深基坑開挖中土與水的問題初探

朱 彬，張貴生

（天津市市政工程設計研究院，天津市 300051）

0 前言

城市地道、隧道的施工一般都需要進行基坑開挖，在城市建筑密集區由于沒有條件放坡，為了利用有限的空間，通常做成直立式的支擋物，基坑深度一般都超過5 m，有的甚至達十幾米。小于6 m的淺基坑(包括淺基礎的基坑開挖)的巖土工程問題一般較少且不很嚴重，大于6 m的深基坑的巖土工程問題一般較為復雜。

實踐證明，基坑開挖工作是否順利，不僅影響基礎施工質量，而且影響施工周期與工程造價。基坑開挖過程中，常遇到基坑壁過量位移或滑移倒塌、坑底卸荷回彈(或隆起)、坑底滲流(或突涌)、基坑流砂等基坑穩定性問題。為保證基坑開挖與基礎施工順利進行，首先應重視深基坑工程的巖土工程問題的分析與評價確保基坑施工穩定安全，根據需要采取相應的防護措施。

1 基坑支護及其土壓力

1.1 基坑支護

城市構筑物的基坑開挖，由于場地的局限性，大多為有側壁支護基坑的開挖，即基坑側壁常要求垂直開挖，如果不采取支護措施，一般基坑側壁土體是不穩定的。

1.2 土壓力分析

基坑采取支護措施時，一般都需要分析作用在支護結構上的土壓力性質、分布與計算土壓力大小。土壓力應根據土體經受的側向變形條件來確定，土壓力性質包括靜止土壓力、主動土壓力、被動土壓力或與側向變形條件相應的可能出現的土壓力。分析土壓力時應考慮場地的工程地質條件、支護結構相對于土體的位移、地面坡度、地面超載、鄰近建筑及設施的影響、地下水位及其變化、支護結構體系的剛度、基坑工程的施工方法等。

作用于擋土結構上的土壓力取值應根據土壓力類型、支護結構類型和允許變形、被支護土體的性質、墻與土之間的摩擦力及擋土結構兩面的地面坡度等因素來綜合考慮。另外，當存在地下水時，土壓力值宜按水壓力與土壓力分算的原則計算，即作用在支護結構上的側壓力為有效土壓力與水壓力之和；有效土壓力按土的浮重度及有效抗剪強度指標計算。亦可采用水壓力與土壓力合并計算的原則計算，此時水土合并的壓力按土的飽和重度及總應力抗剪強度指標計算。

基坑非開挖側擋土樁上實測土壓力基本介于主動土壓力和靜止土壓力之間。實測主動側土壓力基本呈三角形分布。

非開挖側擋土樁側土壓力大小與施工工況有著密切關系，對于樁錨支護的基坑，擋土樁上土壓力受支護錨桿鎖定影響會顯著增大；對于樁撐支護結構的基坑，擋土樁受很大剛度的支撐，樁側土壓力也會增加。

非開挖側擋土樁上土壓力大小與擋土樁位移變化有著密切的關系。當基坑擋土樁發生較大位移時，擋土樁上實測土壓力明顯減小，向朗肯理論計算主動土壓力值靠近。

開挖側擋土樁上土壓力大小也與擋土樁位移變化有關。當擋土樁位移量增加較大時，擋土樁外側土壓力也明顯減小。

2 基坑穩定性分析

2.1 基坑底卸荷回彈(隆起)

基坑開挖是一種卸荷過程，開挖愈深，初始應力狀態的改變就愈大，這就不可避免地引起坑底土體的隆起變形，有的甚至可能由于受到過大的剪應力而導致基底隆起失效。基坑回彈(隆起)不只限于基坑的自身范圍，而且要波及四鄰地面，引起地面撓曲，對鄰近建筑物或設施均產生影響，應引起注意。必要時要組織施工開挖過程中坑內外地面的變形監測，供及時分析趨勢和采取措施之需。在軟至中等強度的粘性土(cu≈12～50 kPa)中進行深基坑開挖時，基坑底抗隆起穩定性可按下式進行驗算(計算模式如圖1所示)：

式（1）中：NC——承載力系數，NC=5.14；

τ0——由十字板試驗確定的總強度，kPa；

γ——土的重度，kN/m3；

γD——入土深度底部土隆起抗力分項系數，即抵抗基底隆起的安全系數，一般要求γD≥1.4；

t——支護結構入土深度，m；

h——基坑開挖深度，m；

q——地面均布荷載，kPa。

控制基坑回彈(隆起)的措施可采用降低地下水位、凍結法或在基坑開挖后立即澆搗相等重量的混凝土，使基坑的回彈量盡可能減小。

2.2 基坑底滲透穩定性

如果基坑在粘性土中開挖，且坑底下有承壓水存在時，當上覆土層減到一定程度時，承壓水水頭壓力便沖破基坑底板造成滲流(或突涌)現象(見圖2)。基坑底抗滲流穩定性可按下式驗算：

式（2）中：γm——透水層(砂層)以上粘性土的飽和重度，kN/m3；

H——透水層頂面至基坑底面的垂直距離，m；

γw——水的重度，kN/m3；

h——承壓水頭高于透水層頂面的高度，m；

γrw——基坑底土層滲透穩定抗力分項系數。

為使基坑底不因滲流而喪失穩定性，一般要求γrw≥1.2，如果驗算的γrw＜1.2，應采取必要的措施，如降水等。

3 工程降水對深基坑性狀及周圍環境的影響

當基坑開挖至地下水位以下時，為了防止因地下水作用而引起的滲流、流砂、管涌、坑底隆起、邊坡滑塌以及坑外地層過度變形等，保證施工過程中處于疏干和穩態的工作條件下進行開挖，必須做好對地下水的控制工作。基坑工程控制地下水的方法有降低地下水位與隔離地下水兩類。對于弱透水地層中的淺基坑，當基坑環境簡單、含水層較薄、降水深度較小時，可考慮采用集水明排的方法進行降水；在其他情況下宜采用降水井降水、隔水措施或隔水、降水綜合措施。

工程降水使降深范圍內的土層密度增大，應力狀態及力學性能發生了改變。不同的降水含水層中，有效應力均增加，引起含水層土體的壓密，粘聚力增大。地下水滲流使主動區的側壓力減小，也使被動區的側壓力減小，所以對基坑穩定的影響是不確定的。

基坑底板的突涌不僅與壓力平衡有關，而且和基坑的平面尺寸、土體的抗剪和彈性模量有關。對圓形基坑來講，出現最大撓度的部位在基坑的中心點，因此最容易發生撓曲破壞而產生突涌的部位在基坑的中央。同時基坑邊緣處的剪應力最大，因此在邊界處易發生剪切破壞而產生突涌。因此，對于圓形基坑的開挖應采取盆式開挖，對于邊沿和中心部位應加強保護，可采取及時堆壓重物的方式來抵抗突涌。

潛水含水層疏干帶內，總應力隨深度(從原水面起算)呈線性遞減，有效應力隨深度(從原水面起算)呈線性遞增；穩定水位以下，有效應力增加為常量；下伏隔水層內，總應力和有效應力都減小且相等。

承壓含水層在抽水減壓之后，承壓含水層范圍內總應力不變，有效應力增加，引起含水層本身的壓密。強透水承壓層的減壓會引起上覆土層的固結沉降，固結沉降與常規的雙向排水固結沉降的效果相同，由承壓水引起的有效應力增量隨深度呈三角形線性增大。

半承壓含水系統在含水的承壓層中抽水時，上部弱透水層和含水層產生向下滲流，將使弱透水層中的孔隙水壓力減小，有效應力增加，導致土層發生壓密變形，當下伏的弱透水層和含水層向上滲流時，孔隙水壓力增加，有效應力降低。

在降水引起的地面沉降方面：隨著彈性模量的減小，地表沉降量增大，地表沉降曲線變陡，不均勻沉降越大；隨著最大降水深度的增加，地表總沉降和不均勻沉降均明顯增加；當滲透系數較小時，隨著滲透系數增加，地表最大沉降增加較快，但當滲透系數增長到一定數值后，地表最大沉降變化速率減小。

4 基坑破壞對環境的影響

開挖基坑對周邊環境影響主要表現形式為：基坑邊坡坍滑與變形、地表沉降變形、坑內流沙和管涌、基底隆起變形、支檔結構變形、周圍管線斷裂、對周圍建筑物的影響和復雜的社會影響等（見表1）。

5 某工程監控方案

5.1 工程概況

5.1.1 概況

該基坑平面尺寸為24.4 m×37.9 m，開挖深度22.4 m，采用明挖逆作施工。基坑圍護采用厚1000 mm、深34.59 m的地下連續墻，中間設一道4層板梁混凝土支撐，底板厚1.2 m。

5.1.2 工程場地的工程地質和水文地質

施工場區地形平坦開闊，地面標高一般5.0～6.5 m。工作井位置現為荒地，有水塘分布。

工作井位置表層普遍分布有2～4 m厚填土層，該區早期為大面積魚塘回填而成，土質松散。深度20 m以內以飽和粉性土為主，“軟土”類的淤泥質粉質粘土在該處出露較薄，一般為30～50 cm厚度，“老粘土”類的粉質粘土在該處缺失，層褐黃色粉質粘土層灰色粉質粘土空間分布及厚度均較穩定，粘土較薄。下部普遍分布有粉細砂和圓礫、卵石層。

表1 基坑破壞對環境影響

經勘察，擬建場地砂土和圓礫、卵石層內分布有承壓水，承壓水水頭埋深為9.30～11.15 m，相對標高為-3.98～-3.80 m，單位涌水量為1.8×103～2.3×103L/h·m。

5.1.3 工程保護等級

根據設計要求，本基坑保護等級為一級。

5.2 監測內容

圍護體水平位移；圍護體頂部水平位移；圍護體頂部垂直位移（沉降）；支撐軸力；地下水位；基坑周圍地表沉降；周圍建（構）筑物變形；地下管線變形。

5.3 監測的方法和監測點布置

5.3.1 圍護體水平位移

（1）監測方法

本項監測是深入到圍護體內部，用測斜儀自下而上測量預先埋設在圍護體內的測斜管的變形情況，以了解基坑開挖施工過程中，圍護體因相應位置土體的挖除對其整體水平位移的影響程度，分析圍護體在各深度上的穩定情況。

儀器：北京航天CX-03測斜儀；量程：±53°；精度：±0.024%F.S.。

（2）測點布置

測點布置在地下連續墻圍護體中，根據基坑平面布置情況，共布設3個。

測斜管為外徑70 mm、內徑66 mm內壁有十字滑槽的PVC管，管長與相應維護體等深（34.59 m），固定在鋼筋籠上隨之一起埋入連續墻槽內。安裝測斜管時，其一對槽口必須與基坑邊線垂直，上下管口用蓋子密封，安裝完成后立即灌注清水，防止泥漿滲入管內。如有必要測斜管管口設可靠的保護裝置如鋼管。

5.3.2 圍護體頂部水平位移

（1）監測方法

利用經緯儀測量圍護體頂部各測點與測量基線間距離或角度的變化再進行計算；如果視線受限制，則建立平面控制網，采用全站儀測水平角、水平距進行計算，從而了解圍護體因相應位置土體的挖除對其頂部水平位移的影響程度，分析圍護體的穩定情況。

儀器：南方 NTS-352，測角精度：2″；測距精度：2 mm+2 ppm。

（2）測點布置

測點沿基坑周邊布置，根據基坑平面布置情況，共布設6個。

在圍護墻體頂部的設計測點處埋入頂部為光滑面的鋼制測釘。測釘與混凝土體間不應有松動。

5.3.3 圍護墻頂部垂直位移(沉降)

（1）監測方法

建立高程控制網，利用精密水準儀觀測測點高程變化情況，從而了解圍護體因相應位置土體的挖除對其豎直方向上的影響程度，分析圍護體的穩定情況。

儀器：蘇光DSZ2型精密水準儀加測微器；精度：±0.7 mm/km。

（2）測點布置

測點布置與埋設同“圍護體頂部水平位移”。共計6個。

5.3.4 支撐軸力

（1）監測方法

鋼筋混凝土支撐采用在其內部鋼筋上（預）設鋼筋應力計的方法來監測其工作時的支撐軸力的變化。預設時需在上下的兩根主鋼筋同時安設應力計；處理檢測數據時取其平均值，以消除彎矩的影響。

儀器：鋼弦式鋼筋應力計，頻率計（數字式讀數儀）；量程：+300/-150 MPa（因未有配筋圖，暫定用 Φ25 mm）；精度：2%。

（2）測點布置

布設在混凝土板梁支撐內，在其上下各道支撐上布置支撐軸力測點。共布設1個斷面，共需要10個鋼筋應力計。

5.3.5 地下水位

（1）監測方法

預埋水位觀測管于土體內，用水位計測量，了解止水、降水效果及管涌、流砂等巖土工程病害發生的可能性。

儀器：國產水位計；量程：30 m；分辨率：1 cm。

（2）測點布置

觀測井布設在基坑四周，距圍護墻為2 m處。觀測井深度與相應位置的基坑深度一樣或深（如果要觀測承壓水位）。

設井時，先在土體內鉆孔至設計深度，孔徑100 mm，然后將管徑為53 mm的PVC帶有用土工布裹住的進水孔的水位管 (長5 m)放入孔中，再于管外回填中粗砂至進水段上方30 cm，其上方回填粘土封孔。管口設必要的保護裝置。共布設4個。

基坑內水位可利用降水井進行量測，無須埋設水位管，數量可根據實際情況現場確定。

5.3.6 基坑周圍地表沉降

（1）監測方法

利用水準儀觀測測點高程變化情況，從而了解因相應位置土體的挖除對坑外土體的影響程度，分析土體及地下管線的穩定情況。

儀器：蘇光DSZ2型精密水準儀加測微器；精度：±0.7 mm/km。

（2）測點布置

測點沿基坑周邊布置，共布設兩個斷面，每個斷面內有7個測點，斷面內測點與圍護體的距離分別為相應位置基坑開挖深度的0.1倍、0.25倍、0.5倍、0.75倍、1.0倍、1.5倍、2.0倍。共計 2個斷面、14個測點。

其他如地下管線等限于資料了解不多，可在實施時根據現場實際情況結合施工過程因地制宜進行布設。

以上所有監測內容的測點的具體布設，在實際布設時要根據現場施工需要進行數量和位置的調整。

5.4 監測工序和測點保護

5.4.1 監測工序

各監測內容所需的監測儀器、監測點的安裝、埋設以及測讀的時間應隨基坑工程施工工序而展開：

（1）根據各道工序施工需要，先期布設地表、建筑物（如有）及地下管線（如有）的沉降點；

（2）地下圍護結構施工時，同步安裝圍護墻體內測斜管；

（3）地下圍護結構及土體加固施工完成后，進行水位管測點的埋設；

（4）圍護墻頂的圈梁澆筑時，同步埋設墻頂位移、沉降測點，同時做好測斜管口的保護工作；

（5）基坑開挖之前，應建立測量控制網，將所有已埋設測點測讀初始值，并應測讀三次；

（6）在相應施工區段及其影響范圍內的測點在施工期間按要求進行測讀，并進行數據整理，及時完成、提交日報表；

（7）在相應支撐施工時，同步安裝鋼筋應力計；

（8）某施工段工程全部完成之后，按照有關要求相應測點停止測讀，以此類推直至工程全部完成；

（9）編寫施工監測報告。

5.4.2 測點保護

儀器（傳感器）、測點安裝、埋設好后應作好醒目標記，設置保護設施，平時加強測點保護工作，確保測點成活率，保證監測數據的連續性。

5.5 監測頻率及報警值

5.5.1 觀測頻率

在施工開始前應完成有關各項測點的埋設工作，并取前三次讀數的平均值作為初始讀數，以保證測試數據更接近真實。

施工開始后，根據有關技術規程的規定和開挖進度進行安排觀測頻率：

（1）基坑圍護施工期間，影響范圍內的建筑物（如有）、地下管線（如有）監測每天或每2 d一次；

（2）基坑開挖期間，開挖段內的監測點每天1～2次，未開挖段每周約1～2次；

（3）基坑底板完成的區段，約每周1～3次（換撐期間應每天1次）；

（4）基坑主體結構施工結束后2個月內，對建筑物（如有）和地下管線（如有）每周監測一次；

（5）根據監測數據變化情況，監測頻率進行適當調整；

（6）當監測數據達到報警范圍，或遇到特殊情況以及其它意外工程事件，應適當加密觀測，直至24 h不間斷的跟蹤監測。

5.5.2 報警值

根據基坑保護等級和設計要求，基坑等級為二級基坑，據此提出以下報警值供有關方面參考：

（1）圍護墻體水平位移0.14%H（開挖深度），即31.4 mm，速率不大于3 mm/24h。

（2）圍護墻體頂水平位移、沉降0.1%H（開挖深度），即22.4 mm速率不大于3 mm/24 h。

（3）地表沉降量0.1%H（開挖深度），即22.4mm，沉降速率不大于3 mm/24 h。

（4）（如有）剛性管線沉降量10 mm，速率不大于2mm/12 h，或按照相關管線業主確定的數值。

（5）（如有）建筑物整體傾斜。

Hg≤24 m：0.004（Hg為自室外地面起算的建筑物高度）；

24 m＜Hg≤60：0.003；

60 m＜Hg≤100：0.0025；

Hg＞100：0.002。

（6）支撐軸力大于設計值的70%；

（7）水位下降或上升500 mm。

具體實施中，將以上述有關警戒值的80%作為預警值，此舉可為有關單位和部門分析情況和采取制止險情的措施爭取寶貴的時間。

[1]黃紹銘,高大釗.軟土地基與地下工程（第二版）[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.

[2]盧廷浩.高等土力學[M].北京:機械工業出版社,2006.

[3]黃文熙.土的工程性質[M].北京:水利電力出版社,1983.

[4]錢家歡.土工原理與計算[M].北京:中國水利水電出版社,1996.

[5]洪毓康.土質學與土力學》[M].北京:人民交通出版社,1990.