異形基坑施工變形控制研究

□文/李東哲

隨著土地資源的消耗，大規模地下空間增多，造成許多地下工程緊鄰既有道路、地鐵、樓房等建（構）筑物，形成尺度、形狀及地質條件各異的深大基坑。基坑工程屬危險性較大的分部、分項工程，特別是深度大、面積大、形狀不規則的特殊基坑成為近年來的工程研究熱點[1～2]。工程實踐表明，不同尺度和形狀深基坑引起的地層變形性狀差異較大，給基坑設計、施工及影響控制帶來諸多困難[3]。目前，深基坑設計理念已由傳統的強度控制轉向變形控制，變形控制、監測及預測工作成為基坑施工的重要組成部分。

對于傳統圓形和方形基坑的開挖方法、支護方案及變形特性，已有大量的研究成果。文獻[4]通過對上海地區不同直徑的圓形基坑、不同開挖面積的方形基坑的監測數據對比分析，認為大尺寸的基坑將引發更大基坑圍護結構變形。文獻[5]通過對北京地鐵30 個明挖車站現場實測數據的統計分析，指出北京地鐵車站深基坑開挖引起的地表變形多表現為"凹槽形"。文獻[6]針對鄰近既有地鐵車站的基坑變形性狀進行了研究，指出由于車站結構剛度大，對基坑周圍上層位移傳遞具有一定的隔斷作用，因此靠近車站一側的地下連續墻最大側移量減小，另一側的地下連續墻最大側移量增加。

對于異形基坑工程的變形特性，也已有一些研究成果。Tan 等[7]研究了上海某順作法地鐵車站深基坑的變形性狀，發現長條形基坑的墻后土體沉降小于一般基坑；但由于長邊效應，長邊墻后地表沉降影響范圍卻比一般基坑大。文獻[8]以某地鐵車站異形斷面基坑工程為例，采用二維有限元法對其施工進行了模擬，重點分析了變形特性及圍護樁剛度、支撐形式、土層加固、土臺寬度對基坑圍護樁側向變形的影響。文獻[9]以上海某異形基坑為依托，對其變形特征進行數值模擬，結果表明不同位置處的圍護結構變形形態和規律有較大差異，基坑開挖引起的地表沉降在基坑的不同位置量值變化較大。由此看出，形狀因素對異形基坑變形的影響極為重要，會增大開挖和支護工程的難度。

隨著地鐵建設的快速發展，天津地區出現了大量鄰近既有地鐵車站的深大基坑工程。天津地質構造復雜，除北部基巖裸露外，其余地區均為第四系松散沉積層分布區，面臨著地表沉降、軟土地基和地基液化等問題，是典型的軟土地區之一[10]。文獻[11]以天津軟土地區地鐵5 號線和6 號線車站基坑工程為依托，對天津軟土地區基坑開挖過程中圍護結構和坑外地層的變形規律、變形模式、變形影響因素等問題進行了研究。文獻[12]收集了天津地區74項建筑基坑工程資料，對天津地區基坑支護設計影響較大的參數進行了分析，給出了天津地區建筑基坑支護結構設計整體方案的參考。對近年來興起的鄰近地鐵的深大基坑工程，目前研究成果還較少，尤其對于這類基坑工程的變形性狀，包括圍護結構側移、墻后地表沉降最大值，目前工程界仍缺乏較好的認識。

本文以天津某典型的深大、異形環繞地鐵的基坑為工程背景，針對其工程特征及所采用的圍護結構和支護方案，對開挖過程中基坑本體及支護結構的變形特征進行了現場監測，總結歸納了典型位置的一般變形規律及現場經驗，以期為天津地區類似基坑工程提供參考。

1 工程概況

圖1 基坑平面布置

基坑支護方案為地下連續墻+內支撐形式。地下連續墻厚800 mm，止水深度32 m，墻頂設置鋼筋混凝土冠梁；三道混凝土內支撐。此外，在裙樓局部電梯坑開挖較深處設置三軸水泥土攪拌樁，有效樁長為9.0 m。

2 工程地質條件

地層主要為第四系全新統人工填土層、新近組沉積層、第Ⅰ陸相層、第Ⅰ海相層、第Ⅱ陸相層、第Ⅲ陸相層、第Ⅱ海相層、第Ⅳ陸相層、第Ⅲ海相層、第Ⅴ陸相層、第Ⅳ海相層及第Ⅵ陸相層等。見圖2。

圖2 基坑工程地質剖面

3 開挖方案

根基坑開挖遵循“先撐后挖、分區、分層、分步、對稱開挖、島式、退挖”的原則。

基坑開挖平面分東西側兩個區，兩個區分層、對稱開挖，確保兩側挖土部位和深度一致。豎向分四層，首先挖除水平支撐處土方，進行水平支撐施工及養護；待支撐體系養護達到設計要求后，采用中心島退臺開挖方式進行下層土方開挖，挖至基底標高時預留30 cm，人工清槽。見圖3。

圖3 基坑開挖方案

4 變形監測方案

由于基坑工程的復雜性，現有理論不能同時考慮復雜地層、環境、地下水變化、支護剛度變化、支護時機等因素對變形的影響。現場實測變形數據是施工過程中各種影響因素綜合作用結果的集中體現；因此，對基坑工程實測數據進行統計分析，是為工程設計、施工提供指導的有效途徑。

監測分為人工監測與自動化監測兩部分。人工監測主要針對基坑典型部位變形，包括周邊地表沉降及裂縫，坑外水位，建筑物沉降、傾斜、裂縫，管線沉降；自動化監測主要針對既有地鐵車站與既有隧道的典型部位變形，包括車站主體沉降、水平位移、裂縫和既有軌道收斂、隆沉。其中，地表沉降監測初始值在地下連續墻施工前7 d采集。基坑監測點布置見圖4。

圖4 基坑工程監測點布置

5 結果分析

5.1 地表沉降變形

在基坑開挖的初始階段，由于開挖深度淺，地表變形相對較小，沉降基本為5 mm 以內；同時，在第一層環形支撐體系的作用下，地表沉降會逐漸趨于穩定。隨著開挖的進行，沉降速率增大，累計沉降迅速增大，但是隨著內部結構的施作完成，變形仍然會逐漸趨于穩定。之后，隨著開挖深度的逐次加大以及基坑土體排水固結等的作用，沉降變形持續累積。開挖結束后，地表沉降基本趨于穩定，保持在20 mm 范圍內。見圖5。

圖5 地下連續墻后部地表沉降特征曲線

需要注意的是，由于分層分段開挖造成坑底土體高低不平，而且平面形狀不規則；受此影響，會導致基坑處于非對稱的受力狀態，各位置變形表現出不同的變形量。例如，DBC-10位于基坑長邊的邊角部位，相對于其他位置，支護剛度較小，因此沉降值較大。

中醫藥調節腫瘤轉移前微環境雖然已有學者提出[29-30]，但關于轉移前微環境的形成、功能、動力學等問題迄今尚未明確，需要進一步研究。希望利用中藥多靶、微效、雙向調節等特點，通過對腫瘤功能基因網絡的影響，在腫瘤相關生物分子基因表達和組合上發揮整體調節作用。

同時可以看出，地表最終沉降值是小于開挖過程中最大沉降值的，但差值在5 mm 以內。原因在于，開挖之后的環形支撐結構施作需要一段時間，在這一支護真空階段，土體變形速率相對較大。環形支撐體系施作完成后，內部結構具有了較大的剛度，可以有效承擔作用于地表側移的土壓力，從而使地表變形減小并趨于收斂。

圖6 為基坑地下連續墻后部土體DBC-01 沉降監測斷面的變形特征曲線。

圖6 地表沉降模式特征曲線

由圖6可以看出，基坑周圍的地表變形模式為“凹槽形”，即最大沉降點距基坑邊尚有一定距離。原因在于，該基坑工程設置了良好的支護結構，基坑邊緣土體受到支護結構的約束作用較大，因此地表最大沉降點距離基坑邊緣有一定距離。隨著基坑開挖深度增加，沉降最大點向基坑方向靠近。同時，各測點沉降值隨開挖過程而持續累積增大，即地表受影響程度隨著開挖深度的增加而增大。

5.2 基坑側壁土體水平位移

根據基坑深孔水平位移實測數據，繪制典型深度-位移曲線，ZQT-01測斜孔的位移特征曲線見圖7。

圖7 測斜孔位移特征曲線

由圖7 可以看出，各深度處土體水平位移均隨著基坑開挖深度的增加而增大。測斜孔最大水平位移基本出現在基坑開挖至基底標高，即開挖結束時，最大累計水平位移最大值為17.00 mm。隨著基坑開挖結束，坑底結構和支護結構施作完成，位移變化速率相應減小并逐漸趨于穩定。

水平位移在垂直方向呈“凸”字形特征，具體表現為中部大、上部和底部較小甚至無變形。同時，在基坑開挖的初始階段，水平位移最大處靠近上部，隨著開挖深度的增加，凸出部位逐漸下移，但基本保持在10～17.5 m深度范圍內。

5.3 支護結構水平位移

通過支護結構表面水平位移可以及時了解支護結構在開挖過程中的變形，見圖8。

由圖8 可以看出，基坑支護結構表面的水平位移均指向坑內。地下連續墻頂部的水平位移呈增大-減小-增大-收斂至穩定狀態的規律，位移量值在20 mm范圍內。

基坑開挖初期，在開挖卸荷作用下，地下連續墻后部土體的土壓力迅速增大，導致地下連續墻側移，基本在10 mm 范圍內；之后，當環形支撐體系施作后，地下連續墻在其支護作用下變形有所恢復；隨著開挖的繼續進行，地下連續墻水平位移又出現顯著增大，但在環形支撐體系作用下，變形得到有效控制并逐步收斂至穩定。

圖8 地下連續墻頂部水平位移特征曲線

本基坑的特點是形狀復雜，支護結構布置不對稱；因此，地下連續墻各部位變形量也有所區別，基本上長邊中心附近的變形相對較大；而在支撐結構相對密集的地方，變形相對較小。總體而言，基坑變形在地下連續墻和環撐支撐結構作用下得到了有效控制。

5.4 軌道和鄰近構筑物變形

基坑周圍環境復雜，環繞地鐵車站且周圍地表存在大量建筑物；因此，保證其地鐵隧道及地表建筑物的附加變形在安全標準范圍內，不會影響建(構)筑物的安全性，是變形控制的一個重點。圖9和圖10分別為地鐵隧道內軌道結構和基坑附近加油站典型位置的垂直位移特征曲線。

圖9 軌道結構變形特征曲線

圖10 加油站變形特征曲線

由圖9 和圖10 可以看出，在基坑開挖的擾動下，鄰近建(構)筑物均出現了不同程度的變形。其中，由于地鐵隧道上部土體的開挖卸荷作用，軌道結構的變形以隆起為主，隨著開挖深度的增大，變形逐步累積，在基坑工程施工結束時，變形量值基本控制在5 mm范圍內，符合規定。對于基坑附近的加油站，其變形基本呈沉降-隆起-穩定的變化規律，變形值在10 mm范圍內。由于開挖初期地下連續墻后部土體的沉降影響，加油站建筑物的地基下沉，建筑物隨之出現沉降現象；之后，在環形支撐體系的支護作用下，沉降變形恢復并出現隆起現象。隨著開挖工程及支護工程的連續進行，建筑物變形速率逐漸減小并趨于收斂。

6 結論

1）本工程的基坑形狀復雜，土體開挖分層分塊，支撐逐步澆筑完成，相應地基坑變形也表現出階段性特征。隨著開挖深度的增加，基坑地下連續墻后部的地表沉降逐漸增大，但沉降量控制在20 mm 范圍內。同時，地表最終沉降值是小于開挖過程中最大沉降值的，但差值在5 mm 以內。由于地下連續墻和環形支撐結構的支護作用，基坑周圍的地表變形模式為“凹槽形”。

2）根據地下連續墻后部土體的深孔水平位移監測結果，基坑側壁土體在垂直方向上的水平位移呈“凸”字形，最大水平位移為17.00 mm。隨著開挖深度的增加，凸出部位逐步向下移動，但基本保持在10～17.5 m 深度范圍內。支護結構表面的水平位移方向均指向坑內。與開挖和支護過程相對應，水平位移呈增大、后減小、再增大、然后收斂至穩定狀態的規律，位移量值控制在20 mm 范圍內。由于支護結構的布置不對稱，地下連續墻各部位變形量有所區別，基本上長邊中心附近的地下連續墻變形相對較大。在基坑開挖行為的擾動下，基坑鄰近建(構)筑物均出現了不同程度的變形響應，但均控制在安全值范圍內。

3）通過地下連續墻和環形支撐支護體系，可以充分發揮各構件的力學性能，安全可靠，經濟合理，施工便利，能夠在穩定性和控制變形方面滿足對周圍環境保護的設計標準要求。□■