0 概述

　　 随着经济的发展,城市建设步伐的加快,越来越多的基坑工程因受外部环境的制约而对设计和施工提出了更高的要求。因规划、使用要求不同及分期开发等原因,越来越多的地下建筑非一次性开发完成,往往需分期实施。常规先深后浅基坑施工工序 ^[1]已不能满足规划及开发商的需求,先浅后深基坑施工方式逐渐成为一种新的形式。深浅式异形基坑早已受到了学者们的广泛关注 ^{[2,3,4,5,6,7]},但现阶段对于先浅后深这种新的基坑施工工序研究和应用较少。后续施工深基坑时如何保护已建的浅基坑,这对设计以及施工人员提出了非常高的要求,本文以笔者设计且已竣工的某基坑工程为例,结合基坑监测结果进行分析,阐述先浅后深基坑施工时,深基坑支护设计和施工的特点及关键技术,可为同类基坑设计与施工提供参考。

1 工程概况

1.1 工程简介

　　 南京喜年广场项目位于南京市下关区北祥路以北,张蔡路与翠庭路之间。根据建设单位要求该项目分两期实施,B1,B2楼为一期开发,A1,A2,B3,B4,B5,B6楼为二期开发。一期工程整体设1层地下室; B1楼地上9层,桩基采用预应力管桩; B2楼地上6层,采用天然地基; 基坑面积约7 435m²,周长约422m,开挖深度为4.9m。二期工程整体设3层地下室,桩基采用钻孔灌注桩,基坑面积约39 794m²,周长约880m,开挖深度为16.3m。根据施工计划,一期地下室底板施工完成后开始施工二期基坑支护桩; 二期地下室底板浇筑前,一期工程完成封顶。

　　 基坑北侧为拆迁安置小区,与本工程基坑边最近距离为22.02m,小区与基坑之间为市政道路,道路下分布有污水、雨水、天然气等地下管线,基坑开挖过程中应采取有效措施,保证其正常使用。基坑东、南、西三侧均为待建的市政规划道路。基坑周边环境详见图1。

　　 图1 基坑周边环境图  

1.2 工程地质概况

　　 拟建场地经人工改造,原有地貌形态已不复存在。现经人工填埋,场地地势较平整,场地地面高程为13.66～16.03m。场地地貌为岗间坳沟地貌单元,基坑中部约2/3范围均处于坳沟区域。场地内对本基坑开挖及变形产生影响的典型土层物理力学参数见表1。

1.3 水文地质概况

　　 基坑开挖影响范围内涉及的场地地下水主要为孔隙潜水和承压水。孔隙潜水赋存于①层和②层土体孔隙中,稳定水位埋深1.00～2.80m。承压水主要赋存于⑤含卵砾石粉质黏土和⑥风化岩裂隙中。⑤层以黏性土为主,卵砾石含量较少,水量不大,承压水位为-6.76～-5.77m(吴淞高程)。⑥风化岩虽裂隙发育,但多紧闭状,泥质充填,钻探过程中未见漏浆现象,因其裂隙发育不均,局部可能存在裂隙水,富水性随裂隙发育程度不均而变化,总体富水性较弱。场地内潜水对混凝土和钢筋混凝土中的钢筋具有微腐蚀性 ^[8]。

　　 典型土层物理力学参数 表1

　　 注:括号里面的数据为经验值。

2 基坑支护方案简介

　　 建设单位为实现资金分批投入,B1,B2楼先行销售的目标,将本工程分期实施,先开挖一期1层地下室区域基坑,待一期地下室施工完成后,再开挖二期3层地下室区域,最后将两期在地下1层连接贯通。

　　 一期基坑北侧采用ϕ800@1000钻孔灌注桩悬臂支护,其余侧采用自然放坡,基坑四周采用ϕ700@500双轴水泥搅拌桩作为止水帷幕。

　　 二期基坑支护方案选型时,应重点关注对已完成的一期1层地下室及其上主体结构的保护,确保其安全稳定。二期基坑开挖深度达10.7～16.3m,悬臂支护结构无法满足变形控制要求,需考虑设置支点,由于“支护结构不得超出用地红线”的地方政府规定,不能选择外拉锚体系,只能选择支撑体系。基坑深浅分界处存在10.7m的高差,若不设置支撑,仅将支护桩与1层地下室底板锚接,支护桩侧向变形量达到30mm。此外,支护桩与地下室底板采取锚接,对后续3层地下室区域的地下1层楼板连接有影响,破除时可能会破坏一期底板的主筋。因此,二期基坑采用钻孔灌注桩+两道钢筋混凝土支撑(局部与B2楼相连处采用三道钢筋混凝土支撑)作为支护结构,钻孔灌注桩直径根据地质、挖深、周边环境情况选择900,1 000,1 100,1 200,1 300mm五种,净距均为200mm。坳沟区支护桩外侧采用ϕ650@900三轴深层水泥搅拌桩作为止水帷幕。支撑结构平面布置详见图2。

　　 图2 支撑结构平面布置图   

3 重难点技术问题及解决方法

　　 本工程分期实施,两期分界位置处存在10.7m的高差,二期基坑施工时,对于两期分界处需采取有效技术措施来确保已完成的一期主体结构的安全稳定,并且需要考虑两期工程的协调作用。因此,支护设计时应重点考虑以下几个问题。

3.1 挡土围护体系方面

(1)深浅基坑交界处首道支撑抗力点设置

　　 深浅基坑交界处浅基坑开挖采用自然放坡支护形式,深基坑开挖时超过浅基坑部分采用钻孔灌注桩+支撑的形式支护。一期浅基坑施工结束后,二期深基坑首道支撑在深浅交界处支撑受力点无法按常规设置,合理地设置支撑抗力点,是确保支撑体系完整、基坑自身及周边环境安全的基础。

　　 类似工程常采用以下方法:在先施工的一期地下1层底板上设置钢筋混凝土支座, 同时在混凝土支座内预埋型钢; 二期基坑施工时,支撑通过预埋型钢与混凝土支座连接,将后期支撑力传递到前期大面积基础底板上 ^[9]。采用该方法需验算已建底板能否承受支撑轴力,本工程已有底板沿东西向每延米土体对底板的摩擦力f=μN,其中μ为地基摩擦系数,取0.3 ^[10],N为每延米底板重量,底板厚0.8m,南北向长度为41m,钢筋混凝土容重取25kN/m³,N=0.8×41×25=820kN/m,f=0.3×820=246kN/m,首道支撑每延米轴力为278kN/m。可见,底板抗滑安全系数为0.88,不能满足要求,故一期地下室底板不可作为支撑抗力点。

　　 基于上述分析,支护桩和支撑均不能与一期结构发生联系。支护桩桩顶高出一期地下室底板顶1.9m,首道支撑设置在桩顶圈梁处,通过采取桩顶箍筋加密的方法解决支护桩上端悬臂部分的抗剪问题。此方案使二期基坑成为独立封闭体系,方便后期拆换撑施工。一、二期基坑交界处典型支护剖面详见图3,二期基坑普通区段典型支护剖面详见图4。

　　 图3 一、二期基坑交界处(三道支撑)支护剖面图  

　　 图4 二期基坑普通区(两道支撑)典型支护剖面图   

(2)深浅基坑交界处竖向挡土结构设计

　　 一期B1,B2楼主体结构施工完成后,使二期基坑周边地面超载增大,加大了基坑变形,同时二期基坑开挖产生的支护结构侧向变形也会造成相邻建筑物产生不均匀沉降,尤其是B2楼西南角为二期基坑的阳角段,该角点基坑产生的变形将加剧该栋建筑不均匀沉降的发展,严重时可能导致该栋建筑产生结构性裂缝,从而影响结构安全。因此,需要通过增大支护桩及支撑刚度的措施来减小基坑变形。本工程设计时,将一、二期基坑交界处支护桩桩径增大到1 300mm,同时采用刚度较大的三道钢筋混凝土支撑,此外,在基坑内侧采用高压旋喷桩暗墩进行被动区土体加固。后期施工实景见图5。

　　 图5 施工实景图   

　　 图6 深浅基坑分界处支护桩、三轴深层水泥 搅拌桩、高压旋喷桩的平面布置节点大样图  

　　 图7 支护桩桩身水平位移 

3.2 止、降水体系

　　 一期基坑面积较小,开挖深度较浅,坑内采用明沟结合集水井进行排水。二期基坑挖深较深,开挖范围内存在软塑状态的②₂粉质黏土夹粉土,其工程力学性能较差,是场区内对基坑开挖有影响的含水层,因此,在二期基坑内存在②₂土层分布的区域布设了25口降水井,为工程施工创造有利的工作环境。深浅基坑交界处,除在支护桩外设置一排三轴深层水泥搅拌桩作为止水帷幕外,还在支护桩间采用单管高压旋喷桩进行加固,防止水土流失,避免一期地基土被掏空,影响一期已建成结构的安全。

4 深浅基坑交界处支护结构施工要点

　　 深浅基坑交界处支护桩、止水桩施工前需采用砂土将一期基坑放坡区域回填密实,以保证三轴深层水泥搅拌桩的成桩质量; 一期已施工的地下室采用砖墙进行临时封堵,保护后浇带处预留的钢筋。此区域施工空间狭小,支护桩内边线紧贴承台边线,距离地下室外墙外边缘只有250mm,支护桩对桩位偏差及垂直度控制要求较高,桩位水平向偏差控制在50mm以内,垂直度控制在3%以内。此区域三轴深层水泥搅拌桩施工时,需放慢桩下沉、提升速度,防止对外部环境造成较大影响。深浅基坑分界处支护桩、三轴深层水泥搅拌桩、高压旋喷桩的平面布置详见图6。

5 监测结果分析

5.1 桩身水平位移监测数据分析

　　 选取两个典型剖面的支护桩测斜结果,绘制不同工况下的桩身水平位移随深度变化的曲线,如图7所示。其中工况1～3分别为开挖至第一、二、三道支撑底标高,工况4为开挖至基坑底标高,工况5、工况6分别为拆除第二、一道支撑。

　　 从图7可以看出,桩身水平位移随着基坑开挖不断增大,基坑开挖到底时位移增加最快。一、二期基坑交界处最大水平位移为17.35mm,位于深度为9.5m处; 二期基坑普通区段最大水平位移为18.05mm,位于深度为10.0m处。三道支撑位于坳沟区,两道支撑位于阶地区,前者通过增加一道支撑来减少不利地层对支护桩变形的影响,使得两个区域支护桩变形相近。

　　 一、二期工程基坑交界处实测最大位移17.35mm,远小于理正深基坑计算软件计算出的结果25.78mm,而两道支撑区段实测最大位移18.05mm与理正深基坑计算软件的计算结果19.31mm接近。这说明在一、二期基坑交界处采用增大支护桩及支撑刚度、加固坑内被动区土体、加强止水帷幕、严控施工质量等措施可有效减小基坑变形。

5.2 一期建筑物沉降数据分析

　　 一期B1,B2楼封顶后,为了监测二期基坑开挖对一期结构的影响,根据不均匀沉降动态调整施工方案,做到信息化施工,保证一期结构安全。在一期已建结构上布置了多个沉降监测点,同时在首道支撑上布置了轴力监测点来实测支撑轴力,确保桩顶上抬后能满足支护桩的抗剪切承载力要求。监测点详细布置见图8。

　　 图8 监测点布置图   

　　 一期建筑物沉降随时间的变化见图9。监测结果表明,各测点随着基坑挖深的增加沉降逐渐增大,开挖速度越快沉降发展越快。二期基坑施工完成且支护桩与地下室外墙间空隙回填密实后,沉降逐渐趋于稳定,各测点最大沉降值见表2。由表可知,各测点最大沉降值基本相同,虽然沉降值较大(最大沉降值为11.95mm),但建筑物基本以均匀沉降的形式进行下沉,结构构件未出现明显裂缝、倾斜等现象。实测一期建筑物整体沉降较大的原因是建筑物刚建成不久,自身沉降并未稳定。图9显示从监测开始邻近二期基坑侧的沉降就略小于远离二期基坑侧的沉降,主要因为施工一、二期交界处的支护结构时产生的挤土效应造成的。

　　 图9 一期结构沉降随时间的变化曲线  

　　 最大沉降值统计 表2

5.3 深浅基坑交界处支撑轴力数据分析

　　 二期基坑的首道支撑高出一期基坑底板顶1.5 m,支撑轴力监测结果显示,支撑ZC1轴力最大值为3 179kN,支撑ZC2轴力最大值为3 217kN,则每延米圈梁作用于支护桩的水平力约为268kN/m(支撑间距约12m),小于支撑轴力设计值278kN/m,故支护桩上部超过一期地下室底板部分可满足抗剪切承载力的要求。

6 结论

　　 通过对南京喜年广场基坑工程设计、施工以及全过程监测数据分析,得到以下几点结论:

　　 (1)在先浅后深基坑施工的深基坑工程中,在深浅基坑交界处,无法通过在先建成的结构上设置混凝土支座来传递支撑轴力时,后施工的基坑支护桩桩顶可适当上抬,通过桩顶箍筋加密的方法来解决支护桩上部的抗剪问题,使后施工的基坑形成独立封闭体系,方便后期水平支撑的拆换撑施工。

　　 (2)监测结果显示,一期建筑物最大沉降为11.95 mm,不均匀沉降较小,先建成的结构构件未出现明显裂缝、倾斜等现象。说明在一、二期基坑交界处通过增大支护桩及支撑刚度、加固坑内被动区土体、加强止水帷幕以及严控施工质量的一系列措施,可以有效防止先期施工建筑地基水土流失,较好地控制支挡结构变形,从而可减少深基坑开挖对已建建筑物的影响,保证结构的安全与稳定。

　　 (3)地下空间开发越来越多地涉及先浅后深开挖的问题,本工程的成功实施,对于类似工程有一定的借鉴意义。