某超高層深基坑支護設計及智能監測技術的應用

廖 原，喬紹財，黃海榮，鄧 宇，桂金洋，3，楊 濤

(1.廣西地礦建設集團有限公司，南寧 530023；2.廣西科技大學 土木建筑工程學院，廣西 柳州 545006；3.北京工業大學 城市建設學部，北京 100124；4.廣西大學 土木建筑工程學院，南寧 530004)

0 引 言

隨著我國城市化建設腳步的不斷加快, 建筑物密度逐漸增大、 高度持續攀升, 地下空間開挖深度不斷加大已成為較普遍的現象[1-2]。敞開式深基坑周圍多面臨既有高層建筑和復雜的道路交通網等施工背景, 對深基坑支護技術的要求越來越高[3-4]。沉降位移和水平位移一直是基坑工程的主控因素, 受到周圍土體、 基坑支護類型及支護結構自身變形等多重因素的影響[5-6]。目前, 隨著新技術、 新方法、 新工藝不斷應用于基坑工程建設中, 基坑支護的安全系數得以大幅提高, 但施工成本也直線上升, 因此結合工程實際, 在符合項目自身情況的前提下選擇安全可靠又經濟的基坑支護方式將是一個值得探討的問題, 并對于基坑工程乃至整個項目的推進至關重要。

復合土釘墻技術成熟、 可靠、 成本低, 被廣泛運用于深基坑工程建設中[7], 華南亞熱帶氣候地區, 年降雨量大、 降雨頻繁,部分工程場地狹窄、 可放坡空間極其有限、 支護設計要求高、 施工難度大, 應用復合土釘墻通過基坑支護方案比選與設計、 施工過程中的質量保證以及施工監測等方面進行控制, 以達到安全可靠、 經濟適用的目的。但是, 深基坑支護工程往往處于復雜的地質條件、 場地條件和環境特性中, 在不同應用場景下面臨不同的安全性和經濟性要求, 需要不斷解決新的技術難點以拓展應用空間。

為了拓展復合土釘墻技術在不同地區不同場地條件的應用, 特別是針對復雜環境和嚴苛的施工條件, 以南寧某深基坑工程為例, 基于方案比選法確定采用復合土釘墻支護技術, 并輔以動態設計和信息化施工更好解決施工場地狹窄、 可放坡空間有限及支護設計要求高等工程難題。此外, 將工程地質災害中先進的監測技術引入深基坑智能監測, 對施工全過程進行實時監控和預警, 可保證工程進度和安全性。本文研究工作對于改進復合土釘墻支護技術、 豐富深基坑工程智能化監測具有一定推動作用, 同時也反映了復雜環境條件下傳統施工技術和新技術融合發展的趨勢。

1 工程概況

項目位于廣西南寧市五象新區, 總建筑面積約為181 000 m2, 占地面積約29 725 m2, 由6個單元及3層地下室組成。地下室區域全部連通, 且與結構整體相連, 主樓為筏板基礎, 裙樓為防水板, 其中1號樓部分區域為樁-筏基礎, 基礎形式較為復雜?；又荛L約650 m, 基坑開挖及支護深度為11.80～16.00 m, 基坑平面布置圖見圖1。

圖1 基坑平面及監測點布置Fig.1 Foundation pit plan and layout of monitoring points

2 場地工程地質條件

2.1 地層巖性

項目地處屬南寧盆地邊緣壟狀高丘地貌。上覆地層為人工堆填素填土, 第四系沖積形成的圓礫砂礫石; 下伏基巖為泥盆系五指山組粉砂巖、 泥巖、 鈣質泥巖、 角礫巖、 石灰巖、 泥質條帶灰巖。開挖范圍內基坑主要巖土層分布: 北側為中風化鈣質泥巖, 泥狀結構軟巖, 中厚層狀構造, 巖體較完整, 局部閉合狀風化裂隙發育, 多呈透鏡體狀分布于基巖中, 連續性較差; 其余三側主要為全風化泥巖, 局部夾粉砂質泥巖, 偶見夾有磨圓度很好的礫石, 原巖結構基本破壞, 巖體風化呈硬塑黏性土狀, 局部可塑, 黏性、 韌性中等, 干強度較高, 含較多碳化物, 風干疏松易散。受下伏基巖面起伏影響, 層厚變化較大。各巖土層參數見表1。

表1 場地土層各主要巖土參數Table 1 Main geotechnical parameters of field soil layers

2.2 水文地質特征

根據項目基坑專項勘察成果, 場地地下水主要為賦存于基巖裂隙及溶洞中巖溶裂隙水, 勘察穩定水位埋深13.10～18.00 m, 相應高程為72.70～74.89 m, 局部存在有一定承壓性, 年水位變化幅度在1～3 m。另據項目施工揭露地層情況, 場地內溶洞以充填、 半充填形式為主, 地下水水量受巖溶裂隙影響, 水位變幅較大。

2.3 地形及地質構造

南寧市在大地構造上處于右江再生地槽東端, 北西向的右江斷裂帶與北東向的桂林-南寧斷裂帶的交接部位。南寧盆地為向斜盆地, 屬中新生代斷陷盆地, 經歷了從加里東期到喜馬拉雅期的各個發展階段。由于受新構造運動的影響, 南寧盆地主要以間歇性振蕩性提升為主, 形成邕江兩岸的5級階地(主要為Ⅰ～Ⅲ級)[8]。

擬建場地位于南寧市飛龍路與五象大道交匯處東北側, 原始地貌北高南低, 北側因場地整平基巖出露, 南側大部分地段風化殘積土出露, 地面標高在84.20～92.90 m不等, 原始地貌上屬邕江南(右)岸Ⅲ級階地。

3 基坑支護方案比選

根據勘察報告資料, 結合場地周邊環境、 用地紅線、 基坑開挖深度及地層狀況, 除南側具備一定放坡空間外, 其余三側在規劃用地范圍內放坡條件有限。綜上, 本工程可采用的支護方式有復合土釘墻支護、 排樁+錨索支護、 排樁+鋼筋砼支撐、 逆作法等[7], 支護形式特點對比見表2。

表2 基坑支護形式對比Table 2 Comparison of foundation pit support forms

本基坑開挖深度多在16 m以內, 基坑側壁無軟弱巖土層分布, 紅線范圍內具備一定放坡條件, 地下水水量一般。經過設計、 勘察等單位及專家研判, 本工程基坑優先采用坡率法結合復合土釘墻的支護方案, 對于周邊環境相對開闊的南面及土質條件較好的北面, 采用網噴砼放坡進行支護。

4 復合土釘墻支護結構設計

4.1 設計參數

按照施工規范及場地工程地質條件, 確定以下設計參數: 土體平均重度γ=19.4 kN/m3, 平均內聚力c=30.5 kN/m2, 平均內摩擦角φ=16.8°, 地面超載按q0=20 kPa條形荷載計算。

4.2 結構設計及降排水設計

開挖深度h=16 m, 邊坡傾角73.3°, 豎向間距Sy=1.2 m, 水平間距Sx=1.2 m土釘錨索向下傾斜, 入射角=15°。復合土釘墻剖面圖見圖2。

圖2 復合土釘墻詳圖(單位: mm)Fig.2 Detailed drawings of composite soil nailing wall

對于復合土釘墻支護結構, 有效的降水排水是整個基坑支護工程成功的關鍵之一。此外, 南寧市位于北回歸線南側, 濕潤的亞熱帶季風氣候使得本地區降雨量充沛, 年均降雨量達1 304.2 mm, 雨季集中出現在3—7月。為了確保工程質量, 坡頂地面進行了硬化, 沿安全圍擋內側砌筑400 mm高擋水墻; 坡腳設置排水溝、 集水井; 坡面上設置泄水管, 外包兩層尼龍網紗, 管長700 mm, 開孔率15%, 傾角10°, 布置間距2 400 mm×2 400 mm。泄水管詳細構造見圖3。

圖3 超高層深基坑支護結構泄水管構造及施工詳圖Fig.3 Drainage pipes for super high-building with deep foundation of pit supporting structures and construcion

4.4 土釘(錨桿)抗拔力計算

(1)

式中:KBj為第j個土釘(錨桿)抗拔力安全系數;Txj為第j個土釘(錨桿)破裂面外土體有效抗拉能力標準值(kN); 破裂面與水平面之間的夾角αi由(β+φ)/2計算得到;Sx、Sy為土釘(錨桿)水平、 垂直向的間距(m);eaj為主動土壓力強度(kPa)[7,9-10]。

4.5 整體穩定計算

本工程采用預應力復合土釘墻組合, 假設最危險滑移面破壞模式為圓弧滑移破壞, 主要因其與一些試驗結果及大多數工程實踐比較接近, 且分析計算相對容易, 計算公式為[11]

KS0+η1KS1+η2KS2≥KS;

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:KS為整體穩定安全系數;KS0、KS1、KS2為整體穩定性分項抗力系數, 分別為土、 土釘、 預應力錨桿和土體下滑力矩比;ci、φi為第i個土條在滑弧面上的黏聚力及內摩擦角;li為第i個土條在滑弧面上的弧長;Wi為第i個土條自重和作用在其上部的附加荷載之和;θi為第i個土條在滑弧面中點處的法線與垂直面的夾角;η1、η2為土釘、 預應力錨桿組合作用折減系數;Sxj為第j層土釘的水平間距;S2xj為第j根預應力錨桿平均水平間距;Nuj為第j根土釘在穩定區(即滑移面外)所提供的摩阻力;Puj為第j根預應力錨桿在穩定區(即滑移面外)的極限抗拔力;αj為第j根土釘與水平面間的夾角;αmj為第j根預應力錨桿與水平面間的夾角;θj為第j根土釘或預應力錨桿與滑弧面相交處, 滑弧面切線與水平面的夾角;φj為第j根土釘或預應力錨桿與滑弧面交點處土的內摩擦角。

以開挖深度不同劃分為不同工況, 利用深基坑設計程序進行圍護結構的整體穩定性驗算, 由各工況下安全穩定性計算結果可知, 安全系數均大于1.3(該工程為二級基坑, 取KS=1.3), 符合安全施工范圍。

4.6 基于智能化監測的動態設計與信息化施工

信息化管理施工與動態設計施工是巖土地下工程建設的發展方向。深基坑開挖過程中影響因素眾多, 情況復雜多變, 需結合施工現場情況與實時監測結果來判斷是否達到預期要求, 并結合應急預案來優化設計重新設定參數, 實現動態設計和信息化施工。需要進行基坑工程動態設計與信息化施工的原因包括: ① 施工過程中偶然因素變化的動態設計; ② 保證支護結構安全下的施工便捷性動態設計; ③ 細節處理方面的動態設計。簡單來說, 智能化監測包括兩方面: 一是預警范圍內的潛在風險調控, 這是施工全流程控制過程中最易忽視的信息; 二是以預警值為界限、 數據異常波動的動態預警?；谥悄芑O測的動態設計與信息化施工的簡要流程見圖4。

圖4 超高層深基坑支護結構動態設計流程Fig.4 Flow chart of dynamic design for super high-building with deep foundation pit supporting structures

5 智能化監測技術的應用

5.1 全自動監測預警系統

基于物聯網+、 互聯網+、 地質+等技術來構建物聯網自動監測預警平臺, 前期主要應用于滑坡、 泥石流等地質災害的監控服務及自動預警服務[13-14]。為實現城市深基坑變形監測數據的信息化, 提高智能化水平, 本項目通過自動監測預警平臺實現基坑位移、 沉降等變形指標的實時監測。首先根據監測要求布置測點及傳感器, 設置監測一體機并進行設備組網, 通過監測一體機將傳感器采集的基坑測點數據傳輸至物聯網海量數據平臺, 進行后臺數據整理和分析。此外, 事先應在PC端進行預警值設置, 當監測數據超過預警值, 平臺會將預警信息通過短信或消息通知預先設置的項目預警接收人, 并推送至項目群和手機客戶端。根據《建筑基坑支所技術規程》(JGJ 120—2012)規定, 結合基坑支護類型和基坑類別, 本工程位移預警值應在50～60 mm, 為安全起見最終取值為50 mm。全自動監測預警系統與預警信息設置見圖5、 圖6。

圖5 超高層深基坑支護結構信息轉換系統Fig.5 Information transmission system for super high-building with deep foundation pit supporting structures

圖6 超高層深基坑支護結構轉換系統Fig.6 Warning notification setting for super high-building with deep foundation pit supporting structures

5.2 主要設備組成

智能化基坑監測系統主要組成設備包括GNSS監測一體機、 數據采集儀以及路由器。

1)GNSS監測一體機(圖7a): 采用多系統板卡綜合定位, 利用LoRa無線數傳, 3 km內實現無線互聯?？赏ㄟ^手機終端遠程設置儀器參數, 無網絡環境下仍可利用WiFi與儀器直接溝通, 其水平位移監測精度可達到1～2 mm, 垂直位移監測精度可達到2～3 mm。

圖7 超高層深基坑支護結構監測系統主要設備Fig.7 Main equipment of monitoring system for super high-building with deep foundation pit supporting structures

2)數據采集儀(圖7b): 通過有線方式連接傳感器, 再以無線方式將采集的數據上傳至路由器, 場地內使用LoRa物聯網數傳模塊與路由器通訊, 建立內部局域網模式通訊系統可使通訊更可靠更有保障。數據采集儀能自動檢測連接的傳感器類型, 可以從路由器自適應下載合適的通訊協議及數據處理程序, 也能滿足特殊情況下的不間斷采集。

3)路由器(圖7c): 負責收集數據采集儀上傳的傳感器數據后上傳至服務器端, 支持多種數據傳輸途徑, 且離線狀態下的存儲數據可連線后上傳。擁有記憶功能, 采集儀需要時可以通過無線LoRa從路由器自動更新。

5.3 測點布置、監測結果和分析

為確保施工安全、 全面掌握基坑周邊建筑物及道路變化情況，本工程支護結構監測點主要布置在距離工程周邊較重要的建筑角點及道路邊界上，按20 m間距布設，共布置31個監測點(圖1)。

基坑施工期間每天安排專人進行巡檢，檢查基坑支護結構以及基坑周邊環境的變化情況、坑邊堆載是否符合設計要求等，巡視期未發生異?，F象。2018-11-21—2019-07-21每月21日對基坑坡頂的沉降位移、水平位移進行持續性監測。從剖面3—3′、6—6′、7—7′、8—8′上的監測點中分別選取對應剖面上水平位移累計值最大的點(WY16、WY19、WY22、WY25)以及對應的沉降位移累計值，繪制成累計值與觀測時間關系曲線圖8。

圖8 超高層深基坑支護結構監測點位移時間累積曲線Fig.8 Displacement-cumulative time curves for super high-building with deep foundation pit supporting structures

支護初期(2018-11-21—2018-12-21)坡頂水平位移呈現上升趨勢, 變化幅度較大, 最大水平位移累計值為42.1 mm; 隨著土釘、 錨索作用建立后(2018-12-21以后), 水平位移的變化速率明顯降低; 但到2019年3—5月出現不同程度降雨, 雨量較大, 基坑外部土體嚴重蓄水導致邊坡部分測點發生較大位移, 最高變化速率達4 mm/d, 最高累計位移值達到35 mm; 降雨過后, 隨著地下工程施工進度的推進, 水平位移累計值雖仍有上升但已趨于穩定。而沉降位移在支護初期出現一定上下浮動的狀態, 隨后總體呈現下沉狀態, 曲線變化較緩, 基坑總體穩定。整個基坑監測期間(2019-08-15以后進行地下室回填不再進行監測記錄), 最大水平位移累計值穩定在43 mm左右, 最大沉降位移累計值5.38 mm, 沉降位移、 水平位移累計值均控制在設計監測報警值50 mm以內。

5.4 支護結構的動態設計

監測過程中, 系統未出現報警情況, 但監測信息反饋3—3′剖面開挖至-6.5 m時各監測點變形速率較大, 實勘現場發現錨桿孔內有滲水、 部分開挖面坍塌的現象, 土質酥松、 含水量大。經調查發現是由于該段紅線外市政道路地勢較低, 排水不暢, 長期積水所致。結合應急預案和設計單位意見, 進行排水優化, 重新調整后的剖面設計見圖9, 此時減小監測預警值和增大數據采集頻率, 取得了較好的治理效果。

圖9 調整設計后的3—3′剖面圖Fig.9 Section 3-3′ after optimization

6 結 論

本文從基坑工程的設計方案、 施工技術、 智能化監測等多方面進行分析, 得出以下結論:

(1)考慮邊坡開挖深度、 土質及放坡條件等多種因素采取多剖面設計, 滿足了邊坡支護要求, 同時對比排樁+錨索、 排樁+鋼筋砼支撐等支護方案節約了成本和工期。

(2)通過物聯網、 北斗+、 互聯網等技術, 以監測云平臺及各類傳感器為核心, 拓寬智能化監測在城市深基坑工程應用范圍。監測數據實時上傳匯總查看, 報表實時自動導出, 監測技術靈活性強、 安全有效。

(3)從穩定性計算和基坑監測的最終結果看, 基坑整體穩定安全系數計算結果在1.45～1.58, 達到設計值1.3的要求且經濟合理, 基坑坡頂最大水平位移累計值42.1 mm, 最大沉降位移累計值5.38 mm, 沉降位移、 水平位移累計值均控制在設計監測報警值50 mm以內, 說明基坑的支護設計合理有效。

(4)該工程是預警系統在城市深基坑的初期應用, 其測點布置精細化水平、 數據采集與預警值設置以及施工進度與工藝要求等方面都有嚴格的要求, 沒有出現超預警情況。結合動態監測信息反饋, 對偶然因素引起的潛在不安全現象實施動態調整和設計, 使施工過程更加準確化和及時化。