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软土地基条件下无支撑基坑变形控制措施分析

2025-02-16 38 上传者：管理员

摘要：软土地区无支撑基坑围护变形的控制存在着诸多限制与挑战，以实际工程案例为基础，从直接措施和间接措施介绍了减缓基坑围护变形的策略，并通过实测监测数据验证了其有效性。论证了变形控制和安全管理在工程实践和应急抢险中的重要性，为后续研究和实践提供了相关经验和参考。

关键词：
变形控制
围护侧向变形
无支撑基坑
环境变形
软土地基
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我国沿海地区多为软土地基,其土壤含水量高､抗剪强度低,呈现不稳定状态,基坑开挖过程中围护变形现象不可避免｡文献[1]从软土地基基坑支护力学状态入手,对深基坑围护侧向变形控制进行了研究;文献[2-3]则通过工程实例,探究了深基坑开挖过程中地表沉降､围护侧向位移等监测数据的变化规律;而文献[4]研究了基坑施工全过程的环境变形,探讨了各类引起变形的原因,并分析了多种支护情况下的变形控制技术;另外,还有很多学者结合实际案例对软土地区深基坑支护的影响因素､监测和变形控制方法进行研究和实践[5-7]｡然而,在无支撑的条件下,无法通过调整支撑轴力来达到围护变形的控制效果,因此变形控制措施受到了诸多限制｡文献[8-9]结合案例对软土地区大面积无支撑深基坑的围护设计和监测数据进行了分析,研究了通过优化设计和施工方案来预控围护变形的措施;文献[10]还针对已发生围护变形险情的项目分析了相应的控制对策和应急预案｡本文以软土地基无支撑基坑开挖实例为依据,对围护侧向变形的直接和间接措施进行了分类,并结合监测数据进行了有效性分析,旨在为后续研究提供经验和参考｡

1、工程概况

1.1项目基本情况某社区服务中心项目位于上海市浦东新区,基坑面积4870m2,周长约305m,至底板垫层底开挖深度为5.40m,局部落深1.3m,基坑安全等级三级;基坑南侧为一幼儿园项目,本项目处于基坑开挖阶段时结构已出零,北侧､东侧均为市政道路且存在市政管井,基坑环境等级为二级—三级｡

项目基底标高约-1.65m,基底位于③层灰色淤泥质粉质黏土､③t层灰色砂质粉土｡基坑开挖及影响范围内土层均为①1-1层杂填土､①1-2层素填土､②层褐黄—灰黄色粉质黏土､③层灰色淤泥质粉质黏土､③t层灰色砂质粉土,其中大多数土层状态较差,土质不均,开挖时易坍塌或产生管涌､流砂｡项目附近水域较多,西侧靠近黄浦江,南侧靠近人工河流,基坑范围内潜水较浅,对开挖影响较大｡

1.2基坑支护及开挖方案

基坑整体为“凸”形,普遍采用ϕ700@1000mm双轴水泥土搅拌桩的重力坝围护形式,桩长12m｡基坑北侧凸出部位无上部结构,仅为室外通向地下室的人行楼梯预留｡因场地北侧道路存在电缆管井,且距离红线及基坑边缘较近,该部位围护结构原定为双轴水泥土搅拌桩,经围护设计现场踏勘后,靠近管井部位改为7m长拉森钢板桩加一道型钢角撑｡基坑由西北向东南分层分段放坡开挖,首层卸土0.7m并施工顶圈梁,分层开挖深度不超过4m,按1∶1放坡｡

1.3基坑监测方案

本工程基坑监测范围包含围护墙顶水平及垂直位移监测､围护体测斜监测､坑外地下水位监测､坑外地表垂直位移监测､地下管线垂直位移监测等｡其中,基坑围护桩顶竖向及水平向位移测点沿基坑四周共布置15个测点;围护桩测斜孔于基坑四周各边中点位置分别布置一个孔位,其中测斜孔CX1位于北侧拉森钢板桩部位,测斜孔CX2位于东侧围护中间部位｡基坑开挖至底板浇筑完成后3d内,监测频率为每天1次,根据监测数据变化大小进行适当调整｡

1.4基坑变形起因及经过

基坑由西北侧开挖,挖至拉森钢板桩处时,因钢板桩为柔性金属结构,且开挖速度较快,应力快速释放,导致拉森钢板桩产生变形;基坑外围高压线防护架拉结围墙,钢板桩变形导致高压线防护架倾斜,连带围墙产生裂缝｡围护设计单位和监测单位至现场查看后,监理组织专题会并签发通知单,要求总包及时浇筑该部位垫层,并及时使用水泥浆灌实地表裂缝｡

次日,开展垫层浇筑施工时,混凝土泵车和罐车行走停靠基坑东侧围护压顶处临时道路,导致道路多处破裂,超额荷载传递至围护结构,产生较大变形｡

2、基坑变形控制措施分析

本项目围护设计方案无钢支撑或混凝土支撑,仅在基坑西南角和北侧拉森钢板桩凸出部位设置一道型钢角撑,因此无法通过支撑轴力控制减缓变形速率,只能考虑采取其他措施减缓基坑围护变形｡

2.1直接措施———坑外卸压和坑底加压

为减缓无支撑基坑变形,坑外卸压和坑底加压是最为直接有效的措施｡

坑外卸压即采取减少基坑外侧压力的相关措施,以减缓基坑围护向内侧产生变形的速率,包括扩大基坑周边严禁堆载的范围,将基坑周边相关构筑物或临时措施向外侧移动,基坑外侧开挖卸力沟槽及降水等｡本项目为减缓基坑变形速率,要求基坑周边10m范围内不得堆载重物,不得上重车,坑内采用既有塔吊辅助混凝土浇筑;基坑附近围墙和高压线防护全部拆除;基坑北侧电缆井内抽排水,东侧压顶临时道路处开挖1m×1.5m卸力沟槽并采用轻型井点进行降水｡

坑底加压与坑外卸压相反,通过增加坑底载重减缓基坑围护变形,可以采取的措施包括加快垫层和传力带浇筑､坑底堆载钢筋等重物或将坑外卸土堆载至坑底等｡本项目北侧拉森钢板桩部位由于地上无结构,因此在与围护设计师沟通后,将传力带厚度由0.5m增加至0.8m,从而进一步增加围护变形处坑底载重｡

此外,及时考虑时空效应[11],或在变形较大的部位增加抛撑或型钢支撑,也可以直接起到减缓变形的作用｡由于本项目支护体系中未设计支撑,因此结合时空效应理论,应当于事前做好围护设计及基坑开挖施工方案的调整｡从设计角度来说,应做好基坑动态设计并形成闭环系统[12],可以结合建模软件和土层参数预估动态变形数据和变形风险[13],提前落实风险预控措施;而从施工的角度来说,应当结合勘察报告､设计图纸和现场实际情况及时调整基坑开挖分层､开挖顺序和放坡方案[14],针对钢板桩等易变形的薄弱区域采取加固和减少暴露的措施,并加快垫层､传力带和底板施工进度,减少基坑和围护暴露的时间,以控制并减缓围护变形速率[15]｡

2.2间接措施———加强监测和安全管控

由于基坑围护变形导致相关安全风险增加,因此在减缓基坑变形的同时,也应采取辅助措施和安全监督管控措施｡首先,在基坑变形监测报警时,应立即按监测方案要求增加检测频率;开挖过程中,如果坑内有人员在靠近变形部位开展垫层､传力带浇筑等作业时,应安排专人进行监护,若变形速率较大,则应立即停止作业并组织危险区域施工人员撤离;如果围护结构出现渗漏水,应先辨别渗漏情况,若渗水夹杂泥沙,则应立即组织人员撤离,若渗漏水为清水,则应组织专业队伍进行堵漏或引流;如果变形区域附近地面或围墙等构筑物存在裂缝,应及时灌浆修补｡

从监理管控角度来看,在基坑变形监测报警时,监理部门应及时上报相关负责人和领导,组织专家进行现场踏勘,并组织相关方召开专题会,对变形情况及处理措施进行分析并形成会议纪要;及时签发联系单或通知单,对紧急问题进行描述并要求施工单位及时整改;同时,在变形未收敛期间进行抢险,监理还应安排安全技术人员至现场进行旁站监督｡

间接措施虽然无法直接起到减缓基坑变形的作用,但有效降低了因基坑变形所产生的风险概率和后果的严重性,因此在采取直接措施控制变形的同时,也应充分考虑辅助措施,避免项目产生不必要的损失｡

3、基坑变形控制措施有效性分析

基坑北侧拉森钢板桩处测斜孔CX1与东侧围护桩测斜孔CX2在基坑开挖期间的监测数据结合现场措施分析如图1所示｡

图1测斜孔CX1,CX2监测数据及措施

以图1为基础进一步分析,将各项措施开始实施时的变形数据与措施完成后的变形数据进行对比,得到表1中的结果｡

表1变形控制措施实施前后数据分析表

表1显示,北侧及东侧垫层及传力带浇筑分别使单次变化速率降低0.9mm/h,3.3mm/h,北侧两块大型传力带浇筑使单次变化速率降低0.7mm/h,说明坑底加压措施对减缓基坑变形有着显著效果｡对于坑外卸压,因北侧基坑边围墙和脚手架拆除时受到相关扰动和西侧开挖影响,变化速率有所上升,但从日变化量和日变化速率来看,变形速率有所降低;东侧围护外侧卸力沟槽开挖对减缓变形有一定效果,但也可能受到中型挖机的扰动从而影响减缓变形的效果;坑外抽水或降水措施的单次变化速率降低值均为0.2mm/h,减缓变形效果一般｡而增加角撑对北侧钢板桩起到一定稳固效果,单次变化速率降低0.4mm/h,因此对减缓变形也有一定作用｡

由于裂缝修补为持续性工作贯穿基坑变形期间,且北侧裂缝修补受到围墙､脚手架等拆除和西侧基坑开挖的影响,导致单次变化速率有所上升,但日变量有减缓趋势,因此可视为起到一定辅助效果｡

最终,基坑北侧日变量于11月5日收敛至5mm内,并于11月9日基本收敛,停止加密监测,底板浇筑完成后累计变量稳定在22cm内;东侧日变量于11月2日收敛至1cm,并于后续开挖过程中基本保持稳定,底板浇筑完成后累计变量稳定在20cm内｡

4、结语

在软土地区环境无支撑基坑开挖过程中,坑内加压和坑外卸压对于减缓围护变形速率有着明显的效果,但坑外卸压措施需要满足一定的条件才可实施,例如基坑边缘至场地红线距离满足卸力沟槽开挖要求,外部市政管井需与相关单位协调确认后才可进行积水抽排等,限制较多,因此首选减缓变形的方案应为坑内加压,包括增加载重､加快垫层､传力带和底板施工速度等｡在采取减缓变形措施的同时,现场管理人员还应关注施工安全,做好防护和应急措施｡

本项目在基坑开挖过程中仍存在着一些管理和施工方面的问题,例如现场应在北侧围护变更为钢板桩时或开始变形时立即考虑调整分层厚度､放坡坡度和分块开挖顺序等,但调整不及时,垫层和底板施工进度较慢,未充分考虑到时空效应等｡结合上述分析与思考,希望本文能够对后续软土地区无支撑基坑开挖施工提供减缓变形和抢险相关经验和措施｡

参考文献:

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