考慮時空效應軟土地區深基坑開挖變形分析

陳 濤 宋 靜 翟 超

（1.天津市勘察院，天津 300191；2.昆山市財政局，江蘇昆山 215300）

0 引言

隨著城市建設的快速發展，基坑工程日漸增多，且規模越來越大，在深度、面積上不斷有新的增長，伴隨著基坑體積的增大，其周邊環境也日益復雜[1-2]，這就要求在基坑施工過程中，需要密切關注基坑的變形情況[3]，將基坑施工的安全狀況擺在首要位置。通過基坑變形的現場監測數據，及時對圍護結構及周邊環境的變形狀況進行了解并對其變形規律進行研究[4-5]，可以有效地指導現場施工。目前，許多學者針對基坑施工過程中圍護結構以及周邊環境的變形進行了相關研究。李鏡培等[6]以上海五坊園基坑工程為例，對基坑開挖過程中所具有的空間效應進行研究，分析了基坑圍護結構、支撐軸力等的變化規律。歸浩杰[7]通過現場監測數據，對基坑圍護墻體變形、周邊地表沉降等進行了歸納總結。章 新等[8]以南京某基坑工程為例，采用數值模擬方法對基坑圍護結構變形進行計算，并與現場監測數據進行對比，總結了開口環形基坑圍護結構變形的規律。周冠南[9]依托寧波地鐵1號線東門口站深基坑工程，結合現場監測數據，對逆作開挖基坑的時空效應進行研究。

本文以天津軟土地區某深基坑工程為背景，對其開挖施工過程中支護樁深層水平位移、支護樁頂部豎向位移、周邊建筑豎向位移以及周邊地表豎向位移的現場監測數據進行統計分析，總結其變形規律，并結合數據分析基坑不同位置監測點所受到的時空效應的影響，為類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

天津市區某深基坑工程，總用地面積約108775 m2，總建筑面積約309000 m2，基坑開挖面積約95285 m2，周長約1232 m。項目整體分為住宅部分和商業部分，均為地下二層，基坑最大開挖深度約11.7 m，采用明挖順做法施工。基坑東側為現有道路，南側鄰近海河，西側緊鄰居民區，北側為現狀空地。由于西側緊鄰居民小區建筑群，基坑開挖施工過程中，需要對鄰近建筑的沉降進行重點監測。基坑平面分區見圖1，場地內土層參數見表1。

表1 土層參數表

2 施工方案及監測點布設

基坑整體施工順序為由南向北依次進行開挖，采用鉆孔灌注樁與局部放坡相結合的支護方式，在基坑東南角和西南角分別設置一道鋼筋混凝土角撐，支撐中心標高為-3.400 m，基坑土方共分三步進行開挖，各步土方分別開挖至-3.8 m、-8.3 m、-12.5 m，基坑平面圖見圖1（含監測點布設），基坑支護剖面圖見圖2。根據現場施工進度，將基坑施工分為五種工況，具體工況說明見表2。在基坑開挖施工過程中，圍護結構及周邊環境的位移能夠直接反應出基坑的安全穩定狀況，文中選取支護樁深層水平位移、支護樁頂部豎向位移、周邊建筑豎向位移以及周邊地表豎向位移的現場監測數據進行分析，根據《建筑基坑工程監測技術規范》（GB 50497—2009）[10]，各監測項目所使用儀器及監測報警值見表3。

圖1 基坑平面及監測點布置圖

圖2 基坑支護剖面圖（單位：mm）

表2 施工工況

表3 監測項目一覽表

3 監測結果分析

根據基坑現場實際情況，基坑南側鄰近海河，西側緊鄰既有居民區建筑，因而重點對基坑南側和西側監測點的位移變化情況進行分析研究，其中，支護樁深層水平位移，正值表示向基坑內側，負值表示向基坑外側；支護樁頂部、周邊建筑、周邊地表豎向位移，正值表示上升，負值表示下降。

3.1 支護樁深層水平位移

選取基坑具有代表性的監測點CX9、CX11、CX14的監測數據進行分析，具體結果見圖3。

由圖3可以看出，隨著基坑開挖施工的進行，支護樁深層水平位移逐漸增大，方向為向基坑內側，最大水平位移點逐漸下移，基本出現在開挖面附近，整體呈中間大、兩端小的“鼓肚”狀變化。

CX9位于基坑南側中點，由于基坑施工采用由南向北的土方開挖順序，因而南側支護樁的變形所受到的時間、空間效應影響最明顯，其水平位移也最大，工況1—工況5下水平位移最大值分別為15.24 mm、27.51 mm、43.11 mm、54.82 mm、57.73 mm，在工況3時，水平位移已接近報警值，工況4、5時，水平位移最大值已超過報警值。至工況5地下主體結構施工完成時，最大水平位移值與基坑開挖深度的相對比值約為0.49%。CX14位于基坑西側基坑最長邊的中點，與南側相比，其長度較長，空間效應明顯，但受開挖順序的影響，其時間效應較CX9弱，從現場監測數據來看，其時空效應的綜合影響比CX9弱，至地下結構施工完成時，其最大水平位移為36.51 mm，未超過報警值，與開挖深度相對比值約為0.31%。CX11位于基坑西南角，各工況下，其水平位移值均較小，空間拱角效應明顯，至地下結構施工完成時，其水平位移最大值為29.04 mm，未超過報警值，與基坑開挖深度相對比值約為0.25%。

圖3 支護樁深層水平位移曲線

由圖3還可以看出，工況3時支護樁水平位移增量較大，主要是因為基坑第三方土方開挖時，其深度較深，并且施工工期較長，因而水平位移增量也較大。在基坑底板施工完成后，因底板對支護樁具有一定的約束作用，所以水平位移增量較小。

3.2 支護樁頂部豎向位移

選取基坑南側和西側典型支護樁頂部豎向位移監測點JC13、JC17、JC21、JC26、JC33的監測數據進行分析，結果見圖4。

圖4 支護樁頂部豎向位移曲線

由圖4可以看出，隨著土方開挖的進行，支護樁頂部豎向位移逐漸增大，至基坑底板施工完成后，位移增量變小，趨于穩定，開挖卸荷過程中，支護樁產生向上的回彈。基坑采用由南向北的開挖順序，各監測點具有明顯的時空效應。基坑南側中點JC17時間、空間效應最明顯，其回彈量也最大，至工況4、5時，其豎向位移最大值分別為23.3 mm、24.5 mm，已超出報警值。西側JC26監測點位于基坑最大邊長中點處，其空間效應較明顯，綜合而言，其空間效應較JC17弱，因而其豎向位移較JC17小，至工況5地下結構施工完畢時，支護樁豎向位移為19.2 mm，已接近報警值。JC13、JC21分別位于基坑東南角和西南角，其所受到的空間拱角效應較明顯，因而豎向位移值也較小。JC33位于基坑西北角，由于基坑由南向北開挖，同時受拱角效應影響，其所受時空效應影響最弱，豎向位移也最小，至工況5地下結構施工完畢時，其豎向位移最大值為10.7 mm，未超過報警值。

3.3 周邊建筑豎向位移

選取具有代表性的建筑1#、5#及12#樓豎向位移監測數據進行分析，結果見圖5。

由圖5基坑周邊1#和5#樓豎向位移現場監測數據可以看出，1#樓位于基坑西南角，受拱角效應影響，其受到的空間效應影響較弱，豎向位移值較小，根據布點圖所示布點位置，監測點似對稱性，因而圖5所示豎向位移值也具有大概的對稱性，與基坑距離最近的C1--3、C1--4的位移值最大，工況5時，分別為-20.6 mm、-19.8 mm，距離基坑最遠的C1--1、C1--6位移值最小，工況5時，分別為-12.5 mm、-11.6 mm，均未超過報警值。5#樓位置對應于基坑西側中點處，其受到的空間效應影響比1#樓大，其豎向位移值也較大，與1#樓類似，距離基坑最近的C5--5、C5--6位置值最大，工況5時，分別為-26.4 mm、-25.9 mm，距離基坑最遠的C5--1、C5--10的位移值最小，工況5時，分別為-15.4 mm、-14.8 mm，均未超過報警值。12#樓位于基坑北側，受土方開挖順序影響，各層土方開挖時，北側均為最后開挖，其受到的時空效應影響最小，位移也最小，至基坑底板施工完成時，其位移最大值為-11.5 mm，未超過報警值。

圖5 周邊建筑豎向位移曲線

3.4 周邊地表豎向位移

選取西側典型斷面DB1、DB2及DB6監測點的監測數據進行統計分析，其中，每個斷面共5個監測點，第1～5個監測點距離基坑邊距離分別為1 m、2 m、3 m、5 m和7 m，結果見圖6。

周邊地表DB1、DB2斷面監測點的位置分別與1#樓和5#樓鄰近，根據圖6所示監測數據可以看出，在基坑施工過程中，均呈現出下降的趨勢，且隨著基坑施工的進行，位移值逐漸增大，至基坑底板施工完成后，位移值趨于穩定。受空間位置及開挖順序的影響，DB1時空效應的影響整體小于DB2，至基坑底板施工完成時，DB1斷面中，豎向位移最大值出現在DB1--3監測點，即距離基坑邊6 m處，約為0.51H（H為基坑開挖深度，本工程H=11.7 m），至地下結構施工完畢時，其豎向位移值為-18.3 mm，約為0.16H%；DB2斷面中，豎向位移最大值出現在DB2--3監測點，也是距離基坑邊6 m處，至地下結構施工完畢時，其豎向位移值為-22.7 mm，約為0.19H%。DB6位于基坑北側，基坑土方開挖順序為由南向北，北側最后開挖，DB6監測點所受到的時空效應的影響最小，故位移也最小，位移最大值出現在距離基坑邊6 m處，至工況5時，DB6--3最大位移值為-11.2 mm，約為0.10H%。

4 支護結構優化措施

根據支護樁深層水平位移現場監測數據，CX9最大水平位移值已超過報警值，分析認為與基坑支護形式有密切關系，基坑東南角、西南角的局部角撐結合灌注樁的支護方式在設計上有所不足，未充分考慮基坑開挖方式、土體暴露時間等因素的影響，且當樁體水平位移較大時，未采取適當措施抑制此位移的繼續發展，因此需對原設計支護結構進行優化，考慮到基坑開挖時間長，施工面積大，且開挖順序為由南向北，其西側緊鄰居民建筑群，結合現場工程地質情況，建議在基坑南側和西側采用樁錨支護結構，此種支護形式可以在一定程度上起到基坑內支撐的作用，同時給予樁體錨拉力以減小支護樁體的位移。

5 結論

本文以天津某深基坑工程為背景，對基坑開挖過程中支護樁深層水平位移、支護樁頂部豎向位移、周邊建筑豎向位移以及周邊地表豎向位移的變化情況進行總結，對其所受時空效應的影響進行分析，主要得出以下結論：

1）基坑開挖對支護樁位移、周邊環境位移受空間效應影響顯著，基坑邊長中點的位移較大，角點的位移由于具有明顯的空間拱角效應，位移較小。

2）基坑施工過程中，支護樁以及周邊環境位移具有明顯的時間效應，基坑開挖順序為由南向北，南側土體最先開挖，因而南側支護樁及周邊環境的位移較大，北側較小，施工過程中，因注意較大變形部位位移的變化情況。

（3）周邊地表豎向位移隨著基坑開挖深度的增加而逐漸增大，時空效應明顯，各斷面監測點位移變化曲線基本呈盆狀，最大值出現在距離基坑邊6 m處，約為0.51H，地下結構施工完成時，DB1、DB2、DB6位移最大值分別為0.16H%、0.19H%、0.10H%。

（4）CX9監測點位于基坑南側中點，且南側最先開挖，在工況3時，最大水平位移已接近報警值，工況4、5時，已超過報警值，這與基坑的支護形式、開挖順序以及開挖后土體的暴露時間有直接關系，提出對原設計支護結構進行優化，建議在基坑南側和西側采用樁錨支護結構以減小樁體水平位移，為類似工程設計方案的優化提供參考。