基坑開挖對圍護結構變形和坑外土體沉降影響研究

郭博瀚

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510000)

隨著城市群的建設和發展，地域發展與水資源需求不平衡問題日益凸顯，引調水工程是實現水資源分配的重要手段。近年來國家大力投入建設引調水工程，基坑是引調水工程建設中很重要的臨時性工程，決定了盾構能否順利掘進。基坑工程是一項涉及施工、力學、地質、結構、基礎工程、巖土等多個學科的綜合性工程[1-2]，自20世紀80年代以來，雖然基坑支護理論和施工技術有長足的發展，但由于其理論計算和施工技術復雜，影響因素眾多，導致全國各地因為基坑的安全問題造成人員傷亡和經濟損失的事故時有發生。

由于基坑工程的復雜性，國內外學者對基坑展開了大量的研究工作。廖少明[3]研究了蘇州地區擋土結構、形狀對深基坑的變形形狀的影響。毛吉化[4]、李建飛[5]和徐楊青[6]等通過搭建預測模型對基坑監測預警展開研究。李志偉[7]和王浩然[8]對基坑周邊建筑物的變形進行分析研究。劉波[9]通過研究深基坑臨近地層的位移特征，得出變形機理和影響因素。劉建航等[10]根據長期的研究和實踐，提出了基坑地層損失法概念和墻后地面沉降曲線公式。楊駿[11]通過對軟土地區基坑開挖研究，提出坑外土體位移臨界面、傳導路徑及傳導曲線斜率的概念，且臨界面處于動態變化過程。對基坑施工過程中的安全監測是消除危險因素，防范基坑安全事故發生的重要途徑。本文以珠江三角洲水資源配置工程為依托，根據現場基坑監測數據，分析研究基坑開挖過程中的變形問題。

1 工程實例

1.1 工程概況

選取珠三角水資源配置工程中某一個始發井作為研究對象，該井為外徑31.8 m圓形豎井，地面平整高程3.0 m，基坑底高程-52.20 m，開挖深度為55.20 m。采用地下連續墻加砼內襯墻支護方案。

現狀地面為荒地及魚塘，地表高程1.0 m～3.0 m。根據鉆孔揭露：井身上部為1.0 m～3.0 m厚人工填土，其下為約9.0 m～13.0 m厚的沖積淤質黏土、淤質粉細砂及泥質細沙層，往下為基巖，為泥質砂礫巖，其中全風化帶厚度約4 m～6 m，強風化帶厚度1.8 m～2.2 m，弱風化帶未揭穿，井身中下部均位于弱風化帶。井周上部的砂層及軟弱土層較多，砂層透水性強，土層、強風化巖層自穩能力差，工程地質條件較差，下部及井底為弱風化泥質砂礫巖，巖質較硬，弱透水，工程地質條件較好。

1.2 監測設計方案

基坑支護結構設計為：地下連續墻墻厚1.0 m，嵌入井底，逆作法內襯墻厚1.2 m～1.5 m，襯砌后內直徑分別為27.4 m和26.8 m。監測內容主要包括：樁頂水平位移、樁頂沉降、樁身深層水平位移、周邊地表沉降等，監測布置見圖1。樁頂水平位移用全站儀觀測，沉降用精密水準儀觀測，深層水平位移采用測斜儀進行觀測。

圖1 基坑安全監測平面布置圖

2 監測數據分析

2.1 墻體深層水平位移分析

基坑開挖過程中，由于基坑內外壓力差引起坑外土體對圍護結構產生力的作用，使得圍護結構發生向坑內的側向變形。坑邊土體的側向變形與支護結構體變形相似[11]，因此地下連續墻的深層水平位移能間接反映坑邊土體的側向變形規律。

圖2 測斜管的深層水平位移圖

圖3 測斜管IN1-1的深層水平位移圖

由圖2可知4個深層水平位移測點的變形趨勢大致保持一致，隨著基坑開挖進行，最大側向變形點隨基坑開挖面的移動而移動，基本位于基坑開挖面附近，水平位移的最大變形值小于規范規定的20 mm預警值，說明基坑圍護結構安全。圖3反映了深層水平位移變化曲線呈“弓”字形，且最后變形趨于收斂，不會無限發展。這是由于基坑開挖過程中，坑內土體被卸載，原有土體結構發生改變，應力重分配。由于坑內地層強度突然降低，抵抗外界主動土壓力的能力下降，圍護結構兩側產生的壓差導致土體發生水平位移，圍護結構產生變形。隨著基坑開挖的進行，坑外土體對圍護結構的主動土壓力隨著開挖深度逐漸變大，坑內地層的抗壓能力也隨著開挖深度逐漸變大，坑內外壓力差最大值發生在開挖面附近，因此最大側向變形點隨著開挖面的變化而移動，且保持在開挖面附近。

2.2 地表沉降分析

(a)LD1測軸周邊土體沉降隨時間變化關系折線圖

(b)LD3測軸周邊土體沉降隨時間變化關系折線圖

LD1-1和LD3-1測點位于連續墻壓頂梁上，沉降變形相對比較穩定，沉降主要發生在基坑周邊土體的沉降。由圖4可知兩個沉降測軸上測點的變化趨勢一致，均是隨著開挖過程進行不斷發生沉降，在某個階段幾乎所有測點沉降速度都加快，經過對比周邊地下水監測數據，該階段曾發生地下水驟降，原因是該基坑周邊是一個魚塘，土層含水量豐富且上部砂層透水性強，基坑施工過程中支護結構發生滲漏水，使得基坑外土層含水量急劇減少，地層產生固結或次固結，導致地面下沉。隨著滲漏問題的解決和開挖支護的進行，基坑圍護結構變形趨于穩定，周邊土體地表沉降也趨于穩定。

(a)LD1測軸周邊地表沉降隨空間變化關系折線圖

(b)LD3測軸周邊地表沉降隨空間變化關系折線圖

從空間分布上，基坑外土體最大沉降位置也是隨著基坑開挖而變化。由圖5(a)可知，2020年6月與7月坑外土體沉降變形相對較小，各測點沉降差距不明顯。8月到11月沉降變化開始變大，且變形呈現雙峰值，第一個峰值出現在LD1-2測點，距離坑邊2 m的位置，第二個峰值在LD1-3和LD1-4間變換，距離坑邊14 m～26 m。而后直到2021年3月初，沉降數值不斷增大，雙峰值演變成單峰值，且最大沉降位置位于LD1-4。由圖5(b)可知，2020年6月坑外土體沉降變形相對較小。8月～10月沉降變大并出現雙峰值，雙峰分別位于LD3-2和LD3-4測點附近。隨著開挖進行，沉降曲線由雙峰演變成單峰，最后峰值由LD3-3發展到LD3-4位置。監測數據表明，LD1和LD3測軸的最大沉降位置均位于基坑外26 m附近，即1/2H(H為基坑開挖深度)位置。這樣的結果與Ou[12]等學者研究分析的結果一致。最大沉降值分別為15 mm和23 mm，約為0.27‰和0.42‰，小于規范規定的預警值，說明基坑支護結構設計合理。

3 結論

(1)圍護墻體的深層水平位移曲線大致呈“弓”字形分布，最大側向變形點位置處于動態變化的過程中，隨基坑開挖面的移動而移動，基本位于基坑開挖面附近。

(2)基坑沉降主要發生在坑外土體的沉降，且隨著基坑的開挖，沉降逐漸增大最后趨于穩定。土體的沉降與基坑降水有關，由于圍護結構發生滲漏水導致地下水位驟降，土體發生應力重分布是坑外土體沉降的主要原因，所以施工過程中應密切關注坑外地下水位的變化情況，嚴格控制基坑的降水速率。

(3)坑外土體最大沉降位置隨著開挖進行而變化，從坑邊逐漸向外發展，最后變形曲線呈單峰值狀態，最大沉降位置距坑邊距離大約為1/2基坑開挖深度。

筆者認為，基坑的變形趨勢雖然有規律可循，但由于施工過程受到的干擾因素很多，包括支護技術和措施、開挖進度、圍護結構設計、周邊建筑物類型、地質等因素，未能通過數學方式進行定量化的描述和預測，這也是接下來有待進一步研究的問題。