随着城市建设速度的不断加快, 城市用地也日趋紧张。为能够最大限度地利用建筑土地, 基坑开挖深度越来越深, 且基坑周边环境越来越复杂, 基坑对周边建筑物、管线等设施的影响也越来越大, 而且由于种种原因可能导致基坑支护会超龄超期, 尤其在北方严寒地区, 超深基坑工程多数为跨年度越冬工程, 基坑支护结构本身及其锚固土体易受冻融作用影响, 冻融前后支护结构及土体的物理、力学性质变化造成深基坑边坡失稳, 导致基坑工程事故发生, 在基坑外侧的土体, 由于冻渗的作用产生融沉现象, 影响基坑支护安全。

沈阳宝能项目基坑总长度980m, 开挖深度达27m, 基坑支护采用排桩+预应力锚索的锚拉式支挡结构, 开挖总土方量约为158万m³, φ800支护桩25 091.5延m, 预应力锚索92 378延m, 腰梁6 475延m。该基坑在使用过程中, 历经3个严冬冻融、冻胀等作用的影响, 在此过程中保证基坑的安全稳固是项目施工的关键点。而且基坑设计使用期限18个月, 该基坑自2013年9月锚杆张拉完成, 至2015年3月基坑到达使用期限, 但由于现场各种综合因素影响, 基坑并没有完成回填, 在2016年7月左右才完成回填。在此施工期间, 如何保证该超期超深基坑的安全稳定性是重要难题, 尤其该基坑地处严寒地区而且需跨越3个严冬。所以采取何种措施保证基坑的稳定性避免出现安全隐患成为新的挑战。

根据理论资料, 项目结合实际冻融情况, 以现场观测资料为依据, 监测冬季基坑侧壁水平位移和锚杆轴力的变化, 分析了冻胀、冻融对桩锚支护结构变形的影响, 为今后类似工程提供参考依据。

针对上述问题, 结合严寒地区基坑施工特点, 项目结合多项新技术对基坑的安全稳定性进行实时监测, 通过采用地震横波法和地质雷达技术精确测定基坑桩间土体状况, 判断基坑的稳定性。通过采用反拉法检测预应力锚索是否失效, 为其是否需要采取相关加固措施提供判断依据。通过搭设架体、喷射混凝土等方式对基坑进行加固, 保证基坑安全稳定, 不影响基坑内结构的正常施工。

通过对上述技术的综合应用, 保证现场的施工质量和施工进度, 同时解决了深基坑在严寒地区跨冬受冻消融后基坑可能失稳等问题, 该综合应用技术在质量、安全、工期、绿色施工等方面效果显著, 产生了较好的社会和经济效益。

1) 满足周边环境保护要求, 提高土地利用率, 适用于毗邻建筑多而近, 且周围施工地界狭窄的工程。

2) 采用先进技术对基坑进行检测评估, 并采取简单的加固修复施工工艺保证基坑稳定性, 在保证基坑安全的前提下, 大幅度降低工程造价, 加快施工进度。

3) 在严寒地区, 基坑受冻消融后需采取相关措施, 本技术对后期类似工程的处理提供一定的指导性, 具有较强的推广意义。

超期超深基坑经过严冬的冻胀和融化后, 其变形将大幅度增加, 甚至会引发基坑侧壁的破坏。为保证基坑安全稳定, 项目组织各方参建单位对基坑进行检测评估。检查主要通过现场踏勘, 并通过物理检测法、锚索拉力检测等方法对基坑侧壁渗水点、桩间土及桩身混凝土脱落情况, 基坑侧壁空洞及预应力锚索现状进行检测评估。

桩间、桩身混凝土检测主要检测桩间混凝土与桩基相连情况和桩身表面混凝土情况, 通过现场的实际勘测就能够判断出桩间混凝土是否松动、是否剥离、有无脱落等情况, 同时桩身混凝土是否完整, 是否有掉皮、露筋等现象。如果出现上述情况, 现场则需要采取相对应措施解决。

经过现场勘察发现, 越冬后基坑护壁桩间的混凝土有脱落等现象, 桩身混凝土局部出现露筋等情况。

根据前期锚索设计、施工图, 对锚索的预应力损失值进行检测评估 (见图1) 。

根据设计出具施工图纸, 检测单位采用反拉法监测锚索预应力, 对锚索预应力的损失值进行检测, 用单根张拉千斤顶对锚索进行张拉锁定, 在张拉过程中, 通过千斤顶施加给单根钢绞线的力与伸长量的关系曲线, 通过该曲线斜率由大到小变化的拐点对应的千斤顶施加给单根钢绞线上的力, 便可测得锚索的预应力值, 现场选取代表性的点位进行张拉检测, 根据检测结果判断锚索预应力损失值情况 (见图2) 。

通过对代表性点位的锚索进行检测分析, 锚索预应力的损失值在10.9%~28.8%, 损失值较小, 说明锚索未出现松弛现象。

基坑受冻消融后可能会出现渗水、空洞等现象, 为准确测得空洞位置及尺寸大小, 需要采用地震横波勘探技术及地质雷达探测技术。

地震波 (弹性波) 的传播有纵波与横波两种, 纵波质点位移的方向与波的传播方向平行, 横波的质点位移方向与波的传播方向垂直, 由于横波具有波速低、波长短、不受地下水影响的特点, 横波地震勘探反射方法可以提供传统纵波方法无法比拟的分辨率和解释精度, 且横波反射地震勘探方法可以直接提供土的横波 (剪切波) 波速, 可有效判定桩后土体状态, 所以采用地震横波勘测技术进行基坑支护桩后土体检测。

本次横波地震勘探共布置1条测线, 测线方向为东西向 (东为小号, 西为大号) , 测线长63.2m, 检波点数159个, 激发点数52个, 通过对采集数据进行静校正、速度分析、频谱分析等数据处理, 根据数据处理结果得到如图3~5所示。

地质雷达探测技术是一种通过向地下发射高频电磁波脉冲, 通过接收地下截止的反射来研究地下结构的技术, 其具有非破坏性、抗电磁干扰能力强、图像直观、工作周期短、快速高效等特点。

地质雷达探测共布置2条线, 测线位置与横波地震测线对应, 探测过程中连续激发和接收, 结合地震横波勘测技术的处理图示, 进一步以图像直观显示处理结果 (见图6, 7) 。

结合地震横波勘测技术和地质雷达探测技术, 对二者的测量结果进行合成, 从而判断基坑空洞的位置大小。二者合成时通过叠加速度计算出时间-深度曲线 (见图8) , 合成结果同地震剖面进行对比, 达到最大相似后即确定这个是有效的合成记录。

根据时间-深度曲线, 结合时间剖面的反应特征, 观察图中显示出不同的形状 (漏斗状、椭圆状等) , 根据不同形状判断该区域土层情况, 从而判断该位置是否发生坍塌、流失等情况 (见图9) 。

根据检测结果及检测单位出具的基坑安全性评估报告, 基坑设计单位需要根据该结果出具基坑加固图和加固方案, 必要时要组织基坑方面专家对基坑的加固方案进行论证, 论证后根据专家意见修改完善审批通过后即可组织现场施工。结合本工程实际情况, 需要处理的主要有锚索紧固张拉、支护桩保护层脱落及空洞修补和渗水修补等几个方面。

根据锚索预应力检测结果分析可得出锚索预应力的损失值, 为保证锚索预应力能够满足设计要求, 需要对部分锚索重新进行张拉紧固, 使其达到设计预应力值。

锚杆张拉锚具为QM锚具, 用YC-100型穿芯式千斤顶、电动油泵加荷锁定。锁定张拉系统事先经过标定, 并用此油压表的读数换算成张拉压力进行控制。在锁定过程中, 采用锚杆拉力计进行校核。

对保护层脱落的支护桩及桩间土采用喷射混凝土方式进行修复。将拌好的混凝土通过压浆泵送至喷嘴, 再用压缩空气进行喷射;对支护桩与支护桩之间的空洞采用钢筋及木板封闭并采用聚氨酯填实。支护桩上的钢筋将木板连接成整体, 与其后的聚氨酯形成受力体系, 防止桩后土体位移 (见图10, 11) 。

清理、平整→挂钢筋网→喷射混凝土。

(1) 清理、平整将基坑护壁外侧开裂的混凝土保护层凿除, 清理干净至内部坚实部位。 (2) 挂钢筋网在护壁桩上打入土钉 (钢筋) 固定钢筋网片, 土钉要垂直于护壁桩;对于支护桩间的空洞采用在桩体上钻眼固定钢筋, 用木板封闭并采用聚氨酯填实。 (3) 喷射混凝土如现场场地狭小, 喷射混凝土距离不满足操作要求, 可采用挂网人工涂抹混凝土的方式进行修复;混凝土厚度为40~60mm, 混凝土强度等级为C20。

对于地下管线破损引起的渗水, 由于现场渗水地点不明确且修复困难, 对于较小的渗水做反滤及引流处理, 减少水流对桩后土体的冲刷。此工艺操作简单、效果明显, 可有效解决现场面层渗水现象。

剔凿清理→填实过滤材料→插设导流管。

在渗水部位增加泄水孔, 剔凿出300mm (长) ×300mm (宽) ×300mm (高) 孔洞后, 用草帘填实, 放入φ50泄水管长度500mm, 端尾做花眼 (见图12) 。

由于该基坑支护系统为排桩加锚索结构, 设计使用期限为18个月, 但由于种种原因, 基坑未能在规定使用期限内完成回填, 而且预计仍需使用15个月左右, 这样便导致基坑即使加固完成后仍需要进行维护, 确保基坑在回填前安全稳定。

基坑维护需要以数据为依托, 而且由于该基坑已经超期, 对其监测尤为重要。为及时准确掌握基坑支护数据变化情况, 需邀请第三方单位每天对基坑支护的情况进行监测并形成正式文件报送各相关单位。基坑支护监测内容主要包括支护桩顶位移变化、基坑周边地表、管线及建筑物沉降、地下水位变化、支护桩后土体水平位移、锚杆拉力等内容 (见表1) 。

基坑支护桩位移的监测是为了了解基坑支护桩顶部的位移变化情况, 通过布置监测点对基坑位移进行检测。

在场地外围不受影响的稳固处, 采用钻孔置入法埋设3个控制点, 以该控制点作为测量的基准点, 组成一个边角控制网, 另选取远处的一个固定目标作为定向及检查所用。观测技术要求如表2所示。

采用独立坐标系统, 坐标轴与基坑边线方向一致, 分别在3个控制点上设站, 按极坐标法进行观测, 采用精度较高全站仪 (仪器标称精度为测角±2) , 选取与基坑边线垂直方向的坐标增量作为观测点的本次位移量, 本次位移之和即为该点的累计位移量, 基坑支护顶水平位移监测精度应根据围护墙顶水平位移报警值确定 (见表3) 。

通过基坑周边沉降观测, 了解基坑周边地面的沉降情况。在远离待测基坑的稳定建筑物或场地范围外不受基础压力影响的稳固处, 埋设3个浅水准点作为沉降观测基准点, 其埋设方法一般采用钻孔置入法。进行精密水准测量:每次沉降观测前均对基准点进行联测检校, 确定其点位稳定可靠后才对沉降点进行观测。基准点联测及沉降点观测应组合成附合或闭合水准路线;采用精密自动安平水准仪和测微器配合钢尺进行观测, 仪器标称精度为±0.3mm/km, 观测时读数取至0.01mm;按照二级变形观测的技术要求施测, 各项限差规定如表4所示。

通过监测基坑地下水位, 了解施工过程中降水效果及施工对地下水位的影响, 避免地下水位过高影响基坑支护安全。在基坑四周布设8个测孔, 在抽水影响半径内呈放射状布设观测孔观测, 项目根据现场情况利用现有降水井代替观测孔;利用水位管、水位计进行水位观测, 测量时将水位计探头沿管缓慢方向, 当探头接触到水面时, 蜂鸣器响, 读取孔口处水位计测尺上的读数即为观测水位值。

根据水位标高绘制地下水位随时间变化曲线, 以及地下水位随开挖深度的变化曲线。当地下水位急剧变化时及时分析原因 (如水泵损坏、地下含水构筑物突然破裂漏水或区域地下水位上升等) , 及时采取相应解决措施。

通过监测锚杆轴力, 及时了解锚杆轴力在施工过程中的变化情况。在基坑锚索上共布设5处锚杆轴力计, 在每道锚索布设, 每处布设7道锚索, 共布设35个锚索加测点, 锚索测力计安装在锚固端, 安装时钢绞线或锚索从锚索计中心穿过, 测力计在钢垫座和工作锚之间, 当被测荷载作用在锚索测力计上, 将引起弹性圆筒的变形并传递给振弦, 转变成振弦应力的变化, 从而改变振弦的振动频率。电磁线圈激振钢弦并测量其振动频率, 频率信号经电缆传输至振弦式读数仪上, 从振弦式读数仪读出频率值, 从而计算出作用在锚索测力计的荷载值。测量完成后, 记录传感器的频率值、温度值、仪器编号、设计编号和测量时间, 计算被测锚索荷载值。

常规方法为使用测斜仪测量安置在支护桩内的测斜管来测量桩后土体的位移情况, 但土体位移除了桩间漏土的原因无法反映到桩体的位移量上, 大部分土体位移量直接反映到桩体的位移上。但根据现场实际情况, 采用直接测距法, 使用高精度全站仪, 直接测量布设在桩体竖向的反射贴片, 该方法精度可达到毫米级, 且测量速度和数据处理较快, 能及时有效地反映桩体短时间内的微小变形。

在需要观测的支护桩上安装反射贴片, 垂向每隔3~4m安装一个反射贴片, 对向采用高精度全站仪直接对反射贴片进行测距, 且每次测量数据均投影到垂直于基坑的平面方向, 从而监测其变化值。由于反射贴片直接粘贴到支护桩上, 所以测量数据能够直接反映桩体倾斜情况。观测精度可达0.5mm。

基坑处于使用期间, 且无法及时回填, 在使用过程中难免会碰到特殊气候对基坑的影响, 如大雨、大风等自然因素。在经过此类自然条件的影响后, 项目部需第一时间组织人员对基坑的受损情况进行巡查, 及时发现基坑出现的问题 (如桩间土流失、支护桩渗水等) , 然后根据出现的问题采取相应的措施解决。

由于受到外部因素影响, 基坑可能会出现突发情况。该基坑于2014年12月10日局部区域发生塌陷, 出现面积约为8m×4m、深度约为10m的深坑, 造成该区域支护桩锚索基本失效。经过查找分析, 是由于附近居民楼供暖, 将热源回水回灌至附近小区回灌井内, 由于回灌井井壁钢管常年锈蚀破裂, 回灌水不断渗入周围土体, 渗入基坑内, 致使基坑边土体流失造成塌方。为确保现场基坑安全, 从两方面着手处理。

为彻底解决土体塌陷对后期造成各方安全隐患, 首先必须解决回灌水问题。基于回灌井出现漏水现象, 要求将该回灌井立即停用, 并使井内水位降至整个基坑深度底标高以下, 确保基坑周边不再有渗水渗出。

为防止基坑边土体继续塌陷, 保证基坑支护桩锚索锚固强度, 项目组织对塌陷处进行回填处理, 具体施工组织如下: (1) 回填采用C20混凝土, 坍落度控制在180~190mm; (2) 为减小混凝土对支护桩的倾覆压力, 混凝土采用分层浇筑, 每次浇筑高度控制在1.5~2.0m, 时间间隔6~7h, 待混凝土达到初凝后方可进行上层混凝土浇筑; (3) 由于塌陷较深, 为减小混凝土浇筑对支护桩的侧向冲击力, 浇筑时须在泵管端头接橡胶软管, 确保混凝土自由下落高度≤1.5m。

本施工技术在沈阳宝能环球金融中心项目深基坑工程中得到应用, 通过采用该综合施工技术, 对受冻的基坑在消融后进行检测加固, 防止基坑出现特殊险情, 对地下室结构施工带来不必要的影响。通过采用地震横波法和地质雷达技术精确测定基坑桩间土体状况, 判断基坑的稳定性。通过采用反拉法检测预应力锚索是否失效, 为其是否需要采取相关加固措施提供判断依据。通过搭设架体、喷射混凝土等方式对基坑进行加固, 保证基坑安全稳定, 不影响基坑内结构的正常施工。

该技术保证了深基坑在受冻消融后的安全稳定性, 通过第三方的检测评估及时了解基坑的安全形势, 采取相关措施对基坑进行加固修补, 在结构施工过程中对基坑进行动态监测, 实时掌握基坑的位移变化情况, 为施工安全提供可靠的保障。