基坑位移監測及變形分析

陶雪彬， 袁金興， 張 燁， 王月香*

（1.蘇州科技大學土木工程學院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州中正工程檢測有限公司，江蘇 蘇州 215129）

地鐵、高層建筑等工程的基坑開挖深度越來越大，導致基坑工程防護要求越來越高。基坑開挖過程中擾動了周圍土體，改變了原有土體的應力狀態，引起周圍土體應力重分布，從而發生位移，對基坑的支護結構及周邊建筑或地下管線造成影響，極大地增加施工風險[1～2]；因此，必須對基坑進行變形監測，確保基坑及周邊安全[3～4]。目前基坑施工多采用單一的圍護結構，蔣宏鳴[5]以采用斜拋撐支護結構的基坑為研究對象，比較了在不同留土面積、施工階段和拆撐工序等條件下支護結構的變形結果并探討了變形規律；劉厚成等[6]利用ABAQUS 有限元軟件分析了以地下連續墻為支護結構的基坑變形規律；林之航[7]對采用排樁-鋼筋混凝土內支撐支護結構的上軟下硬深基坑進行了變形規律和空間效應分析；鄧宇等[8]對間隔雙排樁支護形式使用在紅黏土基坑上的加固方案及支護前后基坑變形監測進行分析；徐中華等[9]對鄰近地鐵隧道的深基坑采取分坑順作、兩墻合一地下連續墻、鋼支撐軸力補償體系等系列措施來研究對地鐵變形的控制；Cui X Y 等[10]對鉆孔樁和傾斜鋼支柱兩種基坑支護結構的受力性能進行了研究并以平原應變模型為重點，對基坑開挖進行了分析；Benin A 等[11]對以混凝土板為支撐的深基坑用有限元法進行三維數學建模并對其結果與巖土工程監測數據進行了比較，分析和評價了基坑支護和軸承的變形。

也有許多學者對采用多種支護結構的基坑進行研究。葉帥華[12]根據基坑施工過程中的監測結果分析比較了土釘+預應力錨桿的復合土釘墻、土釘墻及排樁+預應力錨桿3 種基坑支護形式在蘭州的適用性；朱建才等[13]對支護結構為連續墻的深基坑采用高壓旋噴樁和水泥攪拌樁兩種形式的地基加固，根據基坑監測結果分析基坑變形性狀；王鴻運[14]在同一個基坑中采用單排-預應力樁錨及雙排樁-預應力錨索支護形式，結合現場監測數據，分析基坑變形性狀以及對周邊建筑物變形的影響；廖少明[15]研究蘇州地區采用鉆孔灌注樁圍護、順作法施工的方形基坑及采用地下連續墻圍護的長條形地鐵車站基坑的變形性狀。研究更多的是針對不同基坑、不同支護方式，本文以采用二級放坡-坡頂注漿鋼管、放坡-鉆孔灌注樁、鋼板樁和放坡-鋼管土釘的多種圍護結構的某深基坑工程為例，研究多種支護結構作用在同一基坑的變形規律，為類似基坑工程的設計和施工提供了一定的經驗性參考。

1 工程概況及地質條件

1.1 基坑概況

某基坑東西長最大約327 m，南北寬最大約86 m，基坑總周長約1 150 m，總面積約2萬m2。工程分3個施工范圍，分別為一標、二標和二期。基坑分兩次開挖，第一次施工一標和二標區域，第二次施工二期區域。自然地面標高靠近水城路一側為2.000 m（85 國家高程基準，下同），其余各側為1.600 m，坑底標高為-2.650～-2.550 m，基坑挖深為4.25～4.65 m。

基坑西北側為風梔路，地下室外墻距道路24～40 m；西南側為水城路，地下埋有污水管、自來水管和雨水管，道路離地下室外墻最近為8.36 m；東北側為惠昌路，地下室外墻距道路7～30 m；東南側為區內待建號樓，號樓底板距地下室外墻約1.7～3.84 m。見圖1。

圖1 基坑周邊環境

1.2 工程地質條件

對基坑穩定性產生影響的土層主要有5 個，自上而下包括①素填土，層厚0.10～4.70 m；②黏土層，厚0.40～4.90 m；③粉質黏土，層厚1.50～5.00 m；④粉砂，層厚0.50～6.50 m；⑤粉砂，層厚3.90～9.60 m。除素填土、黏土外，其他地層自穩性都較好。基坑底部位于黏土層，基坑側壁則分布于素填土、黏土之中，其自然結構變化十分敏感，具觸變性，工程性能差，易產生蠕動變形。土體參數見表1。

表1 土體參數

2 基坑支護設計及監測方案

基坑西北側支護結構采用二級放坡-坡頂超前注漿鋼管支護結構；西南側靠近號樓區域采用32b 鋼板樁支護，其余各區段采用懸臂式鉆孔灌注樁-坡頂1 m放坡；東北側采用放坡-坡頂注漿鋼管圍護；東南側采用放坡-鋼管土釘圍護。

為確保安全，在基坑施工過程中對坡頂水平及豎向位移、坑外地下水位、周邊道路管線以及土體深層水平位移進行監測[16～17]。監測對象主要包括基坑坡頂、周圍土體、地下水，其中坡頂部水平和豎向位移監測點共用，有71 個；坑外地下水位監測點13 個；周邊道路管線沉降監測點13個。見圖2。

圖2 基坑測點平面

監測項目的報警值見表2。

表2 警報值

3 監測分析

3.1 坡頂部水平位移

選取HV57、HV8、HV5、HV66、HV63 共5 個測點進行分析，HV57測點位于二級放坡-坡頂超前注漿鋼管支護區域內，HV8 和HV5 測點位于放坡-鋼管土釘支護區域內，HV66 測點位于放坡-懸臂式鉆孔灌注樁支護區域內，HV63測點位于32b鋼板樁支護區域內。為了同時段分析方便，選在一標范圍內，從7 月13 日開始監測，最后一次監測時間為11 月1 日，中間相隔112 d。監測結果見圖3和圖4。

圖3 坡頂部水平位移

圖4 坡頂部水平位移變化速率

5 個監測點的水平位移變化趨勢相似。基坑開挖初期水平位移變化速率較大，隨著開挖時間的增加，水平位移逐漸增大；45 d 后，變化速率減小，水平位移趨于穩定，各測點坡頂水平位移基本在4～9 mm。HV5 測點的位移變化速率在開挖后第16 d 達到最大，為0.7 mm/d，同時該測點累計水平位移是5 個測點中最大的，達到8.9 mm。HV66 測點的位移變化速率在開挖112 d 內不超過0.2 mm/d 且累計水平位移最小，為5.05 mm。各測點的水平位移最大值均沒有超過監測報警值，說明4 種支護結構均能夠控制基坑水平位移，其中懸臂式鉆孔灌注樁支護區段的基坑水平位移能得到有效控制，鋼管土釘對水平位移的控制效果最差。

3.2 坡頂部豎向位移

由于坡頂部水平、豎向位移監測點共用，故豎向位移監測點選取與水平位移相同。監測結果見圖5和圖6。

圖5 坡頂部豎向位移

圖6 坡頂部豎向位移變化速率

豎向位移與水平位移變化趨勢相似。開挖后45 d 內豎向位移變化速率最大，一般在0～0.3 mm/d，豎向位移逐漸增大；45 d 后，豎向位移變化速率變小，趨于0，豎向位移緩慢增長后趨于穩定。測點的豎向位移相差較大，在3～10 mm 之間：HV8 測點累計豎直位移量最大，達到9.33 mm；HV66 測點的累計豎向位移最小，為到3.64 mm；HV5 和HV57 測點的豎向位移相近，約為8.5 mm且與HV8測點相差較小。說明二級放坡-坡頂超前注漿鋼管支護結構與放坡-鋼管土釘支護結構對坡頂豎向位移的控制效果相近且都較差；懸臂式鉆孔灌注樁支護區段的基坑水平位移能得到有效控制，鋼管土釘對水平位移的控制效果最差。

懸臂式鉆孔灌注樁對控制坡頂水平和豎直位移有著較好的效果，這與以往的支護結構控制效果分析結果[19]相吻合，傳統混凝土支撐的支護結構變形介于一些支護結構之間，說明對于控制基坑變形仍有一定的優勢。

3.3 坑外地下水和周邊道路管線沉降

選取SW11、SW2、SW1、SW13、SW12 共5 個測點進行坑外地下水的監測，SW11測點位于二級放坡-坡頂超前注漿鋼管支護區域內，SW2 測點位于放坡-鋼管土釘支護區域內，SW1 測點位于注漿鋼管和鋼管土釘支護區域內的交界處，SW13 測點位于放坡-懸臂式鉆孔灌注樁支護區域內，SW12測點則位于32b鋼板樁支護區域內。監測結果見圖7和圖8。

圖7 坑外地下水位

圖8 坑外地下水位變化速率

坑外地下水變化集中在0～4 mm。開挖初期，坑外地下水變化較大，水位下降較大；隨著開挖時間的增加，地下水下降趨勢減緩，逐漸有少量回升和來回波動的情況；測點SW1 波動最為明顯，地下水下降到1.76 mm 后最先停止下降，后在0.9～1.5 mm 之間波動；SW11測點是5個測點中坑外地下水下降最小的測點；監測點SW2 在地下水回升前的水位下降最大，達到3.32 mm。施工后期，除SW1 點，其他監測點的水位下降都較為接近。由圖8 可以看出，測點的地下水位速率變化較大并且有回升的情況，這也導致了地下水位時常在0～3 mm波動。

在基坑西南側的水城路選擇G01、G02、G04、G06、G07 共5 個監測點進行周邊道路管線沉降分析。監測結果見圖9和圖10。

圖9 周邊道路管線沉降

圖10 周邊道路管線沉降速率

基坑開挖后建筑周邊地面隨即產生沉降且隨著開挖時間的增加逐漸加大，集中反映了圍護結構側移、土體結構本身蠕變等作用。基坑開挖后約40 d內沉降速率較大，各監測點的沉降量都在1～2.5 mm；開挖40 d后周邊道路管線沉降速率減小，直至趨于0，沉降量也穩定不變。5 個監測點中除G04 點，其余測點的沉降趨勢相似，最終沉降量也很接近；而G04 沉降速率更快，沉降量更大，達到了2.37 mm，比其他監測點的最終沉降量大了約0.6 mm。由圖10 可以看出，周邊道路管線有回彈現象，但回彈量較小，不對總體的沉降產生較大影響，周邊道路管線沉降速率最大約在基坑開挖后28 d時。

對地下水位和管線沉降綜合分析可知，SW1 測點受到注漿鋼管和鋼管土釘的共同影響地下水下降最小，放坡-懸臂式鉆孔灌注樁支護區域內的SW13測點地下水下降也較小；監測點G04 靠近放坡-懸臂式鉆孔灌注樁圍護結構時管線沉降明顯區別于其他圍護結構的監測點，管線沉降最大。說明懸臂式鉆孔灌注樁圍護結構對控制周邊道路管線沉降效果較差，不適合作為對周邊道路沉降要求較高項目的圍護結構。

4 結論

1）懸臂式鉆孔灌注樁支護因整體性強、樁身強度高，對基坑的水平及豎向位移能夠有效控制；鋼管土釘對水平及豎向位移的控制效果最差。相對一些組合支撐方案，傳統混凝土支撐方案對控制基坑變形仍有一定的優勢。

2）靠近二級放坡-坡頂超前注漿鋼管和放坡-鋼管土釘支護結構時，測點的地下水降低最小且有一定回彈，水位較為不穩定。其他圍護結構下的坑外地下水大體趨勢較為一致，穩定后地下水位差別不大。

3）懸臂式鉆孔灌注樁圍護結構對控制周邊道路管線沉降效果較差，不適合作為對周邊道路沉降要求較高項目的圍護。

4）深大基坑工程設計應因地制宜采用合理的支護形式。不同的支護結構有各自適用性，對基坑開挖時產生的各種變形也有影響，故合理選擇基坑開挖時的支護結構形式，能夠很好地控制施工中出現的變形，保障施工的安全和順利進行。