深基坑围护结构的施工监测与成果分析

余云泉

1 工程概况与地质水文特征

1.1 工程概况

广州某小高层住宅工程位于番禺区临江处，两面临水，该工程基坑呈矩形布置，采用地下连续墙加钢支撑的围护结构，开挖深度为18.0 m(基坑外地面标高为7.5 m)，基坑周边总长296 m，占地面积4 687 m2。基础底板为C15混凝土，厚1.5 m，基础底板下卧层为中粗砂。

1.2 地质、水文特征

根据工程地质勘察报告，本工程各层土体的物理力学性质指标见表1。

表1 各层土体的物理力学性质指标

地下水主要赋存于第四系冲积层的孔隙和基岩裂隙之中，属孔隙水和裂隙潜水，局部为微承压水，粉质黏土层为相对隔水层。地下水位高程在2.0 m～4.5 m左右，施工现场两面环水，地下水直接由江水及大气降水补给。主汛期时，江水的涨落对施工产生较大的影响。

2 基坑围护结构设计

采用地下连续墙(全围封)作为基坑围护结构，墙厚0.8 m，墙深25 m，地下连续墙入强风化岩1.5 m，墙底标高为▽-20.0 m，连续墙分为68幅槽段，采用弧形钢板接头，钢支撑结构采用H型钢制作的组合钢梁。钢支撑系统纵横交错呈井字形布置，纵向设置3层支撑，横向设置4层支撑，在基坑4个角及纵向支撑南端加设斜撑。立柱桩采用φ 25×12的圆形钢管(共20根桩，桩长24 m，桩底标高▽-18.0 m)。所有立柱桩、钢支撑与连续墙之间均采用对接焊缝连接。安装钢支撑的同时对各层钢支撑预加轴力。

3 施工监测与成果分析

3.1 地下连续墙墙顶水平位移

表2 地下连续墙墙顶水平位移 mm

地下连续墙墙顶水平位移主要取决于基坑的宽度、开挖深度、土的性质、墙体刚度、入土深度、开挖支撑形式以及施工工艺等，是墙体变形量的最直接反映，同时也反映墙体在基坑开挖过程中整体变形的协调性。施工现场监测结果如表2所示。

由表2的数据可发现:1)基坑各边墙顶的最大水平位移 Tmax=52 mm。2)墙顶最大水平位移与开挖深度之比(Tmax/Hw)为0.29%。3)墙顶位移在支撑安装到位后仍然继续增大，且各边位移均向坑内。4)墙顶位移与基坑开挖和钢支撑施工密切相关，由于第一道支撑距地表近4 m，在第一层土开挖结束而尚未完成第一道支撑安装前，地下墙上部始终处于悬臂状态，而且墙体暴露时间过长，使得墙顶位移过大，加上基坑周围荷载分布不均匀(基坑东面布置有桥式起重机，北面为出土通道)，因而造成基坑周边位移不均衡，可能影响到围护结构的整体稳定。

3.2 钢支撑端轴力与跨中应力

施工中，在12号横向钢支撑的第二、三层支撑一端安装了反力计监测轴力;在11号横向钢支撑的第四层支撑跨中安装了钢筋应力计测定支撑应力。支撑的轴力与应力都是通过振弦读数仪测出反力计与钢筋应力计的频率变化量后换算得出。钢支撑端轴力监测结果见图1，图2。各道横向支撑设计和实测的最大轴力及应力值见表3。

表3 各道横向支撑最大轴力和应力设计值及实测值汇总表

监测过程中发现:钢支撑轴力的变化受基坑开挖深度的变化与支承情况的改变(钢支撑的增减、基础混凝土的上升等)影响最大;其次，基坑外江水的涨落与气温的变化，对支承轴力的变化也有一定的影响。以上各种影响因素在钢支撑端轴力曲线图中均有不同程度的反映。

根据支撑监测数据与应力设计、观测值汇总表分析发现:实测支撑应力远远小于设计值，第一、二层支撑实测值为设计值的50%～55%，第三、四层支撑实测应力仅为设计值的10%左右，这种受力状况是不太合理的;钢支撑容许应力[σ]=166.6 MPa，而钢支撑最大实测应力48.0 MPa，仅为容许应力的29%，说明钢支撑支护实际并未发挥到设计应有的作用。

从钢支撑应力变化曲线可发现支撑应力的变化趋势如下:1)第一道支撑安装完毕并加预应力后，随着开挖深度的增大，第一道支撑的应力平稳增长，第二道、第三道支撑的安装，并未使第一道支撑所受轴力减小，只是在个别时段呈齿形波动。表明随着基坑外地面荷载、地下水位的变化，钢支撑的应力也有较小的波动，并在各层支撑间低幅调整。随着第四道支撑安装完毕，第一道支撑受力呈明显下降趋势。2)第二道支撑安装完毕并加预应力后，其所受轴力随着开挖而平稳增长，应力曲线呈一定的振荡态势。第三道支撑的安装并未减小第二道支撑所受轴力，在第四层土方开挖的前半期轴力增加的速率加快，后半期轴力出现较大的波动，先降后升，并恢复到原有的受力水平(这是受一个洪水过程影响)。随着第四道支撑安装完毕，第二道支撑受力呈明显下降的趋势。3)第三、第四两道支撑的应力相对平稳，呈低幅波动趋势。而且实测应力值仅为设计值的10%左右，这可能与设计考虑的地面超载以及8月下旬地下水位下降较快有关。4)实测表明，受江水涨落的影响，地下水位发生变化，造成支撑所受轴力的波动，特别在暴雨作用下江水急涨急落。钢支撑应力随地下水的变化而呈现急剧振荡，应力变化达到50%以上。5)由于温度的变化，支撑往往产生较大的温度应力，日夜温差较大时，产生的附加温度应力可达30%左右。6)监测中还发现，底板浇筑完成后，各层支撑的轴力均明显逐渐的减小。说明底板对于支撑体系的轴力已具有分担作用。

4 结语

1)根据本工程的实践，在地下水来源丰富且地下水位较高的砂质地层中，进行深基坑开挖。采用地下连续墙加钢支撑的围护结构是经济合理的，特别在施工场地受到周边环境限制，不允许放坡开挖，而工期要求又紧的工程中，这一围护结构的优势更明显。2)从实测资料分析发现，本工程中钢支撑的强度发挥不够理想，受控于其刚度，钢支撑的轴向稳定受到很大的挑战。在后期增加了支撑间的横向连系后，整个围护结构的稳定性得到改善，保证了围护结构的安全。因此，设计中必须对结构的整体稳定性全面考虑，构件的设计刚度与强度的发挥要相平衡。3)在钢支撑拆除过程中，由于轴力集中将使其他支撑的轴力发生显著增加，因此，在拆除过程中，加强对未拆除的支撑轴力的监测是十分必要的。4)由于围护结构设计中，总是考虑支撑轴心受力，但实际上偏心受压的作用却不容忽视，支撑偏心受压失稳的威胁在施工过程中也有发生。因此，设计时应该充分注意到支撑偏心受力的影响。

[1] GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范[S].

[2] JGJ 120-99，建筑基坑支护技术规程[S].

[3] YB 9258-97，建筑基坑工程技术规范[S].

[4] 孟凡海.深基坑支护施工监测方案[J].山西建筑，2008，34(17):130-131.