臨地鐵深基坑開挖中圍護結構變形規律分析

代仲海，吳 磊

（1、深圳地質建設工程公司 深圳 510078；2、深圳市地質局 深圳 510078）

0 引言

目前，基坑開挖變形的研究主要集中在對監測資料的分析上。臨地鐵基坑開挖過程中，需要進行實時監測，以把握基坑變形情況并及時采取措施。對監測資料的分析可以幫助確定基坑變形的原因，評估基坑的穩定性，并制定相應的措施來處理變形問題。根據監測數據，掌握周邊環境、圍護結構體系和土體的動態，了解基坑的安全狀態，判斷支護設計是否合理，施工方法和工藝是否可行。同時對基坑進行全面、系統的監測，在出現異常情況時及時反饋，并采取必要的工程應急措施，保證工程的安全和避免對周圍環境造成過大的影響，確保工程的順利進行［1-4］。

葉強等人［5］探討了深基坑支護結構的水平位移、深層水平位移、沉降與內力等變化規律，深入研究了水平位移的變形特性；劉動［6］以某內支撐支護結構形式基坑工程為例，介紹了深厚淤泥地層條件下，施工支護結構、開挖土方和拆換撐工況下監測項目的變形趨勢；吳旭彬［7］以深圳地區深厚填土地層條件下某樁錨支護形式基坑工程為例，探討施工全過程中，分析和總結支護結構水平位移、沉降位移、深層水平位移和錨索軸力等項目變化規律；陳宏東等人［8］分析了基坑變形中沉降監測及水平位移監測與基坑設計、施工速度、施工質量、周圍建筑及水文地質情況的相互關系；李衍航等人［9］基于深圳某深基坑支護設計及地質條件，針對樁錨和雙排樁支護體系，對基坑頂部、周邊環境變化、支撐軸力及地下水位等監測數據進行分析；章丹峰等人［10］對混凝土支撐軸力監測進行探索，基于混凝土支撐軸力監測結果，開展監測值與設計值誤差分析，并提出了支撐軸力計算方法優化修正建議。

本文以深圳前海某項目基坑支護工程作為背景，對基坑施工過程中現場實測的數據進行分析，針對圍護結構測斜、豎向沉降和水平位移、內支撐軸力監測數據開展研究，對本工程開挖期間結構監測數據變化提出相應分析。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況和周邊環境

前海某項目包含3 塊地塊，其中01#地塊面積約9 350.00 m2，擬建辦公樓高度約150.00 m；02#地塊面積約4 190.00 m2，地面無建筑物；03#地塊建設用地面積6 937.45 m2，塔樓32 層，總高度153.00 m，裙樓分別為3層和6層，總高度16.00 m和36.00 m?；娱_挖范圍根據地下室外墻外放1.20 m確定，開挖面積19 280.50 m2，深度16.04～20.03 m，支護周長約748.00 m。

工程場地周邊環境復雜，北側為在建地鐵9號線，東側為在建地鐵5號線，其它兩側為市政道路，周邊環境復雜，破壞后果很嚴重，其支護安全等級為一級?；又ёo方案采用密排灌注樁+旋噴樁截水帷幕+三道內支撐，典型剖面如圖1所示。

圖1 基坑支護典型剖面Fig.1 Typical Profile of the Excavation Engineering （mm）

1.2 工程地質概況

根據勘察報告，場地分布的地層有：人工填土（Qml）、第四系全新統海陸交互相沉積層（Qmc）、第四系上更新統沖洪積層（Qal+pl）、第四系殘積層（Qel）及燕山期花崗巖層（γ）。各土層物理力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數Tab.1 Physico-mechanical Parameters of Soil Layers

1.3 水文地質概況

本場地地下水主要為第四系孔隙潛水，其中填土（石）的透水性與填料成份有關，碎、塊石含量較高地段透水性較強、粘性土含量較高地段透水性較弱，整體為強透水地層。含有機質中砂及粗砂層屬強透水層，受上部隔水地層的影響，砂土層中地下水具微承壓性。其余第四系地層為弱透水性地層。其次為基巖裂隙水，其透水性差，屬弱透水層。

地下水接受大氣降水、人工湖水及海水的補給，與地表水體存在密切的水力聯系?？辈炱陂g測得鉆孔中混合穩定水位埋深0.80～7.20 m，標高-2.03～4.18 m，地下水位年變化幅度約為1.00～3.00 m。地下水水位受季節及潮汐作用影響。

2 基坑圍護結構監測方案

基坑工程主要監測項目包括：①周邊環境監測：周邊建（構）筑物、道路的路面沉降監測；②圍護樁頂的水平位移和沉降監測；③立柱的水平位移和沉降監測；④地下水位監測；⑤混凝土支撐的軸力監測；⑥支護樁應力監測；⑦深層水平位移監測。

其中，圍護樁頂水平位移和沉降監測點32 個，周邊道路及建筑物沉降監測點28個，支撐立柱樁頂水平位移和沉降監測點36個，支撐軸力監測點105個（每層支撐35個點，共計3層），圍護樁深層水平位移監測點32個，圍護樁內力監測點17個，地下水位監測點20個，主要分析監測點分布示意圖如圖2所示。

圖2 基坑部分監測點分布Fig.2 Distribution of Monitoring Points in the Excavation Engineering

3 實測結果分析

3.1 樁頂水平位移分析

樁頂水平位移是反映基坑變形程度的重要指標。通過測量樁頂水平位移可以預測周圍建筑物和管線的橫向位移趨勢，從而評估基坑變形對周圍環境的影響。

依據現場實際情況，選取具有代表性的測點ZQ04、ZQ07、ZQ11、ZQ18、ZQ23 進 行 分 析。ZQ04、ZQ07、ZQ11測點位于基坑長邊，ZQ18、ZQ32測點位于基坑短邊，其樁頂水平位移隨時間變化曲線如圖3 所示。位移為正，樁頂變形朝向基坑內部；位移為負，則朝向基坑外側。

圖3 樁頂水平位移與時間關系曲線Fig.3 The Relationship Curve between Pile Top Horizontal Displacement with Time

由圖3可知，在工程早期，樁頂水平位移增加較為平緩，說明在基坑開挖之前設置的冠梁和鋼筋混凝土內支撐對灌注樁的樁頂位移產生了限制作用，因此樁頂位移沒有發生明顯的變化。隨著施工的進行，主動土壓力增大，該限制作用減弱。另一方面工程中期開挖對應土層為淤泥質土層和粉質粘土層，圍護結構承擔較大主動土壓力，累計水平位移有明顯增加趨勢。因此在開挖中需針對軟弱地層控制分層開挖的深度。2019 年9 月以后，工程進入后期，水平位移再次趨于平緩。樁頂水平位移的增加呈“先慢后快再慢”的趨勢。最大樁頂水平位移為12.32 mm，此時基坑變形基本結束，監測點變形控制要求水平位移不大于0.3%H，且不能超過30 mm，實際最大值小于報警值。另外，各個測點累計水平位移曲線的大致趨勢一致，但變化數值有差異，體現了基坑的時空效應。

3.2 樁頂豎向沉降分析

依據現場實際情況，選取具有代表性的測點ZQ06、ZQ10、ZQ15、ZQ22、ZQ25 進行分析。其中監測點ZQ15 位于基坑短邊，監測點ZQ06、ZQ10、ZQ22 和ZQ25位于基坑長邊。樁頂沉降監測數據如圖4所示。由圖4可知，隨著各層內支撐施工完成，不同施工階段的各監測點樁頂豎向位移增大，說明基坑工程時間越長，施工對土體的擾動越大。在2019 年11 月5 日以后，各測點累計豎向位移變化均趨于平緩，沉降不再增大，因為此時結構支護已經完成。樁頂最大沉降數值為15.99 mm，小于警報值，該值出現在2019年11月5 日，測點位置編號為ZQ22。各測點變化趨勢大致相同，但數值有所差異，主要受到施工機械荷載的影響。

圖4 樁頂沉降與時間關系曲線Fig.4 The Relationship Curve between Pile Top Settlement with Time

ZQ22 和ZQ25 監測點位置較近，累計沉降的變化趨勢和數值均接近，其值較其他測點的位移量明顯偏大，這是由于測點附近設置出土坡道，圍護樁承受施工機械和渣土車豎向荷載。為了確?；邮┕さ陌踩?，必須嚴格控制基坑周圍的荷載情況，并按照基坑設計的要求，控制圍護樁樁底沉渣厚度。

3.3 深層水平位移分析

選取具有代表性的測點CX9、CX10、CX22進行分析，其測斜曲線如圖5 所示，測斜位移為正，則朝向基坑內部；位移為負，則朝向基坑外側。對比圖5分析可得到以下規律：

圖5 測斜曲線Fig.5 The Curve of the Lateral Displacement

⑴測斜管隨圍護樁鋼筋籠安裝，測點按1 次/m測量。深層水平位移最大值均為15 mm 左右，小于報警值，符合《建筑基坑工程監測技術標準：GB 50497—2019》要求。深層水平位移隨時間增大而不斷發展，且最大值出現的深度也隨時間變化而改變，開挖到設計挖深后深層水平位移最大值變化才趨于穩定，后續的拆換撐施工中，圍護墻的最大水平位移仍會發展，但最深處的水平位移會逐漸減小。

⑵圍護樁深層水平位移均呈現先增大后減小的趨勢，即曲線呈“兩頭小、中間大”的形狀。深層水平位移最大值出現在深度為5 m左右處。一般工程在開挖階段，所有的測點的最大位移量出現的深度都接近于挖深大小，最大位移量出現的深度可以近似于最危險點，分析其原因，主要是基坑中上部開挖地層主要為填土和淤泥，圍護樁深層水平位移在開挖至第二道支撐面最大，隨著深度增大，下部地層主要為殘積層和燕山期花崗巖層，且支撐施工完成后，深層水平位移得到有效控制。

3.4 支撐軸力分析

項目采用三道內支撐支護形式，選取5 個具有代表性的軸力監測點ZCL-A01、ZCL-A11、ZCL-A16、ZCL-B13 和ZCL-C27，支撐軸力與時間關系曲線如圖6所示（軸力為正，則內支撐受壓；軸力為負，則內支撐受拉）。其中ZCL-A01、ZCL-A11、ZCL-A16 為第一道內支撐上的監測點，ZCL-B13 為第二道內支撐上的監測點，ZCL-C27為第三道內支撐上的監測點。

圖6 支撐軸力和時間關系曲線Fig.6 The Relationship Curve of Support Axis Force with Time

由圖6 可知，內支撐軸力隨著基坑開挖的深度增加，總體呈現增大的趨勢，軸力最大值為11 163.6 kN，三道支撐監測點軸力均小于報警值，符合設計要求?；右还膊荚O三道內支撐，第二道和第三道內支撐布置完成后，第一道支撐監測點ZCL-A11、ZCL-A15、ZCL-A16的軸力明顯下降，說明后兩道支撐有效地承擔土體主動壓力。三道支撐布設完成后，土體的主要壓力由三道支撐共同承擔，軸力逐漸上升，在基坑深度接近開挖深度時，軸力變化曲線趨于平緩。第一道支撐的3 個測點的軸力曲線的變化趨勢高度相似，尤其是ZCL-A11 和ZCL-A16 測點的曲線，但是測點位置不同，數值差異較大，ZCL-A01測點位于坑角處，其軸力明顯較同一支撐的其他測點偏小。

4 結語

本文從實測的深基坑監測數據出發，對深基坑支護結構變形和軸力，做了較為全面的總結與分析，得出以下結論：

⑴在工程早期，樁頂水平位移增加較為平緩，基坑開挖之前設置的冠梁和第一道鋼筋混凝土內支撐對灌注樁的樁頂位移產生了限制作用，隨著施工的進行，主動土壓力增大，該限制作用減弱。工程進入后期，水平位移再次趨于平緩。

⑵隨著各層內支撐施工完成，土方開挖量增大，各種大型施工機械對圍護樁的施工擾動明顯，出土坡道位置圍護樁沉降量較大，在施工過程中應嚴格控制樁底沉渣。

⑶深層水平位移最大值約為15 mm，小于報警值，滿足《建筑基坑工程監測技術標準：GB 50497—2019》的要求，深層水平位移曲線呈“兩頭小，中間大”的形狀。深度小的土層為軟土，隨著深度增大，土層物理力學指標較高，圍護樁深層水平位移最大值出現深度不是在坑底部位。

⑷支撐軸力和時間關系曲線顯示，基坑內支撐能夠有效地分擔土體的主動土壓力，內支撐拐角處的軸力明顯偏小，體現“坑角效應”。該深基坑項目采用的“密排灌注樁+旋噴樁截水帷幕+三道內支撐”支護結構能夠有效地控制基坑的變形，保證基坑施工過程中的安全性和穩定性。