土体在 12 h 内, 沉降速率逐渐降低并恢复正常, 渗漏处围护结构变形慢慢减少直至正常。5 结语武汉沿江建筑物密集, 软土层厚度大, 地下水丰富, 土层对开挖扰动十分敏感, 深基坑支护与安全控制难度大。结合武汉市长江沿岸某深基坑支护开挖工程, 通过有限元数值结果和监控实测值的对比分析, 得出以下结论:1) 有限元方法在模拟计算基坑变形方面具有较高的可靠性。同时云图能清晰地展现基坑周边土体变形大小的分布规律, 为基坑支护设计施工提供更直观、可靠的参考。2) 本工程采用的钻孔
20、灌注桩+1 层内支撑 (局部被动区加固) 的支护形式基本可靠, 但在不良地质影响下, 形成支护方式不稳固, 极易因止水帷幕变形而造成基坑边坡沉降滑移和支撑体系变形, 进而影响到基坑内支撑体系的安全稳定。若经济条件允许, 则建议将支护形式优化为钻孔灌注桩+1 层内支撑 (基坑沿止水帷幕全面进行被动加固) 的支护方式, 可有效防止基坑止水帷幕渗漏, 保证基坑开挖支护施工安全。若经济条件不允许基坑沿止水帷幕进行全面被动加固, 则可进行局部地质不良区域被动加固, 同时对全区域边坡加强监测控制, 通过科学的监测手段和软件模拟分析加强风险预控, 在出现险情时及时制订风险控制措施, 调整施工方法, 以保证基坑开挖安全。参考文献1沙爱敏, 吕凡任, 邵红才, 等.某商业中心深基坑变形监测与分析J.施工技术, 2014, 43 (4) :101-104. 2刘浩, 杨锐, 张大军, 等.广州某工程基坑变形监测及分析研究J.水利与建筑工程学报, 2015 (10) :167-170.
