地下变电站深基坑桩锚复合土钉支护体系监测数据分析

赵雷

摘要：本文依托北京某实际工程，针对深基坑开挖及其围护结构支护困难等问题，采用桩锚复合土钉支护体系及深基坑侧壁位移监测试验方法，分析深基坑开挖时围护结构及周围土体的位移变化规律。试验结果表明：随着深基坑开挖深度的增加，桩锚复合土钉支护结构基坑侧壁位移受锚杆预应力的影响，基坑侧壁位移逐级递减，当每一道预应力锚杆施工完成后，深基坑侧壁位移变化速度会出现骤降点，最终趋于稳定。监测数据体现基坑周围深层土体的最大位移并没有出现在地表，而是在地表以下-2.5米处，整体呈现“弓形”的形态，并且下部收敛[1]。

关键词：深基坑；桩锚复合土钉支护体系；监测分析；现场试验

0引言

城市基础设施中供电设施不可或缺，跟随城市化进程的脚步，城市用电负荷逐年增加，然而诸多大型城市用地紧张，市区内变电站与周围环境协调困难的情况时有发生，然而全地下变电站节省城市用地上部空间，隐藏于城市地下，对周围建（构）筑影响较小，所以建设全地下变电站显得尤为重要。对于全地下变电站的建设，安全的深基坑开挖及其支护体系监测是关键，桩锚复合土钉支护形式深基坑造价低廉，并可以有效控制坑壁位移，在基坑工程中应用广泛[2-3]。

本文依托于北京某实际工程，对桩锚复合土钉支护深基坑的围护结构变形进行现场监测试验，分析深基坑周围土体随基坑开挖产生的位移变化规律。

1工程概况

参考工程位于北京市丽泽商务区，总用地面积18700平方米，总建筑面积近10万平方米，工程设计标高：44.40m，其地面标高为44.20m，基坑底标高为-19.75m~-20.25m，基坑深度为19.55m~20.05m。

1.1工程地质

本工程地貌单元属永定河冲洪积扇的中后部，现自上而下分述如下：

杂填土①：中密，土质不均匀。层底深度1.45~3.65m。

粘质粉土②：中密。属中高压缩性土。层底深度43.70~7.00m。

强风化泥岩③：密实，结构大部分破坏，局部相变为砂质泥岩。层底深度7.54~10.93m。

强风化砾岩④：密实，泥质或砂质胶结，包含物粒径最大3cm。层底深度10.00~20.93m。

拟建场地属建筑抗震有利地段。场地土类型为中软土，场地类别III类，地震烈度为8度时不会液化。场地土特征周期值Tg=0.35s。基坑开挖过程中未见地下水，本建筑场地可按非液化场地进行设计。

1.2基坑支护方案

（1）土钉墙：本工程地面以下5m设置土钉墙支护，土钉设置3排，长度分别为5m、6m、7m，错列布置，水平及竖向间距1.5m。土钉墙采用1：0.25放坡，并喷射混凝土支护。

（2）护坡桩：桩顶设计标高-5m，总长度为18.75m，成桩直径0.8m，每隔1.6m设置一根，并在桩顶设置截面尺寸为0.8×0.6m钢筋混凝土联梁。

（3）桩间土：基坑开挖置护坡桩时须要在桩间铺设钢筋网并喷射C20混凝土，混凝土厚度约50mm。

（4）锚杆：基坑由上至下设置3排预应力锚杆，其孔径为150mm，设计参数如表1所示：

表1预应力锚杆设计参数表

11

2支护结构变形监测方案

2.1围护结构侧向位移监测

围护结构侧向土体位移使用CX-3C测斜仪，其测量精度±0.01mm/500mm，系统精度：±4mm/30m。侧斜管距离深基坑每隔5m埋设一个，分别为0m、5m、10m、15m、20m处，为1倍基坑开挖深度。

侧斜管用PVC硬塑料管，内径43mm、壁厚5mm。侧斜管应做好封闭处理，禁止施工过程中混凝土进入管内，保持滑动顺畅。测量时探头随侧斜管由上而下对准滑槽，卡置槽内，逐渐滑至孔底，记住深度标志，此时应避免侧头与井底发生冲击。测量起点为侧斜管顶部，随后每隔半米进行一次读数，当滑至侧斜管底部测量完毕后须调转侧头方向重新测量，可保证监测的准确性。

2.2地表水平位移监测

监测仪器使用SET250RX型全站仪，精度±2秒。基准监测网由变形区域以外的地面水准点进行控制，在基坑四角设置4条水平位移监测基线，每个基线两端各设置一个基准点，基准点埋设深度为2m，可防止冻胀作用影响监测精度。基坑边坡位移观测点沿基坑周边监测基线每隔15m布设一点，本工程共布设观测点24个。

本次施测采用小角法进行地表水平位移监测，依照一级水平位移观测技术，在基准点上设站，首次观测时，先对观测点与基准点的水平距离进行实测，以后只观测水平角。水平角按方向法观测2测回，并取平均值，当位移观测结束后，统一进行位移量计算。

2.3地表沉降位移监测

地表沉降监测使用LEICANA2型水准仪按闭合回路法进行观测，精度±2秒。本次沉降观测设置3个基准点，其埋设位置应避开地下管线、交通干道主路、松软填土等地方，保证基准点在深基坑周围土体变形影响范围以外的稳定地层原状土层中。围护结构周边道路和地表沉降基准网与桩顶水平位移监测的基准网共用，围护坡顶水平位移观测点与围护坡顶垂直位移观测点共用。

沉降位移检测频率参考水平位移监测频率，开挖初期为1次/周，当深基坑开挖至坑底，监测频率为1次/天，当建筑物底板浇注完成14天后回到1次/周的频率。如遇附近地面荷载突变、基坑渗水、四周大量积水等情况应进行加密测量。本工程在高程基准点的控制下，以闭合路线的形式测量各观测点的高程，其闭合路线的测站数小于15，由此计算水准路线上沉降量观测中误差及最弱观测点高程的权倒数。

3监测结果分析

3.1围护结构侧向位移

图2各测点水平位移图

如图2所示，A1点的最大水平移为-20.25mm，A5点的最大水平位移为-5mm，由于A1~A4点布置方式为递进排列，表明距离基坑开挖位置越远，土体所受基坑开挖的扰动越小。深基坑围护结构由上至下水平位移变化量逐渐减小，监测曲线整体呈现“弓形”的形式，其最大位移基本出现在地面以下-2.5m处。由以上测斜管监测曲线可以得出：

（1）基坑开挖0~-5m，除A4点监测位移为正方向，其它侧斜管监测的位移变化均为负方向，平均位移量为1.5mm左右，所发生的实际位移量较小。分析其原因为桩顶土体在基坑开挖初期沉降不均匀，改变土体自身对基坑围护结构的侧向压力所至。

（2）基坑开挖至-5~-10m时，第一排预应力锚杆施工完成，2月28日监测曲线对比2月22日的监测曲线有明显的回退，这就是预应力锚杆引起深基坑围护结构侧向位移的骤降点，基坑侧向位移速度均有所减缓。

（3）基坑开挖至-10~-15m时，第二排预应力锚杆施工完成，第二次骤降点出现，我们可以看到，本次骤降发生强度较比第一次骤降强度有所减小，但骤降量依然可以退回到第一次骤降变形曲线之前，A4点在3月10日出现正方向移动，通过地质分析其原因为A4点下部土体有小部分的软土层，使得预应力锚杆效果加强。

（4）基坑开挖-15m至基坑底部，随着三道预应力锚杆施工完成，侧斜管所测得的数据显示围护结构周围深层土体位移方向仍然是负方向，但移动速度平缓，并有逐渐趋于稳定的趋势。3月22日出现第三次骤降点，第三道预应力锚杆阻碍维护结构向负方向继续移动，各监测点的位移曲线均呈现出上部发散，下部收敛。

总结监测过程，整个围护结构周围深层土体位移变化量基本不大，由上而下位移变化逐级递减，未出现达到预警值的情况。

3.2基坑顶部水平位移

本次基坑顶部水平位移监测周期较长，监测期间遇到严寒及北京61年一遇的特大暴雨等恶劣天气的影响，现重点选取典型的监测曲线作为研究对象，如此对监测结果进行分析。

图3各点水平位移累积变化量

由图3所示，深基坑顶部水平位移偏移量较大的点是S4，达到34.32mm。分析其原因为S4观测点接近深基坑土方运输道路，在土方开挖教密集时期，基坑开挖设备及运输土方车辆出入于深基坑内，导致此点周围荷载相对增大，土体振动频率增加，所以S4观测点的位移变化量较大。

基坑开挖初期，土体自身卸荷作用明显导致基坑顶部相对位移较大，当三排锚杆施工完毕后，由于预应力的作用，基坑顶部位移变化逐渐减小，最后趋于稳定。图3中5月31日至6月30日的监测曲线出现一个“V”形的线段突变，首先是监测中期基坑顶部水平位移出现明显的下降趋势，随后又回到原有的变化范围。然而此时间段正是北京61年一遇的特大暴雨来袭，土体的自身力学性质由于雨水渗流而改变，打破原有的力学平衡，很大程度上降低了土体的抗剪强度，并且基坑周围土体在强降雨影响下土的含水量接近饱和，很大程度上增加了自身的荷载，使得围护结构承受的侧向荷载猛增，在过后的30日内，土中所含水通过发散及渗流作用而逐渐消失，在锚杆预应力的作用下围护结构回到以前的变化范围。

进入冬季以后，从11月27日至1月11日的监测曲线可以看出，基坑侧壁位移呈现上涨趋势，整体呈现增大15mm的位移值，这是由于深基坑周围土中孔隙水和外给水结晶体、冰夹层、透镜体等受到冷冻影响而形成冰侵入体，土体的相对体积增大，从而导致基坑侧壁水平位移出现增长[1]。

3.3沉降位移监测分析

由图4可知，开挖初期基坑的沉降变化相对平稳，监测点的沉降位移变化在6~8mm之间。由于土体卸荷的作用，基坑开挖前期地表土体沉降变化速度较快，当预应力锚杆施工完成后，整个沉降速度有所减慢，施工完成趋于稳定。

图4S1点沉降监测值图

对于桩锚复合土钉支护结构体系来说，锚杆的预应力会传达到护坡桩身，使基坑周围土体呈现被动受压而平衡的状态，基坑周围土体的沉降量变化不大。受强降雨影响，基坑四周土体沉降变化明显，呈现“V”字形变化趋势；受降温影响，冻土的作用力使得土体沉降出现反弹。

4结论

本次基坑监测过程中，监测点所体现的数值变化未见异常，监测数据显示：

（1）基坑开挖初期围护结构周围深层土体位移量变化较大，预应力锚杆可以很好的控制围护结构侧向位移，降低周围深层土体的蠕动，当三道预应力锚杆施工完成后，基坑周围深层土体的位移变化趋于稳定。侧斜仪所记录的数据显示，深基坑周围深层土体的最大位移在地表以下-2.5m处，并不是在地表，整体呈现“弓形”的形态，并且下部收敛。

（2）各层的预应力锚杆施工会给基坑侧壁位移变化出现骤降点，有效降低深基坑侧壁位移的变化趋势，三道预应力锚杆施工完成后，锚索的预应力有效的控制了深基坑侧壁的水平位移，加强了围护结构的整体稳定性。

（3）受降温影响，基坑顶部水平位移增长迅速，变化幅度为15mm，沉降位移则有所回升，反弹量为5mm。受降雨影响，基坑顶部水平位移及沉降量均有所增加，在降雨停止后，又呈现“V”字型反弹，基坑整体从新恢复稳定。

参考文献：

[1]赵雷.桩锚复合土钉支护基坑变形试验分析[J].低温建筑技术，2013（08）.

[2]武崇福，李长洪，毕鑫，冯庆波.深基坑预应力锚杆轴力分布研究[J].建筑结构.2011（08）.

[3]李涛，钱霄，宋常军，刘波，吴云龙.砂卵石地层桩锚支护结构稳定性实例研究[J].中国安全生产科学技术.2011（01）.