软土地层大面积斜抛撑盆式开挖基坑实测与分析

DOI:10.3969/j.issn.1004-4655.2019.02.020

CHINA MUNICIPAL ENGINEERING

Ｎｏ．２　（Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．２０３）

Ａｐｒ．　２０１９

软土地层大面积斜抛撑盆式开挖基坑实测与分析

陈 亚 楠

[上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海 200125]

摘要：针对上海高压缩性、高塑性地层，以上海竹园污水处理厂生物池基坑项目为例，通过分析基坑围护墙顶的位移、灌注桩的水平位移、支撑轴力，揭示斜抛撑盆式开挖基坑的变形规律及环境效应。分析得到以下结论：斜抛撑盆式开挖基坑的变形具有明显的阶段性，与基坑的开挖工序有关；软土的高塑性不利于围护桩的围护作用，斜撑起主要作用；斜抛撑盆式开挖基坑对环境的扰动较大，不同范围内的构筑物对基坑开挖的响应不同。关键词：软土地层；斜抛撑盆式开挖；桩撑围护；变形规律；环境效应

中图分类号：TU473.2 文献标识码：A 文章编号：1004-4655（2019）02-0072-04

上海竹园污水处理厂的生物池基坑围护工程平面尺寸为312.5 m×200.9 m，开挖深度为8.1 m，属于超大面积深基坑工程。众多学者和专家对基坑开挖的变形规律[1-4]和基坑监测方面[5-6]做过较多研究，但对斜抛撑盆式明挖基坑的实测变形研究和对周边环境的影响分析还不是很多。

本文以该基坑为例，通过分析围护结构与基坑

土层名称

②1灰黄～灰色粉质黏土③灰色淤泥质粉质黏土③t灰色黏质粉土④灰色粉质黏土⑤1灰色黏土

重度γo/kN·m-3

18.917.918.217.617.4

固结快剪峰值C/kPaФ/（°）2320.01291212

18.523.016.013.5

变形监测数据，得出斜抛撑盆式明挖基坑的变形规律及周边环境对基坑开挖的响应，为本工程施工提供借鉴。

1 地质概况和周边环境1.1 地质概况

本工程地质特征见表1。从表1中可以看出土层整体性质较差，压缩性高，且基坑开挖深度内分

Es0.1~0.2/

MPa5.043.227.802.382.79

平均Ps/MPa0.900.451.190.770.91

地基承载力特征值

fak/kPa

8050705575

渗透系数k/cm·s-1

2×10-62×10-52×10-42×10-72×10-7

表1 基坑设计参数一览表

布淤泥质粉质黏土和淤泥质黏土层。

拟建场地潜水赋存在浅部土层中，设计高水位埋深0.3 m，低水位埋深1.5 m。含水层水位埋深3~12 m。1.2 周边环境

本工程拟建生物池基坑周边环境宽松，建筑物距离本基坑100 m，箱涵距离本基坑150 m（见图1）。

图1 周边环境位置示意图

工程范围

AAO

收稿日期：2018-12-04

作者简介：陈亚楠（1986—），女，工程师，硕士，主要从事地下工程结构设计。

2 支护体系

本工程属于超大面积深基坑工程，通过工期、经济性、施工等多方面分析，在安全可靠的

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前提下，基坑采用φ800 mm钻孔灌注桩+双排φ700 mm五轴水泥土搅拌桩止水帷幕作为基坑围护结构。坑内设置1道φ609 mm×16 mm钢管斜抛撑，角部设置型钢水平支撑，围护体上设置压顶梁，钢管斜撑之间、型钢水平支撑之间均采用H400型钢作为连杆（见图2、图3）。

压顶梁双

排水泥土搅拌桩

端部型钢角钢构柱

钢管斜抛撑留土护坡

地表沉降监测、支撑轴力监测、基坑外地下水位监测等。

监测点的布设严格按照相关规范（上海），监测点布置见图4。围护墙顶水平及垂直位移测试采用极坐标法结合小角法，压顶梁上共设52个监测点，分别为Q01~Q52，布设于两钢管斜抛撑中部，用精密水准仪观测。地表沉降监测点共设23组，布设于基坑外侧，各测点间距相同，分别用DB-j-i表示（j表示监测组，i表示监测点序号）。采用钢筋计、轴力计分别对钢管撑进行轴力测试，编号为ZL-j（j表示支撑编号）。

DB1-3 DB2-3 DB3-3 DB4-3

DB1-2 DB2-2 DB3-2 DB4-2

地表沉降监测点

DB1-1 DB2-1 DB3-1 DB4-1钻孔灌注桩

Q01 Q02 Q03 Q04 Q05 Q06 Q07 Q08 Q09 Q10 Q11Qn

型支钢撑1∶2放坡钢管斜撑底座

钻孔灌注桩

水泥后期浇筑底板先期浇筑底板土搅

拌桩钻裙边孔

灌

加固注

桩二

图2 斜抛撑盆式明挖示意图

2 0004 000 8 000 7 500 7 583①1②1③③1③③1③8 900④1⑤1前期放坡

ZL01 ZL02 ZL03 ZL04 ZL05 ZL06 ZL07 轴力测点区域

底板分期浇筑分界线

压顶梁

6 1005 000留土护坡4 000围护墙监测点

钢管斜抛撑

前期浇筑底板

5 000混凝土搅拌桩止水帷幕

图4 监测点布置平面图

图3 斜抛撑盆式明挖基坑围护断面图（预留土体坡肩宽度为5 m）

3.2 监测报警值及监测频率

信息化施工监测是确保工程质量、指导施工的重要措施。信息化施工监测由实测值和管理标准值相比较判断基坑的安全，完善施工参数及设计计算。监测报警值见表2。

表2 基坑监测报警值

监测项目墙身位移地面沉降坑外潜水水位周边管线、道路、建筑

速率/mm·d-1

±3±3±300

累计值/mm±350.25%H±1 000

基坑采用盆式开挖（周边留土、中部盆式），中部开挖至基底时浇筑垫层与底板，待底板达到设计强度后，在基坑留土护坡区域开槽架设钢管斜抛撑，最后开挖基坑周边留土，浇筑整个垫层底板。3 现场监测3.1 监测点布置

本工程监测以基坑围护结构作为工程监测及保护对象，以基坑开挖施工为监测工作的重点阶段。本次监测设置有：围护墙顶水平与垂直位移监测、

施工阶段围护施工

预降水

挖土基础底板施工地下室结构施工

支撑拆除期间及拆除后一周

墙身测斜安装—1次/1 d1次/1 d1次/2 d1次/1 d

坑外水位安装1次/1 d1次/1 d1次/1 d1次/2 d1次/1 d

位移报警值由相关单位确定

监测频率见表3。

道路位移、建（构）筑物

监测

对应施工位置1次/ d跟 对应施工位置1次/d跟踪踪监测、其余位置1次/7 d监测、其余位置1次/7 d

1次/1 d1次/1 d1次/1 d1次/1 d1次/1 d1次/1 d1次/2 d1次/2 d1次/1 d1次/1 d管线监测、土体测斜

表3 基坑监测频率一览表

桩顶位移、立柱沉降、支撑轴

力、基坑内外水土压力监测

——1次/1 d1次/1 d1次/2 d1次/1 d

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4 基坑开挖变形规律分析4.1 围护墙顶位移分析

围护墙监测点布置于压顶梁上，间隔15 m，围护墙顶初期受预留土的支撑作用，后期受钢管斜撑作用，其2017年7月至11月水平位移量见图5。

160

Q01140Q02120Q03Q08mm100Q09/Q10

量80移位6040200

7月25日 9日期

月25日 11月25日

图5 围护墙顶水平位移

由图5可知，水平位移的变化具有明显的阶段性。初期基坑中心部位开挖，对围护墙扰动较小，水平位移变化相对平稳；随着开挖面积加大，墙顶水平位移增大，不断向基坑方向偏移；开挖到一定阶段后，加设钢管斜撑，支撑压顶梁，使墙顶的水平位移受到牵制，位移累积量增速变缓；开挖预留护坡土，使基坑的围护减弱，墙顶受钢管的支撑，水平位移量增速减缓。4.2 围护桩水平位移分析

沿混凝土灌注桩垂直布置测斜设备，每0.5 m设置1孔，用以监测围护桩位移随深度的变化，同时反映基坑周边土体的形变规律，见图6。

水平位移/mm

0 10 20 30 40

6mm/度深1289月10月1515日 日18

11月12月15月15日15日日

图6 围护桩水平位移

图6表示围护桩在2017年不同时间、不同深度的水平位移，正值表示朝向基坑的偏移量。由图6可知，整体曲线呈“谷形”；钢管斜撑施工之前，顶部临空面大，位移量相对较大，底部受到土体的夹制作用，位移量相对较小。随着开挖面积加大，顶部位移量明显增加，而中部受到顶围檩的支护作用，位移量偏小，造成曲线反向“凹陷”，说明土体变形受支护作用影响较大；11月份钢管74

斜撑支撑后，顶部位移量变化较小，曲线呈明显的“胀肚形”，中部位移量增大，在开挖护坡土后，增加明显。围护桩水平位移随深度变化曲线呈明显的水平向“凹陷”，表明土体的塑性较强，受围护结构的影响较大。4.3 支撑轴力分析

基坑开挖是静止土压力的释放过程，而支撑是抵抗土压力确保基坑稳定的有效方法，支撑轴力过大会引起支撑的损坏；轴力过小说明支撑没有发挥作用，围护结构的水平位移过大。本工程在开挖周边土之前设置钢管斜撑，其轴力变化见

图7。其中，ZL03、ZL04、ZL05为新设置支撑，ZL18为前期支撑。

ZL031 200ZL04ZL05ZL18

N1 000k/力800轴撑600支400200

7 14 21 28 35 42 49

天数/d

图7 钢管斜撑轴力变化图

由图7可知，新设置的支撑在初期变化较为稳定，但随着周边土的开挖，支撑轴力迅速增加。此时在围护结构中护坡土的作用减弱，斜撑占据主导地位。随着开挖的推进，轴力逐渐稳定，起到持续支撑的作用，同时新支撑的设立，分担土压力，轴力减小，到达一定值时，保持稳定波动。

图8为ZL03、ZL04、ZL05斜撑轴力实测值与设计值的比较，可见斜撑设计满足安全性要求。

1 600

1 400N1 200k/1 000力轴800实测值600400设计值

2000

ZL03 ZL04 ZL05

支撑

图8 钢管斜撑轴力实测值与设计值比较

5 基坑开挖的环境效应5.1 周边构筑物的影响

图9、图10分别表示，随着基坑的开挖，周

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边建筑物及箱涵隧道的位移变化。其中，建筑物距离基坑100 m， 箱涵距离基坑150 m。从图9和图10可以看出，建筑物与箱涵的整体位移不大，控制在8 mm以内，但其波动性较强；受控于基坑的施工工序，建筑物与箱涵具有相同的波动规律。基坑开挖初期， 位移增加不明显； 随着开挖面积的增加，位移增加迅速，设置斜撑后，位移降低显著。与建筑物的垂直位移相比，箱涵的垂直位移相对稳定，表明在基坑远端影响，产生的垂直位移相对较小，主要原因在于远端对土层的扰动较弱。

8

6mm4/移2位直0垂-2筑建-4-6-8

6月22日 8月6日 9月21日 11月8日

日期

图9 2017年周边建筑物垂直位移变化图

8水平位移

6垂直位移

4mm2/量0

移位-2-4-6

7月10日 9月30日 12月10日

日期

图10 2017年周边箱涵位移变化图

5.2 地表沉降分析

地下水位的下降和地下围护结构的变形会引起坑外地表的沉降和侧移，探究地表沉降有利于进一步了解基坑的变形规律及环境效应，见图11。

0DB2-1DB2-2m-10DB2-3

m/-20值计-30累-40降沉-50-60-70

7月25日 9月15日 11月5日

日期

图11 2017年基坑周围地表沉降变化图

DB2-1、DB2-2、DB2-3分别位于基坑边缘5 m、10 m和15 m的位置。由图11可知，不同位置对基坑开挖的响应不同。近基坑端响应迅速，沉降变化迅速； 远基坑端则与之相反，产生“沉降波”效应。同时，地表沉降值波动与基坑的开挖过程相呼应，与前文关于变形规律的分析相一致，沉降的回弹与基坑围护结构的变形相关。6 结语

通过对上海竹园污水处理厂生物池基坑的监测数据分析，得出以下结论。

1）围护墙顶的水平位移与基坑的开挖阶段密切相关。基坑中心部位开挖初期，墙顶水平位移变化相对平稳；随着开挖面积加大，墙顶水平位移不断增大；加设钢管斜撑后，墙顶的水平位移受到牵制，位移增速变缓；开挖预留护坡土时，钢管斜抛撑作用更加明显，水平位移增速减缓。

2）围护桩水平位移随深度具有明显的规律性。

顶部形变较大，后期受到斜抛撑的支撑作用，曲线呈现明显的“胀肚形”，中部位移较大，在开挖护坡土后，尤其明显。

3）支撑轴力的变化规律。随着护坡土的开挖，呈现先迅速增加，后稳定波动的变化规律。整体轴力较大，说明在此类软土地层中，灌注桩支撑作用有限，斜抛撑作用明显。

4）斜抛撑盆式明挖基坑施工对周边环境有一定影响。建筑物与箱涵的整体位移不大。由于受控

于基坑的施工工序，其波动性较强；不同位置地表沉降对基坑开挖的响应不同，近基坑端响应迅速，沉降变化迅速；而远基坑端则与之相反，产生“沉降波”效应。

参考文献：

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建筑技术,2015(4):75-77.

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[6] 马玉龙.浅谈深基坑监测方案[J].北京测绘,2016(1):144-147.

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ABSTRACTS

experience for the construction and application of similar large and complex waterworks projects.

Key words: BIM technology; shallow buried underground sewage treatment plant; collision inspection; pipeline synthesis; reserved pre-buried hole confirmation

Study & Optimization of Engineering Design

Scheme for Water Storage Pond

CHEN Xiang-qiao

(Shanghai Urban Construction Design & Research Institute [Group] Co., Ltd., Shanghai

200125, China)

Abstract: Municipal engineering storage tanks are usually located in the riverside areas. The surrounding environment is complex and the geological conditions are unfavorable, which brings certain technical difficulties to the design of deep foundation pits. Combined with the Tianjin Xinkai River Storage Tank Project, the engineering design difficulties are analyzed. Through the analysis and comparison of design schemes, optimization is carried out in terms of enclosure selection, support arrangement and water stop measures to ensure construction safety, shorten construction period and save cost. The design scheme can provide reference for the design and construction of the water storage tank.

Key words: storage tank; deep water foundation pit; confined water; support; environmental impactApplication of ArcGIS in Layout Route Selection

Planning of Utility TunnelSHI Yi-ming1, YANG Ke2

(1.Shanghai Municipal Engineering Design & Research Institute [Group] Co., Ltd., Shanghai 200092, China; 2. CETC (Shanghai) Public Facilities Operation Management Co., Ltd.,

Shanghai 200063, China)

Abstract: The system layout selection of utility tunnel is an important part of the utility tunnel

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planning. The national norms & planning guidelines are mainly based on qualitative judgments for the layout selection of utility tunnel, taking into account factors such as urban functional zoning, underground space development, municipal pipeline demand, major infrastructure and major engineering nodes. The purpose of this paper is to explore a method of quantitative analysis of the layout and route selection of integrated pipeline galleries on trunk and branch lines by using ArcGIS, so as to assist the process and conclusion of qualitative analysis, so as to make the overall layout of integrated pipeline galleries more objective and reasonable.

Key words: utility tunnel; layout planning; ArcGIS; quantitative analysis

Measurement & Analysis of Large-Area Inclined Throw Support Basin Excavation Foundation

Pit in Soft Soil Layer

CHEN Ya-nan

(Shanghai Urban Construction Design & Research Institute [Group] Co., Ltd., Shanghai

200125, China)

Abstract: In view of the high compressibility & high plasticity stratum in Shanghai, taking the bio-pond foundation pit project of Shanghai Zhuyuan Sewage Treatment Plant as an example, this paper reveals the deformation law & environmental effect of the foundation pit excavation with inclined throw support basin by analyzing the displacement of the retaining wall top, the horizontal displacement of the cast-in-place pile and the supporting axial force. The following conclusions are drawn from the analysis: the deformation of the foundation pit excavation with inclined throw support basin excavation has obvious stages, which is related to the excavation process of the foundation pit; the high plasticity of soft soil is not conducive to the retaining effect of the retaining pile, and the

ABSTRACTS

oblique bracing plays a major role; the foundation pit excavation with inclined throw support basin has great disturbance to the environment, and the response of the structures in different ranges to the foundation pit excavation is different.

Key words: soft soil stratum; inclined throw support basin excavation; pile brace enclosure; deformation law; environmental effect

Simplified Prediction Method for Impact of Shallow Buried Underground Excavation on

Adjacent Pipelines

LI Tian-hua, BAI Wen-ying, MENG Xiao-cheng(Xinjiang Urban Construction Testing Co., Ltd.,

Urumqi 830000, China)

Abstract: In view of the influence of shallow buried excavation construction on pipeline settlement in Urumqi rail transit in Xinjiang, a simplified prediction method based on stiffness correction is proposed systematically and applied to the prediction of pipeline settlement. Based on engineering experience, numerical simulation & measured data, the approximate linear relationship between the width of settlement trough and buried depth is obtained. The relationship between maximum settlement and buried depth is solved based on the assumption that the formation loss does not change with buried depth, and then the law of subsidence varying with depth without pipeline can be obtained. The relationship between the relative stiffness of pipe and soil amends the ground settlement, and gets the expression of pipeline settlement and the internal force deformation of pipeline. The results show that with the increase of pipeline stiffness, the resistance of pipeline to soil deformation is enhanced, and the difference between the actual settlement of pipeline and the ground settlement at the original location becomes obvious, which is manifested by the increase of the width of settlement trough of

pipeline settlement curve and the decrease of the maximum settlement.

Key words: shallow buried excavation method; stratum settlement; pipeline settlement; stiffness correction method

PROJECT CONSTRUCTION & Comparison & Selection of Prefabricated TECHNOLOGY RESEARCH

Assembled Pier Connection Structures of West

Qufu Bridge in Weihai

SUN Zhi-song1, XU Hai-ning1, YU Zhang-kuan2,

ZHUO Wei-ding3, LIU Zhao3

(1. Weihai Highway Administration Bureau, Weihai 264200, China; 2. Weihai Highway Survey & Design Institute Co., Ltd., Weihai 264200, China; 3. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 211189, China)Absrtact: According to the design requirements of prefabricated pier connection structure of West Qufu Bridge in Weihai, Shandong, this paper analyses the common types and applicability of prefabricated pier connection structure at home and abroad, carries out the comparative design of 6 common connection modes, and determines the connection structure form of the lower structure of the bridge. The test results show that the actual failure strength is 1.15 times of the standard value of the tensile strength of steel bars. The failure locations of the specimens are in the base material of steel bars, and there is no pull-out failure. It can be seen that the connection performance of grouting sleeve meets the design requirements. The research shows that grouting sleeve connection is a reliable way of steel bar connection, and the prefabricated pier with grouting sleeve connection can meet the design requirements. The research results can provide reference for the structural design of prefabricated pier connection.

Key words: prefabricated piers; connection

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