軟土區域基坑開挖圍護結構變形規律分析

鄭艷，金鑫

（1.廣東工貿職業技術學院 測繪遙感信息學院，廣東 廣州 510510；2.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101）

0 引言

現階段我國各大中城市都處在軌道交通建設的高峰期。由于大量的基坑工程位于繁華的市中心，基坑的開挖對圍護結構和對周邊土體產生擾動并造成其結構發生變化，這種變化對基坑的圍護結構和周邊地表不可避免地造成影響。基坑工程施工引發的環境影響問題已經日益成為城市地下工程關注的熱點問題[1-2]。

1 項目概況

該車站基坑場地地貌屬海陸交互相沖洪積平原地帶，地形平坦。地面高程為3.6～4.2 m之間，周邊現狀為農田、水塘，周邊無建構筑物且無管線。車站采用明挖順做法施工。

2 監測數據分析

2.1 基坑開挖階段的劃分及監測典型斷面的選取

該地鐵車站基坑底板澆筑完成后，監測數據變形速率穩定，選取有代表性并且累計變形較大的監測斷面ZQT-02、ZQT-31，并選取相對應的最大累計監測點進行分析。根據該地鐵車站基坑的圍護結構階段性變形監測數據進行整理后得出：

（1）土方開挖是圍護結構變形主要影響因素，占據了42-62%基坑開始土方開挖后，圍護結構墻體便開始受力變形。基坑內側卸去原有的土壓力，在基坑圍護結構外側則受到主動土壓力；由于總是開挖在前，支撐在后，所以在安裝支撐以前已發生一定的先期變形，土方開挖造成的變形量為總變形量的42-62%，可以看出土方開挖是變形主要影響因素；另外基坑開挖期間的周邊荷載特別是土方車的動載在一定程度上增加了墻后的土體壓力，加大了變形量。

（2）內支撐施工時間的及時性對變形控制有一定的影響，占據了變形量5-13%車站基坑第一、二道支撐為混凝土支撐，第三道支撐為鋼管支撐。支撐施工的及時性、鋼支撐的預應力是否能達到設計要求等因素對變形的發展控制有一定的影響。

（3）基坑土方開挖過程中停工導致基坑暴露造成的變形占據了10-14%左右基坑土方開挖過程中，即使架設支撐后并且基坑內外側土壓力基本重新達到平穩狀態，但只要基坑底部沒有封閉，圍護結構深層水平位移的變形仍在緩慢發展。

（4）牛腿、地梁施工變形占據17-28%當基坑開挖至設計標高后，因設計需要施工牛腿，且牛腿結構施工的位置在連續墻結構的內側，底板不能及時封閉，造成基坑較長時間的暴露。

2.2 同一監測斷面地表沉降點數據分析

監測結果顯示在工序1即第一層土方開挖，工序6即第四層土方開挖，工序7即牛腿、地梁施工，工序8即底板澆筑完成，兩地表點沉降較大均達到25 mm左右，其中工序7在施工時DBC14-06沉降值達到28.73 mm。由此可見，引起基坑周邊地表沉降的主要因素主要來自于土方開挖。另外在第四層土方開挖后進行牛腿和地梁的施工，加大了基坑開挖深度，延長了開挖面的暴露時間，致使在基坑施工牛腿和地梁時地表沉降值最大達到了28.73 mm，超出設計控制值。

關于地表沉降變形數據分析[3]：

（1）因為本區域地質條件為深厚的軟土層，淺層土體是農田及魚塘回填土，回填土密實度不夠，加上施工現場土方車等重型施工的碾壓，導致在開挖第二層土方時基坑周邊的地表就產生較大變形。由于軟土區域的深基坑不僅在施工階段因地層損失引起基坑周邊地層移動，而且由于地層移動使基坑周圍土體受到擾動，因此施工的后期即使在基坑底板結構封閉后，地表沉降變化量的速率仍然比較大。

（2）在基坑土方開挖時周邊地表會出現沉降量增大的現象，且沉降變化量隨開挖面暴露時間、周邊荷載呈現正相關關系，但是當支撐架設完成和底板澆筑完成后，地表沉降能得到有效控制，地表沉降量回落到正常值以內。

3 基坑圍護結構變形理論模型計算與分析

3.1 監測數據對比分析

本車站基坑共布設32根測斜管，在所有底板澆完后僅有ZQT-15、ZQT-16兩處測點未超出設計控制值40 mm（原設計控制值為29.9 mm，后經過監測預警分析會調整為40 mm），典型監測斷面ZQT-02、ZQT31在底板結構完成后變形量達到80-100 mm。

3.2 車站圍護結構變形量計算模型

車站標準段圍護結構變形量計算采用典型斷面的土層，該斷面土層主要有人工填土、淤泥質粉細砂、淤泥、微風化砂巖。圍護結構整體穩定計算采用瑞典條分法，應力狀態為總應力法，條分法中的土條寬度0.40 m。經計算圍護結構在基坑底的嵌固深度在 24.72 m，計算最大水平位移29.97 mm，最大彎矩標準值1392.19 KN·m。支撐軸力計軸力（標準值）為：第一道 N=2725 kN，第二道 N=5108 kN，第三道 N=4201 kN。計算結果表明，整體穩定安全系數 Ks = 1.484＞1.35，滿足規范要求。最大水平位移 29.97 mm＜0.2% H=33.16 mm，且小于30 mm，圍護樁變形滿足規范要求。

借助于數值模擬與實際監測結果相結合的方法，可以對深基坑工程整體結構進行比較系統的分析。根據基坑圍護結構變形理論計算與實際變形值差異分析，圍護結構的最大側向變形位置與土質情況、圍護體剛度、支撐系統剛度、基坑開挖深度等因素有關，圍護墻體厚度的選取和支撐的布置是關鍵。

在該基坑實例中，通過圍護結構理論模型計算，墻體水平位移呈現“弓”形，圍護墻最大水平位移位于圍護結構頂部向下13～15米處，最大水平位移29.97 mm。在實際監測過程中發現圍護墻深層水平位移曲線趨勢與理論模型一致，整體水平位移呈現“弓”字形，最大水平位移點發生在圍護墻中部左右位置[4-5]。

根據現場實際監測數據，基坑開挖過程中圍護墻體水平位移最大值遠大于設計計算預設值，通過分析，實際情況與理論計算值出現數值區別的原因主要來自以下幾個方面：

（1）理論計算中的圍護結構各項巖土參數與現實情況不符，尤其是軟土的水平向反力系數的比例系數，也就是m值選取不合理；而m值的取值對圍護結構的變形計算影響大，如果采用勘察報告里m值系數為4，而相關規范和經驗的取值為1～1.5；兩個取值分別計算出來圍護結構變形量相差在一倍以上[6]。

（2）基坑開挖施工過程中坑內降水沒有按照相關的規范及方案執行，沒有按照隨挖隨降，而是在開挖之前就“一降到底”，地下水的抽排沒有達到設計效果，水土合算條件下主動土壓力增大，從而無法準確地預估基坑施工的真實環境。按照目前的監測經驗，軟土區域的圍護結構在土方開挖前僅降水就有接近20 mm的變形。

（3）設計方案中采取的軟基三軸加固要達到0.8-1.2兆帕的強度。但在實施過程中三軸加固在淤泥質土中加固效果一般，往往達不到設計方案中的強度要求，也不能達到控制圍護結構變形的目的。

4 結語

（1）由于施工順序總是土方開挖在前支撐在后，如果在土方開挖后沒有及時架設支撐導致開挖面暴露的時間過長，在支撐架設并且加載后圍護墻體的變形已經接近完成，此時的圍護墻的水平位移數值已經較大并且趨于穩定，就會使支撐的作用僅為阻止圍護墻體的進一步變形，無法達到控制基坑圍護結構變形的效果，施工單位應該合理安排工序，及時架設支撐，達到控制圍護結構變形的目的。

（2）施工單位在基坑開挖前的坑內降水，要嚴格按照降水方案，隨挖隨降，杜絕一降到底；在基坑開挖前坑內降水的環節減少圍護結構的變形量。

（3）基坑土方開挖時造成的圍護結構變形和周邊地表沉降占據了全部變形量的一半左右，開挖方式的選擇，應遵循“沿規定的開挖次序逐段開挖；每個開挖段中分層分小段開挖、隨挖隨撐、及時施加預應力”，嚴禁進行大面積開挖。

（4）基坑開挖施工期間，嚴格控制基坑周邊荷載的超載，控制臨近基坑周邊物資的堆放等。在土方車等重型施工機械頻繁通過的地段應鋪設走道板或者進行地基加固。

（5）基坑土方開挖過程中的停工以及達到設計標高后施工牛腿等造成的基坑長時間暴露占據了30%～40%左右的變形量，建議后期在軟土區域內的各基坑設計方案及施工方案應以縮短基坑暴露時間為原則，減小圍護結構墻體及周邊地表的變形。

（6）設計單位在總結以往的工程經驗基礎上，應合理選擇設計參數。尤其是軟土區域的基坑設計要對軟土的水平反力系數的比例系數（m）值的取值更加合理，從而給出合理的圍護結構變形設計控制值。

（7）基坑圍護結構變形、地表沉降以及坑內基底隆起三項數據往往有密切的相關性，應在有條件情況下增加坑底隆起的監測項目，更全面地分析基坑開挖施工期間的周圍巖土體的變形情況。