深基坑開挖支護(hù)變形規(guī)律及控制措施研究

楊 磊

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深基坑開挖支護(hù)變形規(guī)律及控制措施研究

楊 磊

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隨著社會(huì)的發(fā)展，基坑工程技術(shù)發(fā)生著日新月異的變化，近年來，我國大城市的大型地下空間發(fā)展十分迅速，技術(shù)復(fù)雜的基坑工程建設(shè)項(xiàng)目越來越多，基坑工程的規(guī)模越來越大，就會(huì)帶來許多環(huán)境安全和基坑安全問題，基坑的變形控制成為基坑工程成敗的關(guān)鍵，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其的研究非常有必要，通過對(duì)基坑受力的變形規(guī)律研究，來提高深基坑工程實(shí)踐的科學(xué)性。基于此本文分析了深基坑開挖支護(hù)變形規(guī)律及控制措施。

深基坑；開挖支護(hù)；變形規(guī)律；控制措施

1、深基坑工程的特征

1.1 受地質(zhì)水文與市政環(huán)境影響大

深基坑工程對(duì)工程地質(zhì)環(huán)境與水文條件的依賴性高，在不同土壤地質(zhì)條件下，深基坑工程往往呈現(xiàn)不同特點(diǎn)，我們國家很多城市或同一城市的不同區(qū)域，土壤類別差異性較大，水土環(huán)境受氣候影響也較大，因此對(duì)深基坑的作業(yè)要求也不均等，深基坑工程表現(xiàn)出較強(qiáng)的地域區(qū)別。在工程的勘察設(shè)計(jì)中，對(duì)土壤與水文環(huán)境的調(diào)查往往有很多不確定性，因此較難準(zhǔn)確定位工程當(dāng)?shù)氐目傮w情況，對(duì)于不同工程要根據(jù)其性質(zhì)與所處的特定水文、地質(zhì)環(huán)境考慮深基坑工程的開挖以及支護(hù)技術(shù)的采用類型。

1.2 復(fù)雜性與綜合性

深基坑工程往往不是獨(dú)立工作的，在地下空間開發(fā)、地上建筑物與構(gòu)筑物工程、橋梁與隧道工程、市政與巖土工程中均是扮演了非常重要的角色。深基坑工程與結(jié)構(gòu)工程、巖土工程與施工技術(shù)的關(guān)系密切，相互交叉，相互影響，深基坑工程影響其他工程的同時(shí)也會(huì)受到其他工程對(duì)其的干擾。在現(xiàn)實(shí)中，深基坑工程除了保證一定的穩(wěn)定性與強(qiáng)度外，防止基坑變形與滲流也是工程技術(shù)人員重點(diǎn)考慮的問題，往往很多工程出現(xiàn)多種問題相互結(jié)合，相互矛盾，需要統(tǒng)一的協(xié)調(diào)與處理，體現(xiàn)出一定的綜合性與復(fù)雜性，最終需要技術(shù)人員權(quán)衡矛盾尋求最優(yōu)化的解決方案。

1.3 環(huán)境與時(shí)空效應(yīng)明顯

由于地質(zhì)條件是時(shí)時(shí)變化的，有時(shí)深基坑開工前土壤地質(zhì)條件適宜，基坑穩(wěn)定性滿足要求，但是隨著時(shí)間的推移，基坑周圍的主動(dòng)土壓力與被動(dòng)土壓力存在一定的變化，當(dāng)這些變化長時(shí)間作用于基坑的時(shí)候，基坑尤其是深基坑的穩(wěn)定性就會(huì)受到破壞。深基坑的工程環(huán)境效應(yīng)體現(xiàn)在對(duì)周圍環(huán)境的影響程度上。深基坑的施工開挖的時(shí)候，土方量的占地面積要干擾周圍行人與機(jī)動(dòng)車、非機(jī)動(dòng)車的正常通行，深基坑的開挖與支護(hù)施工會(huì)對(duì)周圍的建筑物、構(gòu)筑物、市政管網(wǎng)造成穩(wěn)定性的破壞，施工產(chǎn)生的噪音污染還會(huì)影響附近居住小區(qū)的正常生活，因此從環(huán)境角度而言，深基坑工程的環(huán)境影響效應(yīng)表現(xiàn)顯著。

2、加強(qiáng)基坑開挖支護(hù)變形的重要性

深基坑的開挖會(huì)帶來基坑周邊的地層朝著基坑的方向移動(dòng)，進(jìn)而在地層中形成被動(dòng)土壓力和主動(dòng)土壓力。在進(jìn)行基坑的開挖施工時(shí)，基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)的任務(wù)技術(shù)為建筑物的主體結(jié)構(gòu)提供干燥和安全穩(wěn)定的作業(yè)空間，但同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生基坑周邊地表的沉降以及結(jié)構(gòu)的變形。城市建設(shè)發(fā)展越來越迅速，城市地下空間的開發(fā)也在快速發(fā)展，所以，現(xiàn)代城市發(fā)展的地質(zhì)問題和環(huán)境問題是因城市地下空間的開發(fā)利用而造成的城市地面的沉降，所以，在進(jìn)行深基坑工程時(shí)，基坑的變形控制成為基坑工程成敗的關(guān)鍵。

深基坑開挖過程中不僅要保障基坑的穩(wěn)定和安全，而且還要控制好基坑附近地層的水平移動(dòng)和沉降進(jìn)而不破壞基坑附近的環(huán)境，尤其是處在城市的深基坑工程，基坑的施工空間比較小，附近的建筑物比較密集，控制好附近地層的位移顯得十分重要。在地質(zhì)條件比較好的地區(qū)，因?yàn)榛娱_挖所帶來較小的周圍地層的變形，適當(dāng)?shù)目刂撇粫?huì)影響基坑周圍的環(huán)境，但是基坑位于軟土地區(qū)，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，地層軟弱，進(jìn)行基坑的開挖就會(huì)帶來較大的變形，嚴(yán)重的破壞變形會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失和危及人們生命安全。所以，我們要加強(qiáng)重視基坑變形的重要性意識(shí)。

3、深基坑開挖支護(hù)變形原因

3.1 圍護(hù)樁水平位移

不同開挖深度工況下的樁體水平位移變形如圖1 所示。由圖1可得，在開挖過程中，圍護(hù)樁的變形發(fā)展形態(tài)是不同的，第 1 步開挖后樁體變形基本呈倒三角形，變形近似為一條直線; 隨著開挖的不斷進(jìn)行，圍護(hù)樁的變形不斷增大，樁體水平位移最大值位置逐漸下移，直至開挖完成后趨于穩(wěn)定，最后呈兩頭小中間大的“胖肚”形。

圖1 圍護(hù)樁水平位移計(jì)算值

根據(jù)對(duì)圍護(hù)樁水平位移的跟蹤監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以知道圍護(hù)樁樁底變形有所差異，樁底水平位移計(jì)算值基本未發(fā)生移動(dòng)，而現(xiàn)場監(jiān)測(cè)的樁底水平位移發(fā)生了約 微小移動(dòng)，原因可能是監(jiān)測(cè)中的誤差，或是實(shí)際施工過程的非正常施工因素引起的。

3.2 基底隆起

隨著基坑開挖深度的增加，存在很大的基坑邊界的內(nèi)、外地面的高度差；當(dāng)開挖進(jìn)行到最后時(shí)，在基坑開挖面以下的一定距離的圍護(hù)樁向坑內(nèi)移動(dòng)，擠壓基底下的土體，導(dǎo)致基底的隆起。

3.3 基坑周圍地表沉降的影響范圍

隨著開挖深度的不斷增加，地表沉降也逐漸增大，最終形成近似于拋物線形的沉降槽。某城市基坑工程，場地周邊均為菜地和水塘，最近的居民樓在基坑深度 3 倍距離以外，對(duì)施工的干擾較小; 標(biāo)準(zhǔn)段場區(qū)內(nèi)市政管線相對(duì)較多，均分布在既有道路兩側(cè)。其沉降槽的范圍約為 2h( h 為基坑開挖深度)；地表沉降最大值不是發(fā)生在基坑邊沿，而是發(fā)生在距基坑邊約( 1/3 ～1/2) h 的位置;實(shí)際監(jiān)測(cè)地表沉降最大值為 －12. 4mm，大于數(shù)值計(jì)算 值 － 6. 2mm，但 該 值 在地 表 沉 降 控 制 值( ±30mm) 的范圍之內(nèi)，造成此結(jié)果的原因是多方面的，基坑實(shí)際施工過程遠(yuǎn)比數(shù)值計(jì)算復(fù)雜得多，地面附加荷載、超挖、未及時(shí)施做支護(hù)結(jié)構(gòu)等均可引起地表過大變形。因此，在數(shù)值計(jì)算中建立符合實(shí)際工況的開挖模型是非常關(guān)鍵的，同時(shí)，在現(xiàn)場基坑施工中，嚴(yán)格遵循基坑開挖的原則也是不容忽視的。

3.4 坑外土體位移場

對(duì)基坑實(shí)測(cè)位移場的研究發(fā)現(xiàn)，地下墻后土體水平位移分布模式主要可以分為兩個(gè)區(qū)一個(gè)是塊體滑動(dòng)區(qū)，該區(qū)水平邊界距離地下墻大約為倍開挖深度，垂直邊界約為地表下一倍挖深，該區(qū)內(nèi)土體水平位移沿水平方向基本不變，呈現(xiàn)整體滑動(dòng)的特性另一個(gè)是線性遞減區(qū)，該區(qū)水平邊界距離地下墻大約是一倍挖深，垂直邊界約為倍挖深，該區(qū)內(nèi)土體水平位移沿水平方向線性遞減為零。另外，地下墻后土體垂直位移分布模式大致也可以分為兩個(gè)區(qū)一為整體沉降區(qū)，開挖面以上至地表范圍內(nèi)土體的沉降值沿深度近似相等，各深度處沉降曲線近似等于地表沉降曲線而為線性遞減區(qū)，開挖面以下至兩倍開挖深度處，土體沉降值隨深度增加，逐漸線性減小為零。有了地表沉降曲線，結(jié)合土體沉降變形沿深度方向的傳遞變化規(guī)律，就可以根據(jù)地表沉降值求出深層上體垂直位移值。

4、變形控制措施

4.1 加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)優(yōu)化

深基坑工程監(jiān)測(cè)是為了確保在基坑施工過程中基坑工程主體和周圍環(huán)境的安全，通過對(duì)基坑本身內(nèi)部有關(guān)結(jié)構(gòu)的位移、內(nèi)力以及基坑以外的環(huán)境保護(hù)對(duì)象變形參數(shù)的監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基坑開挖施工組織設(shè)計(jì)的正確性，并對(duì)基坑支護(hù)體系的穩(wěn)定性、可靠性和安全性進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，及時(shí)掌握在施工中支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形以及環(huán)境的變化情況。

為了更好的掌握變形規(guī)律，采取措施進(jìn)行控制，需要從多個(gè)方面進(jìn)行：

4.1.1 監(jiān)測(cè)頻率。基坑監(jiān)測(cè)應(yīng)貫穿于基坑工程的全部過程，從基坑開挖前的準(zhǔn)備工作到基坑工程土方回填完畢，甚至在有特殊要求的情況下需監(jiān)測(cè)至基坑變形穩(wěn)定或者趨于停止變形為止。在監(jiān)測(cè)過程中，基坑監(jiān)測(cè)的頻率并非是一成不變，而是基于工程概況，施工進(jìn)度、外部環(huán)境影響以及當(dāng)前監(jiān)測(cè)值的穩(wěn)定程度等影響方面，并結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)綜合考慮而進(jìn)行適時(shí)調(diào)整。

4.1.2 監(jiān)測(cè)報(bào)警值。監(jiān)測(cè)報(bào)警值是為確保基坑工程的安全性而設(shè)定的各項(xiàng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的預(yù)估最大值。合理設(shè)定的監(jiān)測(cè)報(bào)警值應(yīng)包括基坑工程各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的累計(jì)變化量和變化速率值兩個(gè)控制量，是調(diào)整施工步序和優(yōu)化工程原本設(shè)計(jì)方案的重要依據(jù)，更是工程施工安全的重要保障。

例如，武漢市軌道交通4號(hào)線二期工程從黃金口站至首義路站，線路全長16.857km，其中高架線3.2km，敞開段0.15km，地下線13.507km，有地下車站11座，高架站2座，設(shè)黃金口停車場1處和王家灣主變電站1座。武漢市軌道交通四號(hào)線二期工程區(qū)間及車站土建施工第三標(biāo)段為：攔江路～鐘家村區(qū)間、漢陽火車站站及鐘家村～漢陽火車站區(qū)間。對(duì)于該工程進(jìn)行基坑開挖變形控制主要從以下方面開展：(1)隧道軸線上方地表沉降監(jiān)測(cè)。(2)建(構(gòu))筑物沉降監(jiān)測(cè)(3)管線沉降監(jiān)測(cè)。(4)隧道拱頂沉降和隧底位移(5)隧道凈空收斂。對(duì)此主要進(jìn)行了建(構(gòu))筑物沉降變形控制。1)監(jiān)測(cè)頻率。監(jiān)測(cè)工作必須隨施工需要實(shí)行跟蹤服務(wù)，為確保施工安全，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)立足于隨時(shí)可獲得全面信息，監(jiān)測(cè)頻率必須根據(jù)施工需要跟蹤服務(wù)，實(shí)時(shí)反映推進(jìn)情況。2)監(jiān)測(cè)報(bào)警。根據(jù)施工圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，及本區(qū)間段的實(shí)際施工環(huán)境，我們確定如下變形控制標(biāo)準(zhǔn)(特殊地下管線及建筑物以產(chǎn)權(quán)單位要求執(zhí)行)：1)地表最大隆沉量范圍+10mm～-30mm，速率≤2mm/天。2)隧道拱頂沉降隧底位移頂部下沉20mm，速率≤2mm/天。底部隆起10mm，速率≤2mm/天。3)地下管線沉降量范圍有壓管線-10/+10mm，速率≤2mm/天。無壓管線-20/+20mm，速率≤2mm/天。建筑物沉降范圍+10mm～-30mm，速率≤2mm/天。隧道收斂20mm，速率≤2mm/天。從監(jiān)測(cè)信息以及具體應(yīng)用可以知道，在確保隧道及聯(lián)絡(luò)通道自身安全的前提下，最大限度地減小了施工對(duì)周邊的影響，收到了良好的效果。

4.2 加強(qiáng)變形控制

4.2.1 隨著圍護(hù)樁嵌固深度的增加，樁體水平位移和坑底隆起均有所減小，坑底隆起減小的幅度要大于樁體水平位移的幅度;當(dāng)嵌固深度增加到一定程度時(shí)，樁底逐漸不發(fā)生變形，若繼續(xù)增加樁長，對(duì)減小圍護(hù)樁變形作用不明顯，但對(duì)基坑抗隆起是有利的。

4.2.2 支撐位置改變前后最大水平位移值有所增加，且發(fā)生位置也略有上移。由此說明，圍護(hù)樁的變形對(duì)支撐位置的改變是比較敏感的，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，支撐位置的設(shè)置，除了考慮施工空間外，還應(yīng)當(dāng)考慮對(duì)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形的影響。

4.2.3 增大土體抗剪強(qiáng)度對(duì)于約束支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形有著非常好的效果，因?yàn)榭辜魪?qiáng)度的增大使得土體穩(wěn)定性提高了，但是當(dāng)抗剪強(qiáng)度增加到一定程度以后，對(duì)基坑維護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制的效果就沒有那么顯著了。

4.2.4 增加樁體嵌入深度能夠有效控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形，但是增加到一定程度時(shí)，效果非常有限，而且會(huì)增加成本，還有可能出現(xiàn)應(yīng)力集中等各種問題，故而在決定樁體嵌入深度時(shí)要謹(jǐn)慎，綜合考慮各方面因素。

總之，在復(fù)雜條件下的深基坑，基坑變形與控制往往是深基坑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因此進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)其的研究非常有必要。

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