某超高层深基坑支护设计及智能监测技术的应用

廖 原，乔绍财，黄海荣，邓 宇，桂金洋，3，杨 涛

(1.广西地矿建设集团有限公司，南宁 530023；2.广西科技大学 土木建筑工程学院，广西 柳州 545006；3.北京工业大学 城市建设学部，北京 100124；4.广西大学 土木建筑工程学院，南宁 530004)

0 引 言

随着我国城市化建设脚步的不断加快, 建筑物密度逐渐增大、 高度持续攀升, 地下空间开挖深度不断加大已成为较普遍的现象[1-2]。敞开式深基坑周围多面临既有高层建筑和复杂的道路交通网等施工背景, 对深基坑支护技术的要求越来越高[3-4]。沉降位移和水平位移一直是基坑工程的主控因素, 受到周围土体、 基坑支护类型及支护结构自身变形等多重因素的影响[5-6]。目前, 随着新技术、 新方法、 新工艺不断应用于基坑工程建设中, 基坑支护的安全系数得以大幅提高, 但施工成本也直线上升, 因此结合工程实际, 在符合项目自身情况的前提下选择安全可靠又经济的基坑支护方式将是一个值得探讨的问题, 并对于基坑工程乃至整个项目的推进至关重要。

复合土钉墙技术成熟、 可靠、 成本低, 被广泛运用于深基坑工程建设中[7], 华南亚热带气候地区, 年降雨量大、 降雨频繁,部分工程场地狭窄、 可放坡空间极其有限、 支护设计要求高、 施工难度大, 应用复合土钉墙通过基坑支护方案比选与设计、 施工过程中的质量保证以及施工监测等方面进行控制, 以达到安全可靠、 经济适用的目的。但是, 深基坑支护工程往往处于复杂的地质条件、 场地条件和环境特性中, 在不同应用场景下面临不同的安全性和经济性要求, 需要不断解决新的技术难点以拓展应用空间。

为了拓展复合土钉墙技术在不同地区不同场地条件的应用, 特别是针对复杂环境和严苛的施工条件, 以南宁某深基坑工程为例, 基于方案比选法确定采用复合土钉墙支护技术, 并辅以动态设计和信息化施工更好解决施工场地狭窄、 可放坡空间有限及支护设计要求高等工程难题。此外, 将工程地质灾害中先进的监测技术引入深基坑智能监测, 对施工全过程进行实时监控和预警, 可保证工程进度和安全性。本文研究工作对于改进复合土钉墙支护技术、 丰富深基坑工程智能化监测具有一定推动作用, 同时也反映了复杂环境条件下传统施工技术和新技术融合发展的趋势。

1 工程概况

项目位于广西南宁市五象新区, 总建筑面积约为181 000 m2, 占地面积约29 725 m2, 由6个单元及3层地下室组成。地下室区域全部连通, 且与结构整体相连, 主楼为筏板基础, 裙楼为防水板, 其中1号楼部分区域为桩-筏基础, 基础形式较为复杂。基坑周长约650 m, 基坑开挖及支护深度为11.80～16.00 m, 基坑平面布置图见图1。

图1 基坑平面及监测点布置Fig.1 Foundation pit plan and layout of monitoring points

2 场地工程地质条件

2.1 地层岩性

项目地处属南宁盆地边缘垄状高丘地貌。上覆地层为人工堆填素填土, 第四系冲积形成的圆砾砂砾石; 下伏基岩为泥盆系五指山组粉砂岩、 泥岩、 钙质泥岩、 角砾岩、 石灰岩、 泥质条带灰岩。开挖范围内基坑主要岩土层分布: 北侧为中风化钙质泥岩, 泥状结构软岩, 中厚层状构造, 岩体较完整, 局部闭合状风化裂隙发育, 多呈透镜体状分布于基岩中, 连续性较差; 其余三侧主要为全风化泥岩, 局部夹粉砂质泥岩, 偶见夹有磨圆度很好的砾石, 原岩结构基本破坏, 岩体风化呈硬塑黏性土状, 局部可塑, 黏性、 韧性中等, 干强度较高, 含较多碳化物, 风干疏松易散。受下伏基岩面起伏影响, 层厚变化较大。各岩土层参数见表1。

表1 场地土层各主要岩土参数Table 1 Main geotechnical parameters of field soil layers

2.2 水文地质特征

根据项目基坑专项勘察成果, 场地地下水主要为赋存于基岩裂隙及溶洞中岩溶裂隙水, 勘察稳定水位埋深13.10～18.00 m, 相应高程为72.70～74.89 m, 局部存在有一定承压性, 年水位变化幅度在1～3 m。另据项目施工揭露地层情况, 场地内溶洞以充填、 半充填形式为主, 地下水水量受岩溶裂隙影响, 水位变幅较大。

2.3 地形及地质构造

南宁市在大地构造上处于右江再生地槽东端, 北西向的右江断裂带与北东向的桂林-南宁断裂带的交接部位。南宁盆地为向斜盆地, 属中新生代断陷盆地, 经历了从加里东期到喜马拉雅期的各个发展阶段。由于受新构造运动的影响, 南宁盆地主要以间歇性振荡性提升为主, 形成邕江两岸的5级阶地(主要为Ⅰ～Ⅲ级)[8]。

拟建场地位于南宁市飞龙路与五象大道交汇处东北侧, 原始地貌北高南低, 北侧因场地整平基岩出露, 南侧大部分地段风化残积土出露, 地面标高在84.20～92.90 m不等, 原始地貌上属邕江南(右)岸Ⅲ级阶地。

3 基坑支护方案比选

根据勘察报告资料, 结合场地周边环境、 用地红线、 基坑开挖深度及地层状况, 除南侧具备一定放坡空间外, 其余三侧在规划用地范围内放坡条件有限。综上, 本工程可采用的支护方式有复合土钉墙支护、 排桩+锚索支护、 排桩+钢筋砼支撑、 逆作法等[7], 支护形式特点对比见表2。

表2 基坑支护形式对比Table 2 Comparison of foundation pit support forms

本基坑开挖深度多在16 m以内, 基坑侧壁无软弱岩土层分布, 红线范围内具备一定放坡条件, 地下水水量一般。经过设计、 勘察等单位及专家研判, 本工程基坑优先采用坡率法结合复合土钉墙的支护方案, 对于周边环境相对开阔的南面及土质条件较好的北面, 采用网喷砼放坡进行支护。

4 复合土钉墙支护结构设计

4.1 设计参数

按照施工规范及场地工程地质条件, 确定以下设计参数: 土体平均重度γ=19.4 kN/m3, 平均内聚力c=30.5 kN/m2, 平均内摩擦角φ=16.8°, 地面超载按q0=20 kPa条形荷载计算。

4.2 结构设计及降排水设计

开挖深度h=16 m, 边坡倾角73.3°, 竖向间距Sy=1.2 m, 水平间距Sx=1.2 m土钉锚索向下倾斜, 入射角=15°。复合土钉墙剖面图见图2。

图2 复合土钉墙详图(单位: mm)Fig.2 Detailed drawings of composite soil nailing wall

对于复合土钉墙支护结构, 有效的降水排水是整个基坑支护工程成功的关键之一。此外, 南宁市位于北回归线南侧, 湿润的亚热带季风气候使得本地区降雨量充沛, 年均降雨量达1 304.2 mm, 雨季集中出现在3—7月。为了确保工程质量, 坡顶地面进行了硬化, 沿安全围挡内侧砌筑400 mm高挡水墙; 坡脚设置排水沟、 集水井; 坡面上设置泄水管, 外包两层尼龙网纱, 管长700 mm, 开孔率15%, 倾角10°, 布置间距2 400 mm×2 400 mm。泄水管详细构造见图3。

图3 超高层深基坑支护结构泄水管构造及施工详图Fig.3 Drainage pipes for super high-building with deep foundation of pit supporting structures and construcion

4.4 土钉(锚杆)抗拔力计算

(1)

式中:KBj为第j个土钉(锚杆)抗拔力安全系数;Txj为第j个土钉(锚杆)破裂面外土体有效抗拉能力标准值(kN); 破裂面与水平面之间的夹角αi由(β+φ)/2计算得到;Sx、Sy为土钉(锚杆)水平、 垂直向的间距(m);eaj为主动土压力强度(kPa)[7,9-10]。

4.5 整体稳定计算

本工程采用预应力复合土钉墙组合, 假设最危险滑移面破坏模式为圆弧滑移破坏, 主要因其与一些试验结果及大多数工程实践比较接近, 且分析计算相对容易, 计算公式为[11]

KS0+η1KS1+η2KS2≥KS;

(2)

(3)

(4)

(5)

式中:KS为整体稳定安全系数;KS0、KS1、KS2为整体稳定性分项抗力系数, 分别为土、 土钉、 预应力锚杆和土体下滑力矩比;ci、φi为第i个土条在滑弧面上的黏聚力及内摩擦角;li为第i个土条在滑弧面上的弧长;Wi为第i个土条自重和作用在其上部的附加荷载之和;θi为第i个土条在滑弧面中点处的法线与垂直面的夹角;η1、η2为土钉、 预应力锚杆组合作用折减系数;Sxj为第j层土钉的水平间距;S2xj为第j根预应力锚杆平均水平间距;Nuj为第j根土钉在稳定区(即滑移面外)所提供的摩阻力;Puj为第j根预应力锚杆在稳定区(即滑移面外)的极限抗拔力;αj为第j根土钉与水平面间的夹角;αmj为第j根预应力锚杆与水平面间的夹角;θj为第j根土钉或预应力锚杆与滑弧面相交处, 滑弧面切线与水平面的夹角;φj为第j根土钉或预应力锚杆与滑弧面交点处土的内摩擦角。

以开挖深度不同划分为不同工况, 利用深基坑设计程序进行围护结构的整体稳定性验算, 由各工况下安全稳定性计算结果可知, 安全系数均大于1.3(该工程为二级基坑, 取KS=1.3), 符合安全施工范围。

4.6 基于智能化监测的动态设计与信息化施工

信息化管理施工与动态设计施工是岩土地下工程建设的发展方向。深基坑开挖过程中影响因素众多, 情况复杂多变, 需结合施工现场情况与实时监测结果来判断是否达到预期要求, 并结合应急预案来优化设计重新设定参数, 实现动态设计和信息化施工。需要进行基坑工程动态设计与信息化施工的原因包括: ① 施工过程中偶然因素变化的动态设计; ② 保证支护结构安全下的施工便捷性动态设计; ③ 细节处理方面的动态设计。简单来说, 智能化监测包括两方面: 一是预警范围内的潜在风险调控, 这是施工全流程控制过程中最易忽视的信息; 二是以预警值为界限、 数据异常波动的动态预警。基于智能化监测的动态设计与信息化施工的简要流程见图4。

图4 超高层深基坑支护结构动态设计流程Fig.4 Flow chart of dynamic design for super high-building with deep foundation pit supporting structures

5 智能化监测技术的应用

5.1 全自动监测预警系统

基于物联网+、 互联网+、 地质+等技术来构建物联网自动监测预警平台, 前期主要应用于滑坡、 泥石流等地质灾害的监控服务及自动预警服务[13-14]。为实现城市深基坑变形监测数据的信息化, 提高智能化水平, 本项目通过自动监测预警平台实现基坑位移、 沉降等变形指标的实时监测。首先根据监测要求布置测点及传感器, 设置监测一体机并进行设备组网, 通过监测一体机将传感器采集的基坑测点数据传输至物联网海量数据平台, 进行后台数据整理和分析。此外, 事先应在PC端进行预警值设置, 当监测数据超过预警值, 平台会将预警信息通过短信或消息通知预先设置的项目预警接收人, 并推送至项目群和手机客户端。根据《建筑基坑支所技术规程》(JGJ 120—2012)规定, 结合基坑支护类型和基坑类别, 本工程位移预警值应在50～60 mm, 为安全起见最终取值为50 mm。全自动监测预警系统与预警信息设置见图5、 图6。

图5 超高层深基坑支护结构信息转换系统Fig.5 Information transmission system for super high-building with deep foundation pit supporting structures

图6 超高层深基坑支护结构转换系统Fig.6 Warning notification setting for super high-building with deep foundation pit supporting structures

5.2 主要设备组成

智能化基坑监测系统主要组成设备包括GNSS监测一体机、 数据采集仪以及路由器。

1)GNSS监测一体机(图7a): 采用多系统板卡综合定位, 利用LoRa无线数传, 3 km内实现无线互联。可通过手机终端远程设置仪器参数, 无网络环境下仍可利用WiFi与仪器直接沟通, 其水平位移监测精度可达到1～2 mm, 垂直位移监测精度可达到2～3 mm。

图7 超高层深基坑支护结构监测系统主要设备Fig.7 Main equipment of monitoring system for super high-building with deep foundation pit supporting structures

2)数据采集仪(图7b): 通过有线方式连接传感器, 再以无线方式将采集的数据上传至路由器, 场地内使用LoRa物联网数传模块与路由器通讯, 建立内部局域网模式通讯系统可使通讯更可靠更有保障。数据采集仪能自动检测连接的传感器类型, 可以从路由器自适应下载合适的通讯协议及数据处理程序, 也能满足特殊情况下的不间断采集。

3)路由器(图7c): 负责收集数据采集仪上传的传感器数据后上传至服务器端, 支持多种数据传输途径, 且离线状态下的存储数据可连线后上传。拥有记忆功能, 采集仪需要时可以通过无线LoRa从路由器自动更新。

5.3 测点布置、监测结果和分析

为确保施工安全、 全面掌握基坑周边建筑物及道路变化情况，本工程支护结构监测点主要布置在距离工程周边较重要的建筑角点及道路边界上，按20 m间距布设，共布置31个监测点(图1)。

基坑施工期间每天安排专人进行巡检，检查基坑支护结构以及基坑周边环境的变化情况、坑边堆载是否符合设计要求等，巡视期未发生异常现象。2018-11-21—2019-07-21每月21日对基坑坡顶的沉降位移、水平位移进行持续性监测。从剖面3—3′、6—6′、7—7′、8—8′上的监测点中分别选取对应剖面上水平位移累计值最大的点(WY16、WY19、WY22、WY25)以及对应的沉降位移累计值，绘制成累计值与观测时间关系曲线图8。

图8 超高层深基坑支护结构监测点位移时间累积曲线Fig.8 Displacement-cumulative time curves for super high-building with deep foundation pit supporting structures

支护初期(2018-11-21—2018-12-21)坡顶水平位移呈现上升趋势, 变化幅度较大, 最大水平位移累计值为42.1 mm; 随着土钉、 锚索作用建立后(2018-12-21以后), 水平位移的变化速率明显降低; 但到2019年3—5月出现不同程度降雨, 雨量较大, 基坑外部土体严重蓄水导致边坡部分测点发生较大位移, 最高变化速率达4 mm/d, 最高累计位移值达到35 mm; 降雨过后, 随着地下工程施工进度的推进, 水平位移累计值虽仍有上升但已趋于稳定。而沉降位移在支护初期出现一定上下浮动的状态, 随后总体呈现下沉状态, 曲线变化较缓, 基坑总体稳定。整个基坑监测期间(2019-08-15以后进行地下室回填不再进行监测记录), 最大水平位移累计值稳定在43 mm左右, 最大沉降位移累计值5.38 mm, 沉降位移、 水平位移累计值均控制在设计监测报警值50 mm以内。

5.4 支护结构的动态设计

监测过程中, 系统未出现报警情况, 但监测信息反馈3—3′剖面开挖至-6.5 m时各监测点变形速率较大, 实勘现场发现锚杆孔内有渗水、 部分开挖面坍塌的现象, 土质酥松、 含水量大。经调查发现是由于该段红线外市政道路地势较低, 排水不畅, 长期积水所致。结合应急预案和设计单位意见, 进行排水优化, 重新调整后的剖面设计见图9, 此时减小监测预警值和增大数据采集频率, 取得了较好的治理效果。

图9 调整设计后的3—3′剖面图Fig.9 Section 3-3′ after optimization

6 结 论

本文从基坑工程的设计方案、 施工技术、 智能化监测等多方面进行分析, 得出以下结论:

(1)考虑边坡开挖深度、 土质及放坡条件等多种因素采取多剖面设计, 满足了边坡支护要求, 同时对比排桩+锚索、 排桩+钢筋砼支撑等支护方案节约了成本和工期。

(2)通过物联网、 北斗+、 互联网等技术, 以监测云平台及各类传感器为核心, 拓宽智能化监测在城市深基坑工程应用范围。监测数据实时上传汇总查看, 报表实时自动导出, 监测技术灵活性强、 安全有效。

(3)从稳定性计算和基坑监测的最终结果看, 基坑整体稳定安全系数计算结果在1.45～1.58, 达到设计值1.3的要求且经济合理, 基坑坡顶最大水平位移累计值42.1 mm, 最大沉降位移累计值5.38 mm, 沉降位移、 水平位移累计值均控制在设计监测报警值50 mm以内, 说明基坑的支护设计合理有效。

(4)该工程是预警系统在城市深基坑的初期应用, 其测点布置精细化水平、 数据采集与预警值设置以及施工进度与工艺要求等方面都有严格的要求, 没有出现超预警情况。结合动态监测信息反馈, 对偶然因素引起的潜在不安全现象实施动态调整和设计, 使施工过程更加准确化和及时化。