復雜敏感環境下的深大基坑設計與實踐

姜寶臣， 李現森

(中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津 300133)

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復雜敏感環境下的深大基坑設計與實踐

姜寶臣， 李現森

(中鐵隧道勘測設計院有限公司， 天津 300133)

復雜敏感環境下的深大基坑開挖通常存在較大的風險，合理選擇基坑設計方案是保證基坑安全的前提。以具有地質條件復雜、周邊環境敏感和基坑深大特點的2個基坑為例，綜合考慮地質、水文、周邊環境、基坑形狀和施工便利性等諸多因素，經過多組分析計算，采取具有針對性的基坑圍護結構形式、支撐布置形式、地下水處理措施和地鐵自動化監測措施等，實現了基坑安全和周邊環境的安全，并對基坑和周邊環境監測結果進行了分析總結。結果表明，對復雜敏感環境下的深大基坑設計時，要對周邊環境有充足的認識，并進行詳細的計算，對有偏差的計算結果進行重點分析，對重要的風險源及時采取針對性的處理措施。

復雜敏感環境； 深大基坑； 地鐵保護； 基坑設計； Midas有限元計算； 自動化監測

0 引言

目前，城市基坑工程正在向著深、大方向發展，不規則形狀基坑越來越多，周邊環境也越來越復雜，基坑設計的時空特性、應對敏感建(構)筑物的復雜性成為基坑工程施工需要面對的難題。復雜敏感環境下的深大基坑設計重點是滿足基坑自身安全、控制周邊建筑物變形和方便施工組織等。然而，無論是深基坑工程本身的設計還是對周圍環境的影響分析，實踐中都還存在著一定的不足，普通工程勘察所提供的巖土參數資料無法滿足復雜計算的要求，三維模擬計算無法完全模擬復雜的施工工況，對地下水、巖土介質與結構物之間的接觸界面都較難模擬，簡化計算存在著精度不足的問題，實際施工工況也往往與先期設計工況有偏差。基坑工程設計需進行深入、全面的設計驗算，同時需要了解計算存在的不足，結合相應的工程措施予以彌補，最終保證工程的安全。

針對復雜基坑的設計計算，前人做過較多的研究。文獻[1-2]采用三維有限元計算的方法分析了復雜條件下的基坑設計； 黃沛等[3]對采用分區開挖減小相鄰地鐵結構變形的方法進行了分析； 馮龍飛等[4]以廣州地鐵側方的典型深基坑工程為例，介紹了內撐式和雙排樁2種常用支護體系的特點及其工程應用情況，并通過地鐵位移監測、基坑變形監測分析，探討了基于地鐵保護的深基坑支護設計及變形控制； 劉煥存等[5]采用三維模擬軟件對北京地鐵深基坑設計進行了分析； 文獻[6-8]則通過簡化、離散、拼接等方式對復雜基坑支護體系進行了分析； 王建中等[9]針對不規則基坑的支撐布置方式進行了論述，對環形支撐的特點進行了歸納，并結合基坑應用實例進行了分析。理論計算是工程設計的依據，但施工中的因素遠比設計因素復雜，實測數據與計算數據往往存在偏差。地下水是基坑工程安全事故的主要風險源，周紅波等[10]通過大量統計得出，約有62%的基坑事故與地下水滲流有關，本文在該依托工程設計中將地下水處理作為工程重難點予以重視。

佛山桂城越秀星匯云錦項目基坑緊鄰地鐵及其他

構筑物，地質條件復雜，基坑尺寸較大，地鐵對變形的控制要求嚴格，在計算分析的基礎上，采用地下水控制、基坑與地鐵結構間夾土加固等工程措施，結合嚴密的監控措施，最終保證了工程和相鄰地鐵及構筑物的安全。

1 工程概況

1.1 周邊環境

項目位于佛山市南海大道與南桂東路交叉口的西南和東南象限，共分為A、B、C區3個部分，其中A區位于南海大道西側，B區位于南海大道東側，C區為跨越南海大道的多條頂管通道組成的地下空間。南海大道兩側設置了明挖的頂管始發井和接收井，分別與A、B區地下室緊鄰，C區在A、B區基坑施工之前完成， A、B區基坑與C區工作井共用0.8 m厚的地下連續墻。A、B區基坑北側緊鄰正在運營的地鐵廣佛線桂城站，最小距離僅約3 m，2個基坑埋深19.4 m，地鐵底板埋深16.6 m； B區基坑西北側緊貼1條4 m×2.5 m的混凝土排水渠箱，渠箱常處于滿水狀態。A區西側和南側、B區東側和南側分布有密集的建筑物，距離A、B區基坑的最小距離約17 m，A、B區基坑總平面見圖1，1-1斷面和2-2斷面的剖面見圖2。

圖1 A、B區基坑總平面布置圖(單位： m)

(a) 1-1斷面

(b) 2-2斷面

1.2 地質條件

地層分布主要以填土層、淤泥、淤泥質土、粉細砂、粉砂、中砂、粉質黏土、粉土和中粗砂層為主，其中砂、淤泥質土層厚度達19～22 m，且多以透水性較好的富水砂層為主。地面以下12 m內的土層多以標準貫入度小于10擊的軟土為主，12 m至巖面之間的地層標準貫入度錘擊數也多在20擊以下。基巖為白堊系風化泥巖、砂巖，基底均位于中粗砂層。A區北側地質剖面如圖3所示，地層性質參數見表1。場地地下水位高、水量豐富，基坑漏水或抽水會帶走粉砂層的細小顆粒，造成地面下陷開裂，可能危及周圍建筑物。

2 設計驗算及措施

2.1 設計方案

地層上部存在較厚的淤泥及粉細砂層，地下水位較高，附近地鐵施工時多次出現連續墻接縫漏水的情況，且周邊環境敏感，因此在滿足結構受力的前提下，需盡量提高支護的結構剛度和止水性，以控制變形和防止涌水。根據實際情況，圍護結構選用地下連續墻，連續墻厚度為1.0 m，墻底嵌入中微風化巖層的深度不小于1 m，支撐體系采用3道鋼筋混凝土支撐。連續墻采用工字鋼接頭，2期鋼筋籠端部內側設置預留鋼板，接縫處預留注漿管，接縫有涌水涌砂征兆時，可及時焊接預留鋼板與工字鋼，并實施接縫注漿，以快速止砂止水。

圖3 A區北側地質剖面圖(單位： mm)

層號巖土名稱狀態重度γ/(kN/m3)黏聚力c/kPa內摩擦角φ/(°)側壓力系數ξ垂直基床系數K/(MPa/m)滲透系數/(cm/s)<2>粉質黏土可塑18.928.712.40.43181.4×10-7～6.1×10-7<3>淤泥質土流塑17.14.93.60.7238.4×10-7～6.8×10-6<4>粉細砂松散18.728.40.461.5×10-5～2.0×10-3<9>粉質黏土可塑19.435.29.10.43181.2×10-7<10>淤泥質土流塑17.14.93.90.7238.2×10-7～1.0×10-6<11>粉質黏土、粉土可塑20.326.110.30.43185.2×10-7～7.7×10-6<12>粉砂稍密-中密20.228.20.4121.5×10-5～9.2×10-4<13>中粗砂中密-密實19.635.40.35153.6×10-4～6.6×10-1<14>殘積土可塑20.028.512.40.4301.3×10-7～7.8×10-6<15>強風化巖半巖半土狀19.840.418.4<16>中風化巖103.542.3

A區基坑整體呈100 m×130 m的矩形，較規則，采用了4個角部斜撐+中部對撐的布置形式，A區基坑支撐布置見圖4(a)。基坑埋深約為19.4 m，設置3道混凝土支撐。支撐布置形式受力體系清晰明確，局部穩定性較好，局部提前拆撐基本不影響其他區域的受力，整體剛度較大，對控制變形較為有利。

B區基坑西北角接近弧形，且緊鄰排水渠箱，無法設置斜撐。若布置對撐，則需要的對撐長度過大，支撐剛度小，且對施工空間影響較大，不利于施工組織，故采用環形布撐方式。基坑深度約為19.4 m，設置3道混凝土支撐，B區基坑支撐布置如圖4(b)所示。

2.2 設計驗算

2.2.1 基坑自身安全驗算

A區基坑采用斜撐+對撐的布置形式，采用理正深基坑軟件對A區基坑進行簡化單元計算和整體計算，由簡化單元計算的基坑最大變形時的內力包絡圖和整體計算結果如圖5。整體計算中，最大位移為31.34 mm，在基坑的東南角位置，此處有板撐，軟件無法模擬，故忽略此處變形，基坑其他位置的最大位移為23.11 mm，位于基坑的南側； 單元計算中，最大位移為29.48 mm，相對整體計算偏大，原因主要是理正軟件整體計算采用的是全量法，而單元計算采用的是增量法。整體計算結果顯示，基坑軸力最大值發生在第3道支撐的最短斜撐位置，最大值為15 040 kN。

對A區基坑的計算結果采用Midas GTS有限元軟件荷載結構法進行了三維計算復核。基坑內部和外部土體分別采用僅受壓面彈簧模擬，根據開挖工況逐步增加外部壓力，并鈍化內部彈簧，架設內支撐，以實現增量法的計算過程。經計算，最大水平位移為22 mm，與理正整體計算結果較為接近，基坑整體變形形態也較為相似，A區基坑Midas有限元計算模型及最大位移云圖見圖6。

(a) A區基坑

(b) B區基坑

Fig. 4 Plan of support of section A and section B foundation pit (mm)

A區基坑3種計算方法的主要結果對比見表2。從表中可以看出，3種計算方法的結果存在一定的偏差，但不顯著。單元計算的最大支撐軸力偏小、位移偏大，原因可能是支撐的支錨剛度計算偏小； 理正和Midas整體計算結果的偏差不大，產生差異的原因主要是荷載計算和被動區彈簧剛度取值不完全相同，另外最大位移位置雖不同，但2個模型在基坑西側和南側的變形都較大，變形形態也相似。3種方法相互驗證，說明計算方法基本合理，結果基本可信。

B區基坑采用環形支撐布置形式，較難采用簡化單元的計算方法進行基坑計算。文獻[8]對空間支撐的計算做了論述，通過將支撐體系與圍護結構分離，在支撐體系周圍施加單位均布線荷載求得體系四周的位移，然后反算各個位置處的支錨剛度。根據此方法計算的支撐剛度較小，計算位移過大，無法滿足基坑設計要求。分析文獻[8]中離散支撐體系計算的基坑變形遠大于整體模型的原因是離散后的支撐體系模型僅考慮了外側土體作為荷載的不利因素，而未考慮地下連續墻及外側土體對變形的控制作用，以及空間環形支撐受力不均勻出現了壓扁現象使部分位置反算出的支錨剛度過小。

(a) A區基坑最大內力包絡圖(簡化單元計算法)

(b) A區基坑位移云圖(整體計算法)

(c) A區基坑支撐軸力(整體計算法)

Fig. 5 Simulation results of section A foundation pit calculated by element method and integrity method

(a) 計算模型

(b) 最大位移云圖

Fig. 6 Midas finite element calculation model and nephogram of maximum displacement of section A foundation pit

表2 A區基坑不同計算方法的結果對比

Table 2 Comparison among three calculation methods in terms of calculation results

計算方法變形最大值/mm最大值位置內力最大值第3道支撐軸力/kN連續墻彎矩/(kN·m)理正單元計算29.48基坑下部120211682理正整體計算23.11 南側,2個斜撐段交界處150401744Midas整體計算22 西側,斜撐與對撐段交界處143461506

對于B區基坑驗算同樣采用Midas GTS有限元軟件荷載結構整體模型對基坑開挖進行模擬，計算模型見圖7(a)。模型中，將坑外土簡化為荷載，未開挖土體及坑外土體以僅受壓彈簧進行模擬，根據開挖工況分區分層逐步加載，以實現增量法的計算過程。經計算，基坑最大位移發生在拆除第1道支撐階段，最大水平位移發生在部分支撐點位置，約為39.5 mm，水平位移云圖見圖7(b)。支撐最大軸力發生在開挖至19.4 m深度工況時第3道支撐處，此時環形撐也承受了較大彎矩，支撐的軸力及彎矩分別見圖7(c)和7(d)。因此在實際設計時，對局部變形較大的位置和環形支撐彎矩較大的位置采用了板撐進行加強處理。

(a) 整體計算模型

(b) A區位移云圖(整體計算法)

(c) 開挖至19.4 m深度工況下第3道支撐的軸力圖

(d) 開挖至19.4 m深度工況下第3道支撐的彎矩圖

Fig. 7 Midas GTS calculation model and simulation results of section B foundation pit

2.2.2 基坑開挖對周圍環境的影響分析

針對地鐵保護要求較高的特點，基于2個基坑開挖對周邊地鐵結構的影響進行了三維有限元分析。經計算，A區基坑附近車站及區間的最大側向變形為 8.1 mm，位于在車站和區間交接位置； 遠離B區基坑的盾構區間的最大水平位移為6.8 mm，明挖區間最大水平位移為10.5 mm，出現在距離基坑最近的位置。基坑開挖對地鐵影響分析的計算模型及水平位移云圖見圖8。由計算結果可知，總體計算位移均小于城市軌道交通結構安全控制指標值20 mm[11]，理論上滿足地鐵保護要求，文獻[11]也得到了相似的結論。

(a) A、B區基坑整體計算模型

(b) 整體計算模型(地鐵結構部分)

(c) 水平位移云圖

Fig. 8 Calculation model of influence of foundation pit excavation on metro and nephogram of horizontal displacement

排水渠箱幾乎緊貼基坑，所以可以認為渠箱的變形等同于相鄰連續墻的水平變形，因此進行渠箱保護最重要的是控制相鄰連續墻的變形。在基坑施工前對渠箱進行了遷改，按要求設置了多處變形縫，并在底部布置了點陣式的旋噴樁，以更好抵御基坑施工引起的渠箱變形。

2.3 驗算過程中存在的問題

針對該工程復雜的地質條件、邊界條件，以上各類型的驗算尚存在一些不足，對這些不足在設計階段和施工階段要有充分的認識。

1) A區基坑布置采用斜撐和對撐結合的形式，空間受力也較為顯著，采用單元計算可以一定程度上模擬結構的受力和變形，但在對撐和斜撐相鄰區域容易出現偏差。

2) 荷載結構模型中外部荷載的計算存在水土合算和水土分算的爭議，尤其對于黏性土層，實際基坑監測情況往往與水土合算和水土分算的結果都有偏差。本工程主要采用水土分算進行計算。

3) 受限于邊界條件的復雜性和普遍的技術水平，在三維地層結構模型中，很難精確的模擬圍護結構與周邊地層之間的接觸、地下水的作用、周邊建筑及其基礎形式，常規的地勘參數也難以滿足復雜巖土本構模型的建模要求。所以三維地層結構模型的計算更多的作為定性分析，很難在定量上滿足mm級的精度要求。因此，本工程將地鐵保護的三維計算分析作為一種定性判斷的手段，由于無加固后的地層參數，地層加固體的作用也未在計算模型中考慮。

4) 設計驗算工況為理想工況，而實際施工的步驟、構件質量、時間因素、天氣條件、外部荷載條件等有一定的差異，因此設計驗算具有一定的局限性，工程設計應有一定的包容性。

2.4 周邊環境保護的其他措施

結合以上分析，本工程的設計在理論上基本可以滿足基坑自身和周邊環境的安全，但仍存在一定的不確定性，如地下水損失和連續墻成槽等，需要采取一些措施進一步規避風險。

1)隔離加固措施。基坑與地鐵結構距離較近，且比相鄰地鐵埋深大，基坑變形對相鄰地鐵的影響較大，因此在B區和A區靠近地鐵結構的北側分別設置了3排三軸攪拌樁(見圖4)，以起到隔離和止水的作用，攪拌樁先于地下連續墻施工以保證咬合。計算結果顯示，B區北側的明挖區間結構變形也較大，因此采用格柵狀攪拌樁對兩結構之間的土體進行了隔離加固。

2)接頭止水措施。連續墻接縫均采用3根旋噴樁，加強接縫處的止水。

3)地鐵結構自動化監測措施。連續墻和基坑施工期間對地鐵車站和區間結構進行自動化監測。

4)施工工序。A、B區基坑緊鄰地鐵，為避免2個基坑同時開挖造成變形效應疊加、地鐵結構位移超限，設計文件中要求2個基坑先后分期施工。另外，不得在基坑北側靠近地鐵處出土、堆放材料、停放大型機械，基坑開挖應遵循分層分區的原則，基坑北側作為最后的循環分區開挖。

3 施工過程及分析

3.1 施工過程

實際實施過程中，B區基坑先于A區基坑施工。施工中在B區基坑的西南角、西北角、基坑西側出現了局部涌水、涌砂，主要是連續墻接頭處刷槽不干凈所致，B區連續墻接縫涌水、涌砂臨時封堵現場見圖9。因此，在A區施工時特別注意了接頭的施工質量，施工中未發生連續墻接縫漏水的現象。其余施工均按設計工序正常完成。

在基坑漏水處理過程中，接頭預埋鋼板和注漿管的措施對漏水起到了一定的延緩作用，但對接縫處粉細砂的快速涌出其作用也較為有限，建議將重點放在連續墻的施工質量方面。

B區基坑西南側涌水時，地面出現了明顯的沉降、開裂，而B區基坑北側基坑涌水期間，地鐵結構變形及地表變形并未顯著增加，接縫滲水中含砂量也較西南側明顯偏少，說明在基坑失水的情況下基坑北側的加固體對地鐵結構的安全起到了保護作用。

圖9 B區連續墻接縫涌水、涌砂臨時封堵現場

Fig. 9 Temporary sealing site of water and sand gushing of diaphragm wall of section B foundation pit

3.2 基坑監測情況

3.2.1 A區基坑監測結果及分析

A區基坑墻頂水平位移和連續墻測斜的最大值均發生在基坑北側的中部，即靠近地鐵車站的位置。最大墻頂水平位移為19.36 mm； 測斜最大值為11.47 mm，發生在基坑開挖至坑底時刻墻頂位置，其他墻體測斜測點情況類似； 基坑最大支撐軸力發生在基坑西南角最短的斜撐上。監測結果分析如下：

1) 從監測結果來看，基坑位移和支撐軸力均小于理論計算值，且差異較大，說明理論計算與實際有一定的偏差。

2) 墻頂水平位移最大值比連續墻測斜最大值大，說明墻底可能發生了踢腳。

3) 基坑變形最大值位于兩段斜撐相交的基坑中部，與計算結果基本相同。連續墻豎向變形形態和理論分析不同，理論分析中最大變形出現在連續墻中下部第3道支撐附近，呈“鼓肚子”的形態，實測最大值發生在連續墻頂部，具體原因目前無法分析清楚。

3.2.2 B區基坑監測結果及分析

B區基坑墻頂水平位移和連續墻測斜的最大水平位移均發生在基坑西北側的弧形段、靠近地鐵車站的位置。最大墻頂位移為19.18 mm，向基坑內側變形； 測斜最大值為11.90 mm，發生在開挖至基坑底部時刻的墻頂位置，其他墻體測斜測點情況類似，最大變形都在10 mm以下，基坑最大支撐軸力位于基坑第3道環撐東北部，比理論計算值大，環撐上其他測點的最大軸力與理論計算值接近。監測結果分析如下：

1) 從監測結果來看，基坑位移普遍小于設計計算值，可能與測斜管深度不足有關。

2) 基坑變形最大值出現的位置與理論計算結果相同。但連續墻豎向變形形態和理論計算結果不同，理論計算中最大變形出現在連續墻中下部第3道支撐附近，呈“鼓肚子”的形態； 實測最大值發生在連續墻頂部，總體呈上大下小的特點。基坑下部變形小于理論計算值的原因可能與外部荷載及地層彈簧的剛度取值有關。

3) 支撐軸力基本與理論計算值接近，但局部最大值遠大于理論計算的最大值。在2013年8月18日之后的幾天內監測結果出現了突變，該段時間正在開挖最后一層土，屬于正常工況，且附近無特殊堆載，地下水無明顯變化，目前，突變原因不明。

3.3 地鐵監測情況

1) 距離B區基坑最近的地鐵出入口最大沉降為9.83 mm，理論計算為8.65 mm。

2) 車站結構最大沉降量為4.29 mm(理論計算為5.09 mm)，發生在遠離B區基坑的車站北側位置。

3) 區間隧道最大水平位移為3.8 mm，理論計算為8.14 mm； 最大沉降量為3.6 mm，理論計算為5.11 mm。

對地鐵車站的監測結果分析如下：

1) 地鐵結構實測變形較小，均在安全容許范圍之內。

2) 車站結構最大沉降發生在距基坑較遠處，車站結構發生了微小的傾斜，具體原因可能與該位置附近車站連續墻發生過涌水并采取了注漿處理有關，且此處砂層較厚、滲透系數高、失水影響范圍較遠。

3) 實測變形值與理論分析值較為接近。

4 結論及討論

1) 針對本工程復雜的地質條件和周邊環境，設計階段采用的連續墻+混凝土支撐方案是可行的。通過計算模擬，并輔以局部地層加固、強化監測措施等方法，基本保證了基坑及周邊環境的安全，說明分析和解決問題的方法是有效的。

2) 基坑計算的基礎理論較為成熟，但實際操作中存在非常復雜的影響因素，如地層參數不足、地下水計算偏差、施工工況與設計工況不一致等都會影響基坑計算的準確性，工程設計中需要綜合考慮這些因素的影響，不能僅僅依賴計算結果，針對工程重難點應采取針對性的措施。

3) 地下水是基坑工程施工中重要的風險源，雖然采取了多項止水措施，但實施過程中仍出現了連續墻接縫涌水、涌砂問題，值得我們進一步分析總結。

4) 監測是工程施工過程中的“眼睛”，有效的監測是信息化施工的前提，是有效控制風險的保障。在本工程復雜敏感的環境下，自動化監測手段在實施過程中起到了較為重要的作用，為實時掌握地鐵結構變形情況、指導施工提供了依據，尤其是基坑出現涌水的情況下，對判斷地鐵結構的安全與否起到了關鍵作用。但也有部分數據(如連續墻變形形態)與理論計算及常規基坑監測數據有偏差，需要進一步分析。

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Design and Practice of Deep and Large-scale Foundation Pit in Complex and Sensitive Environment

JIANG Baochen, LI Xiansen

(ChinaRailwayTunnelSurvey&DesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300133,China)

Many risks would be encountered during excavation of deep and large-scale foundation pit in complex and sensitive environment, consequently, rational design scheme is very important. In view of 2 deep and large-scale foundation pits in complex and sensitive environment, a series of technologies, i.e., retaining structure mode, support arrangement mode, groundwater treatment and automatized metro monitoring, are taken to guarantee the safety of foundation pit and surrounding environment with consideration of geology, hydrology, surrounding environment, shape of foundation pit and convenience. The monitoring results of foundation pit and surrounding environment are analyzed, and the analytical results show that the surrounding environment of deep and large-scale foundation pit in complex and sensitive environment should be well recognized, detailed calculation should be carried out, the calculation deviation should be calculated with emphasis, and corresponding countermeasures should be adopted for important risk source timely.

complex and sensitive environment; deep and large-scale foundation pit; metro protection; foundation pit design; Midas finite element calculation; automatized monitoring

2017-02-13;

2017-05-08

姜寶臣(1978—)，男，黑龍江哈爾濱人，2001年畢業于蘭州鐵道學院，交通土建專業，本科，高級工程師，現主要從事地鐵及市政公路隧道設計工作。E-mail: 56594090@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.05.012

U 452.2

B

1672-741X(2017)05-0600-09