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SMW工法围护结构的基坑监测与分析

摘要：针对城区范围内环境复杂深大基坑工程，采用SMW工法围护结构，为保证基坑安全及对周边环境的安全保护，动态掌握基坑开挖过程中围护结构顶部位移、深层水平位移及围护结构内支撑轴力的变化，对围护结构进行了实时跟踪监测工作，并对监测数据进行归纳分析，监测结果可为本地区类似项目提供参考，为优化基坑工程的设计及施工提供可靠信息。
关键词：基坑监测、SMW工法、深基坑
1引言
近几年随着城市人口的迅速增加，城区范围内土地资源越来越紧张，如何协调好城市发展与居民生活所需空间之间的矛盾是城市发展过程中亟待解决的问题。因此，一方面将城区范围内的工业建筑向城市外部迁移，以获得更多的居住及居民生活用地，另一方面逐渐发展城市的地下空间；其中城市的地下空间开发已成为现阶段城市建设的重点。地下空间作为一种新的资源进行开发和利用，是当今一些国家的发展趋势，应用范围主要包括：城市地下交通、地铁、地下公共建筑、人防工程、地下停车场、能源储备及工业垃圾、核废料的地下封存，其中地下公共建筑、人防工程、地下停车场直接影响着城市军民的生活空间。东部沿海城市由于地质年代沉积较晚，浅部土层主要以粉土、粉砂及粉质黏土为主，地下空间的开发难度较大，特别是周边环境复杂且开挖深度较深的基坑而言，需要采取必要的支护措施才可以满足基坑安全的需要。本文针对南通市区范围内某基坑工程，采用SMW工法进行深基坑围护设计，对基坑安全监测成果进行了综述与分析，可指导类似项目的施工与设计，同时也为SMW工法在本地区的推广及应用提供相关数据及经验。
2工程概况
2.1工程概况
本工程位于南通市崇川区青年路南侧，工程总建筑面积约25000平方米，其中地下室面积约3595平方米，基坑开挖深度为5.65m，现状地面下开挖深度为5.50m。基坑北侧边线距离轨道交通的最近距离为12.50m，南侧距离现状建筑物最近距离为5.20m，西侧为河道，最近距离为12.0m，东侧为校区道路，由于南侧及西侧为校园，施工期间无法作为施工场地，且需要与施工现场隔断，有限空间无法利用；西侧为河道亦无法利用，导致施工现场可操作空间狭小，场地内主要通道位于场地西北角，钢筋加工场地位于场地北侧。综合评价，本工程基坑周边环境较为复杂，且地下水位较高，开挖深度较深，属于一级基坑。
2.2场地地质条件
根据本工程提供的岩土工程勘察报告，场地内主要土层分布如表1所示，基坑基础底标高位于层2砂质粉土夹粉砂中：
表1 场地内主要土层分布及其物理力学性质
层号
土层名称
层厚
重度
（kN/m3）
含水量
（%）
粘聚力
（kPa）
内摩擦角（°）
备注
1
杂填土
1.9~3.2

2
砂质粉土夹粉砂
1.7~4.2
18.53
29.8
10.8
25.6
固结快剪
3
粉砂夹砂质粉土
15.2~17.9
18.91
28.1
8.0
31.4
固结快剪
4
粉质黏土夹黏质粉土
4.6~5.8
18.36
33.2
15.2
12.4
快剪
5
粉质黏土夹黏质粉土
3.2~4.9
18.45
32.2
31.8
3.9
三轴
6
砂质粉土夹粉砂
1.0~2.4
18.84
29.3
7.3
21.6
快剪
7
粉砂
7.7~10.3
19.10
27.3
3.1
33.8
快剪
8
粉砂夹粉质黏土
大于5.0
18.52
30.3
2.2
22.3
快剪
2.3支护设计及监测方案
本工程采用围护结构采用SMW工法加一道钢支撑的围护结构体系。SMW工法是基于深层搅拌桩施工发展起来的基坑围护结构，在相互搭接的水泥土搅拌桩内插入H型钢或其他种类的受拉材料，连续并排成地下柱列式复合围护结构，起到支护及防渗作用。本工程基坑采用3Φ850@1200三轴搅拌桩，桩长15.0m；内擦12m场H型钢，插二隔一。
监测方案根据《建筑基坑支护技术规范》（JGJ120-2012）的相关要求及本工程基坑特点确定，监测内容主要包含：临近建筑物的沉降、围护结构顶部位移、深层水平位移、内支撑轴力等内容。基坑开挖期间，监测频率至少为一天一期，如有异常加密监测，基坑开挖至基底标高后，当围护结构变形趋于稳定状态时，监测频率可适当减少，但应加强极端天气时的基坑巡视工作。地下室施工结束后，提交完成的基坑监测报告，方可结束本基坑的监测工作。
3监测结果与分析
3.1SMW工法围护结构顶部位移
为更好的了解SMW工法围护结构的变形情况，本次监测工作在围护结构顶部共布置17个监测点，编号为A1~A17，从中选择了部分具有代表性的监测点，累计位移统计见下表：
表2围护结构顶部代表性监测点位移统计表
监测点
位置
水平位移mm
垂直位移mm
东南角
A2
14
0.9
南侧
A3
29
1.1
西南角
A6
13
1.0
西侧
A8
35
1.5
西北角
A11
27
1.7
北侧
A12
39
1.5
东北角
A14
17
0.8
东侧
A16
23
0.7
根据监测结果，本基坑工程围护结构四边的顶部位移均指向坑内，且水平位移大于谁知位移，水平位移的最大值发生在西侧、北侧及东北角位置，分别为35mm、27mm及39mm，已经达到报警值。根据现场监测数据分析，由于场地内空间狭小，场地内材料的运输通到集中于场地西北角，且北侧由现场钢筋加工场地，加工场地距离围护结构的最近距离仅1.50m左右，且堆放有较多钢筋等原材料，运输通道及钢筋加工场地的动静荷载对围护结构的顶部水平位移有一定的不利影响。临近运输通道的西北角水平位移较西侧及北侧相比偏小，主要是围护结构角撑起到了限制水平变形的作用，角撑对围护结构的稳定性是用利的。根据现场实际情况，对场地北侧的钢筋堆放进行限制，严格限制围护结构外2.0m范围内的堆载情况，并对场地内运势通道进行科学管理，尽量减少动静荷载，围护结构顶部水平位移可以得到较好的控制。
3.2SMW工法围护结构深层水平位移
围护结构的深层水平位移主要是在基坑外侧水土压力、坑内挖土及内支撑相互的影响下围护结构产生的位移。本工程基坑监测过程中在围护结构外侧共布设深层位移测斜孔8个，监测点号分布为AA1~AA8；深层水平位移监测峰值及深度统计表见表3。
表3 围护结构深层水平位移峰值及深度统计表
监测点
位移值（mm）
深度（m）
监测点
位移值（mm）
深度（m）
AA1
11
4.0
A5
11
4.1
AA2
24
3.9
AA6
36
4.1
AA3
27
3.8
AA7
24
4.2
AA4
12
4.3
AA8
13
3.8
根据围护结构深层水平位移的监测结果可知，在基坑开挖过程中，由于地下室范围内土体泄荷，为保证基坑内外原有应力的平衡，围护结构的应力重新分布，并且随着基坑开挖深度的增加，围护结构的深层位移峰值点逐渐向开挖面位置靠近，根据监测结果，深层水平位移的峰值点深度约为基坑开挖深度的0.72倍。深层水平位移最大点出现在AA6点，最大深层水平位移达到了36mm，该位置接近现场运输的主要通道及钢筋加工厂，受动静荷载作用影响较大；而基坑四个角周边的深层水平位移监测值较小（AA1、AA4、AA5、AA8），围护结构角撑在外侧水土应力作用下，对限制围护结构深层水平位移发挥了重要作用。SMW工法围护结构深层水平位移最大值与基坑开挖最大深度之比为0.65%，且在基坑开挖过程中未出现明显异常情况，围护系统较稳定，说明SMW工法在本项目中具有较好的优越性，类似项目可推广使用。
3.3支撑轴力监测
本工程基坑周边环境较为复杂，且近轨道交通，在本工程相对标高-1.80m处设置一道水平支撑，采用了对撑加角撑的围护方式，分别在角撑和对撑上布置了38个轴力监测点以系统的掌握支撑体系的受力状态。选取具有代表性的角撑及对撑测点进行分析，角撑及对撑代表性测点实测值与时间的关系见表4.
表4 角撑及对撑代表性测点实测值与时间的关系
时间
（年-月-日）
实测轴力（kN）
N2（角撑）
N8（角撑）
N21（对撑）
N27（对撑）
2019-12-06
315.6
359.6
-25.6
-115.7
2019-12-21
332.3
756.3
141.2
652.6
2019-12-28
1262.3
1621.3
1325.6
1196.6
2020-1-13
1854.2
2241.4
1772.3
1436.6
2020-1-27
2177.6
2541.9
1851.2
1665.2
2020-2-18
3025.1
3314.5
1816.6
1881.6
2020-3-08
3046.5
3425.8
1759.6
2152.1
2020-3-28
3041.9
3258.9
1958.6
2245.1
根据上表的监测结果可以看出，角撑及对撑轴力与时间的关系表现出一定的规律性，即随着基坑工程开挖深度的增加，对撑及角撑的轴力是逐渐增大的，在开挖至基坑底部时，轴力值趋于稳定或在一定范围内波动，监测点N8位置位于场地内主要出入口位置，动静荷载对角撑的轴力有一定的影响，但这种影响相比于围护结构的内力而言基本可以忽略，但施工时仍需注意现场的巡视工作。监测初期对撑轴力表现为负值，即未开挖时混凝土对撑表现为拉力，产生拉力的主要原因可以归纳为仪器的精度或由于温度变化引起的混凝土收缩等；而随着开挖深度的增加，轴力逐渐由负转正，直至开挖至基础底标高，对撑轴力亦趋于稳定状态。
4结论与建议
4.1结论
SMW工法围护结构的成功应用很好的解决了城区范围内周边环境复杂深基坑围护的问题，该围护结构兼具挡土和止水的作用，且具有施工周期短、成本低、工艺简单等优点。从本工程的监测结果来看，围护结构顶部位移、深层水平位移及内支撑轴力变化均在允许范围内，可以满足基坑安全以及对周边环境保护的要求。
4.2建议
本工程基坑开挖深度较大，且场地较为狭小，从监测结果分析，本工程基坑变形较大的区域主要分布于场地的出入口及钢筋加工厂的临时堆场。针对类似项目而言，建议在保证场地使用条件的情况下，对局部动静荷载大的区域，可采用局部区域加强的措施，并加强极端天气条件下对变形较大区域的巡查工作。
参考文献：
[1]工程地质手册[M].北京:中国建筑工程出版社,2007.
[2]GB50497-2019建筑基坑工程监测技术标准[S].北京:中国计划出版社,2019.

-全文完-