深基坑變形實測數據三維圖表分析*

李裘鵬 桂 林 馬 健 楊 鷺 江建洪

(1. 蘇州大學軌道交通學院，215131,蘇州；2. 蘇州市軌道交通集團有限公司,215004,蘇州;3. 上海巖土工程勘察設計研究院有限公司，200032,上海//第一作者，碩士研究生)

深基坑工程往往處于建筑物密集區，與周邊環境相互作用復雜，因此基坑設計已逐漸從強度控制理論發展到變形控制理論[1]。基坑工程變形主要包括圍護結構變形、坑底土體隆起和周邊地表沉降3個方面，且這三者之間存在一定的耦合關系[2]。文獻[3]較早地總結了基坑變形的特點，但主要針對早期采用柔性支護結構的基坑；文獻[4-6]對各地區基坑變形性狀進行了進一步總結，但都限于二維圖表分析;文獻[7]對上海某深基坑周邊地表變形性狀進行了實測統計分析；文獻[8-9]分析了上海某逆作法開挖和某順作法開挖的地鐵深基坑變形性狀;文獻[10]分析了采用順逆結合法施工的杭州錢江隧道某深基坑工程的實測變形性狀；文獻[11]對蘇州地鐵1號線車站深基坑圍護結構的實測變形性狀進行了分析；文獻[12]收集了蘇州市11個采用鉆孔灌注樁圍護結構的方形基坑，以及至少23個采用地下連續墻圍護結構的長條形地鐵基坑的實測數據，全面地對比分析了蘇州市采用不同擋土結構、不同形狀的大尺度深基坑的變形性狀。以上成果大多結合經典理論，對圍護結構側移、立柱隆起、周邊地表沉降和周邊建筑物沉降等進行了總結，但對各變形性狀相互關系的深入討論不多。結合經典理論的分析大多是基于二維的，不能很好地展示整個基坑的三維變形情況及未來發展趨勢。

本文以杭州市某34.5 m深、順逆結合施工的地鐵車站深基坑工程為例，提出一種簡明實用的基坑開挖實測變形三維分析圖表。該圖表能夠呈現某時刻的基坑圍護結構變形、坑底土體隆起和周邊地表沉降等內容，較為直觀明了。這樣一方面便于掌握整個基坑的當前變形情況；另一方面能夠對基坑變形的原因進行分析并對未來發展作出一定的預測，從而便于采取相應的預防措施來保障工程安全和減少損失。

1 工程概況及監測方案

1. 1 工程概況

工程位于杭州市城東新城，地鐵車站為地下4層島式車站，采用雙柱三跨鋼筋混凝土框架結構；主體基坑長149.0 m，標準段寬21.9 m、深33.0 m，端頭井段寬25.8 m、深34.5 m。該基坑當時是國內在建的最深地鐵基坑之一，采用順逆結合的開挖方法。圍護采用厚1 200 mm的地下連續墻，深度為58 m。關于支撐體系，第1道為鋼筋混凝土支撐，地下3層和4層頂板為逆作板，其他支撐為鋼支撐。地下3層頂板以下18.0～26.7 m的土層采用長度為8 700 mm的高壓旋噴樁抽條加固。

該基坑工程場地上部主要為錢塘江近代沖積沉積的粉、砂土，下部主要為海相沉積地層，約51～53 m以下為強風化-中風化凝灰巖。凝灰巖以上的土層，從地表向下依次為1-1雜填土、1-2素填土、3-2黏質粉土、3-3砂質粉土、3-6粉砂、4-3淤泥質黏土、6-1黏土、6-2粉質黏土、8-1黏土、8-2淤泥質黏土、10-2粉質黏土夾粉砂、12-4圓礫和14-2圓礫。該場地淺部及中部地下水類型主要為第四紀松散巖類孔隙水和孔隙承壓水，深部為不發育的基巖裂隙水。淺部潛水靜止水位埋深一般為2.0 m左右，流速較小；承壓水主要為深部12-4圓礫層及14-2圓礫層中賦存的承壓水。

1. 2 監測方案

為全面掌握施工過程中基坑自身變形及對周邊環境的影響，對本工程的基坑從以下幾個方面進行了動態監測,包括地下連續墻的側移、墻后地表沉降、立柱隆起、地下水位、支撐軸力、周邊建筑物沉降、周邊隧道和公共管線沉降等。本文重點討論前3項，這三項的監測點布置如圖1所示。

圖1 地下連續墻側移、周邊地表沉降和立柱隆起的三維分析圖

2 深基坑變形實測數據三維圖表分析方法

2. 1 三維圖表構成

本文提出了地鐵車站基坑施工過程中某時刻的地下連續墻側移、周邊地表沉降和立柱隆起(作為坑底土體隆起的一種衡量)的三維分析圖。圖1是施工至2013年2月21日時該基坑的三維分析圖。當前施工工況表示在地下連續墻的各側移監測點附近，比如CX6處為“開挖到25 m”。圖1中，為了表示地下連續墻的側移，從監測點處引出一個箭頭來代表最大側移發生的大小和方向，并在箭頭附近標明最大側移的大小和發生的位置。例如，CX6測點處標注為74.2@25.5 m，表明在CX6測點處地下連續墻的最大側移為74.2 mm，且發生在地面以下25.5 m處。為了清楚地表示側移量的大小，采用了較大的比例尺，布置于基坑各個角落處。將各個測點處箭頭末端采用虛線連接起來，便得到整個基坑地下連續墻的側移情況，目前地下連續墻都不同程度地向坑內移動。此處由于CX10側斜管損壞而未得到側移的數值。對于四周坑角，由于剛度較大，一般認為側移為0，因此圖1中坑角處所繪制的側移僅為示意。為了表示立柱隆起，從各個立柱處向上引出一個箭頭，箭頭的長短代表隆起量的大小，并在箭頭末端標注了該數值。對于本工程縱向的立柱LZ4—LZ10，將各個箭頭末端用實線相連，得到立柱隆起沿縱向的分布情況。對于另外幾個零散的立柱(LZ1、LZ2、LZ11和LZ12)，僅在立柱旁邊標志了隆起量的大小。關于地面沉降的監測，共有12個斷面沿基坑分布，每個斷面有5個監測點，各個監測點之間的間距示意在斷面CJ3處。第1個監測點離開墻體的垂直距離為2 m，沿墻體向外各監測點之間的間距分別為3 m、5 m、20 m及20 m。每個斷面的沉降量繪制在該斷面基坑向外的右側，遵循的比例尺表示在測點CJ5-5附近。

圖1中并沒有直接表示坑底土體隆起，而采用立柱隆起作為坑底土體隆起的一種衡量。這是由于基坑工程中坑底土體隆起測點較難保護，而立柱隆起的監測相對較易實現。應該注意到，立柱由于承受支撐和立柱的自重荷載及其與結構的相互約束作用，其隆起量并不代表基坑土體自身的隆起量，通常小于同一位置處的土體隆起量，但是仍然可以作為土體隆起的一種衡量。如果實際工程中系統地監測了坑底土體隆起，那么可以用其代替圖1中的立柱隆起。

2. 2 基于三維圖形監測結果分析要點

地下連續墻側移繞基坑四周的分布，除了由于開挖產生應力釋放而導致普遍向坑內側移外，可以發現如下現象：①基坑短邊處CX1和CX9的側移比基坑長邊處的平均側移要小；②基坑長邊處的側移并非中間最大，該位移從一端到另一端的規律大致表現為端部很小，然后逐漸增大，在中間處稍小，再逐漸增大，至另一個端部很小；③CX6處的墻體側移相對較大。

對于現象①，因為短邊地下連續墻兩端角落處的約束較大，所以相對不容易向坑內側移。

對于現象②，似乎與常識相反，因為通常長邊中部應力釋放最大，所以側移應該最大。但這個常識是基于基坑同步開挖的情況。對于地鐵車站這種狹長基坑的，分部分塊開挖很重要。此工程中對于同一分層土體開挖的順序是先開挖圖1中右半部分，然后開挖左半部分，而中間部分留至最后開挖。這樣中間部分土體對圍護結構有較好的支撐作用，輔之鋼支撐的預應力作用，使得基坑長邊中間的墻體側移反而較小。這對于控制整個基坑的總體墻體側移和保障施工安全是非常有效的。在實際開挖過程中，開挖順序亦會根據墻體側移分布的變化情況而有所調整。

對于現象③，需要結合CX6處的施工工況和變形情況來進行分析。這可以通過上一階段的三維變形圖來考察。就目前情況而言，觀察到CX6處墻體側移較大，那么應該引起重視和警惕，可以在下一土層開挖時，將此處土體保留時間長一些，及時施加支撐，并加強鋼支撐的預應力等。根據三維變形圖來預見風險源并及時采用有效措施，是本文的主要目的之一。

立柱隆起縱向分布的大致規律為：中間隆起最大，逐漸向兩邊減小。這與豎向應力釋放的程度是一致的。對于端頭井兩端，圖1中左端的立柱LZ1和LZ2隆起較小，而右端的立柱LZ11和LZ12隆起較大，應引起重視。這一現象產生的原因之一是端頭井右端先開挖并持續了較長時間，同時與基坑周邊的地表沉降亦存在一定的關系。

關于基坑周邊地表沉降，大部分斷面的沉降分布為“凹槽形”，即地表最大沉降點不是發生在坑壁處，而是發生在離開基坑邊一定距離處，且地表沉降隨著遠離基坑而逐漸減少。因為本工程采用了地下連續墻加支撐的良好支撐體系，第1道鋼筋混凝土支撐具有較強的剛度，所以地下連續墻側移并非發生在墻的頂部而是在一定深度處；相應地，由土體向坑內移動導致的最大沉降點會離開墻體一定距離。距墻體的距離愈遠，受基坑開挖應力釋放的影響程度愈小，因此地表沉降亦愈小。但并非所有的斷面均呈現上述規律，如斷面CJ4、CJ6、CJ8和CJ11。這4個斷面向基坑外的遠端地表沉降仍然較大，這是因為上述斷面所處位置分別有二層臨時辦公樓、二層臨時宿舍、物資庫和出土行車道路。這4處的荷載比地面平均荷載大得多，從而產生了更大的附加應力，導致產生更大的地表沉降。

圖1中，基坑長邊處的墻后地表沉降(如斷面CX4、CX5和CX6處)較短邊處的地表沉降(如斷面CX1和CX9處)總體要大，這反映了基坑周邊地表沉降、地下連續墻側移及坑底隆起的相互關系。基坑開挖一方面導致水平向應力釋放、墻后土體向坑內移動、地下連續墻側移，以及墻后地表產生沉降；另一方面導致豎向應力釋放、坑底土體隆起、墻后土體在地下連續墻左右兩側壓力差作用下向坑內移動，以及墻后地表產生沉降。總體而言，應力釋放在基坑長邊處的效應更大，因此墻后地表沉降沿基坑長邊會更大。立柱LZ12的隆起較大，這可能與附近斷面CJ6總體較大的地表沉降有一定關系。需要指出的是，墻后地表沉降與地下水位變化有較大關系。本工程中地下連續墻插入基巖，由于基巖裂隙水不發育，因此對地下水位控制較好，地下水位對墻后地表沉降的影響不大。在一般工程中，應該表示墻后土體地下水位變化的圖表，然后對此進行綜合討論。

就目前基坑變形總體而言，地下連續墻側移、地表沉降和立柱隆起都處在可控范圍內。對于CX6、CX14等處的墻體側移應引起重視，這些位置墻體側移較大，且最大側移發生在當前開挖深度以下，表明了坑底以下很大一部分土體參與了抵抗墻體的側移。立柱LZ12的隆起偏大，亦應引起注意。以上監測項目對保證工程安全、減小對周邊環境的影響，以及制定后續的施工工程措施都具有較好的指導意義。當施工到下一階段時，可以繪制下一階段的三維變形圖，便于再次進行施工指導。

3 結語

本文以杭州某34.5 m深的地鐵基坑為例，首次提出了一種簡明實用的基坑開挖變形三維分析圖表，用其來總結分析某時刻基坑圍護結構變形、立柱隆起(作為坑底土體隆起的一種衡量)和周邊地表沉降等變形性狀，具有很強的優勢：

1) 該三維圖表的直觀性較強，便于整體把握整個基坑工程的變形性狀。

2) 該三維圖表不同于某方面變形孤立分析的二維圖表，它能夠反映圍護結構變形、坑底土體隆起和周邊地表沉降這三者的相互關系，同時可以通過相互印證來分析當前變形產生的原因。

3) 較易從該圖表中發現局部異常的變形，從而進行原因分析，以便于制定下一步施工的合理措施，從而來保障工程安全和減少不利影響。

當然對于一般基坑工程，還應輔之基坑外側土體地下水位的變化來考察地表沉降。結合各截面處的二維分析圖表，將會得到更為詳細的信息。目前基坑規模越來越大，傳統二維分析圖表缺乏全面性。該圖表的提出，為未來深大基坑開挖變形性狀的研究提供了一種新的整體分析方式。