基坑安全狀態(tài)分級與應用

李 杰， 傅志峰， 羅曉輝， 熊朝輝

(1. 華中科技大學 土木工程與力學學院， 湖北 武漢 430074；2. 武漢地鐵集團有限公司， 湖北 武漢 430030；3. 中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 湖北 武漢 430063)

基坑安全是基坑設計與施工控制的關鍵問題。文獻[1]在概率極限狀態(tài)設計方法的基礎之上，確定了“基坑側壁安全等級及重要性系數(shù)”，對圍護結構承載能力及基坑土體出現(xiàn)的可能破壞按承載能力極限狀態(tài)計算，因而對荷載效應施加荷載分項系數(shù)(安全系數(shù))[2]。例如，對于確定圍護結構插入深度采用的荷載分項系數(shù)為1.2[1]，采用圓弧滑動穩(wěn)定性分析方法則取安全系數(shù)為1.3[3～4]。基坑施工過程的安全控制則是通過位移、荷載、地下水位等相關監(jiān)測[1，5～6]，一方面通過數(shù)值反分析預測可能發(fā)生的位移[7～8]，另一方面根據(jù)其對應的監(jiān)測報警值[5～6]進行施工過程監(jiān)控。由此可見，基坑圍護結構設計中的安全控制與施工過程中的安全監(jiān)控都是“單項控制”，即各個單項的安全控制是彼此無關的?，F(xiàn)實基坑工程的安全性研究表明[9]，基坑工程失效(事故)發(fā)生存在有三種情況：(1) 多項監(jiān)測項目中往往是某一個或幾個監(jiān)測值達到或超過報警值，并非所有監(jiān)測項目同時達到報警值；(2) 某一個或幾個監(jiān)測值達到或超過報警值，但基坑并未出現(xiàn)整體破壞；(3) 相關監(jiān)測報警值[5]缺乏預警過程，即基坑破壞時顯示出“突然性”。另外，由于基坑環(huán)境因素的復雜性以及數(shù)值反演技術的局限性，還不可能將所有監(jiān)測項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為已知量進行反演分析[10]，因而有必要在施工報警控制方面建立分級報警值制度，在單項安全控制的基礎之上給出施工過程的整體安全描述與控制標準。

1 監(jiān)測預警與預警分級

1.1 監(jiān)測預警的設置

文獻[5]、[6]規(guī)定了不同安全等級基坑的監(jiān)測項目與預警值。以武漢地區(qū)的長江沖積一級階地的地鐵深基坑為例，其安全等級為一級，圍護結構體系一般為鋼管內支撐地下連續(xù)墻結構，因此根據(jù)文獻[5]可得到本工程相關監(jiān)測項目的預警值(表1)。

1.2 預警值的分級

監(jiān)測預警值分級目的是：增加預警等級，進而增強施工組織與人員的安全意識；強化監(jiān)控密度與預測分析；時時關注預警進程，減少事故的“突然性”。為此所采用的監(jiān)測分級劃分原則應包含如下內容：

(1)任何一個基坑施工項目部，在擬定施工方案時都應有基坑狀態(tài)達到預警值時的搶險安全預案，因此預警值分級不宜過多。故將預警等級劃分為紅色、橙色和黃色三個等級；

(2)如果將規(guī)范所列監(jiān)測預警值視為最高預警狀態(tài)(紅色預警)，那么次一級的預警值與前一級預警值的差異不宜過大。根據(jù)不同的監(jiān)測項目對基坑安全影響程度，建議預警值級差幅度不大于25%；

(3)以規(guī)范的預警值為范圍值時，次一級預警值按較小值確定；

(4)建筑基坑工程的環(huán)境安全采用類似的預警等級劃分，預警等級形式見表2。

表1 安全等級一級、地下連續(xù)墻圍護結構基坑的監(jiān)測預警分級

注：h為基坑設計開挖深度；f為設計極限值。

表2 建筑基坑工程周邊環(huán)境監(jiān)測報警分級

注：H為建(構)筑物承重結構高度；第3項累計值取最大沉降和差異沉降兩者的小值。

(5) 當有關預警值尚未達到紅色預警值，但基坑出現(xiàn)滲漏、流砂、管涌、隆起或陷落等現(xiàn)象時，應視為基坑預警達到紅色預警狀態(tài)。

2 預警分級的應用

2.1 工程概況

表3 車站基坑地基土厚度與主要物理力學參數(shù)

圖1 圍護結構橫剖面圖

2.2 監(jiān)測及反演的安全狀態(tài)

2.2.1基于開挖進程描述的安全狀態(tài)

由于實際監(jiān)測期間未完全按照文獻[5]、[6]的監(jiān)測時限要求，因此給出圖2、圖3描述地連墻墻身最大水平位移隨開挖進程的變化。由圖2可見，墻身水平位移最大值隨開挖深度增加所產生的變化大致可分為三個階段：(1) 在開挖深度為8.0 m之前墻身水平位移最大值隨開挖深度基本上呈直線型變化，開挖深度每增加1.0 m，墻身最大水平位移約增大1.37 mm；(2) 開挖深度在8.0～10.8 m之間時，開挖深度每增加1.0 m，墻身最大水平位移約增大1.04 mm；(3) 開挖深度在10.8 m之后，開挖深度每增加1.0 m，墻身最大水平位移約增大1.93 mm；(4)水平位移的近60%發(fā)生在第二道橫撐設置后的開挖進程中。另外基坑澆注地下結構底板時墻身最大水平位移增加了2.78 mm，且總水平位移達到32.64 mm。由圖3可見，Smax/h隨開挖深度的變化與圖2正好相反，開挖深度在10.8 m之后Smax/h最小，開挖完成時Smax/h僅有0.19%，而開挖深度為8.0 m之前時Smax/h最大，達到0.39。對照表1，開挖完成時實際水平位移最大值達到了32.64 mm，而相對基坑深度控制值僅為0.19%(要達到相對基坑深度控制值0.4%時水平位移最大值需達到70.4 mm)，由此可知水平位移最大絕對值與相對基坑深度控制值并非同步控制參數(shù)。應按墻體最大水平位移絕對值來判斷預警狀態(tài)：開挖深度小于12.6 m過程為黃色預警值(狀態(tài))；開挖深度12.6 ～17.6 m為橙色預警值(狀態(tài))；開挖完成至澆注地下結構底板期間達到紅色預警值(狀態(tài))。

圖2 開挖過程中的地連墻最大水平位移變化

圖3 開挖過程中的Smax/h的變化

考慮到基坑周邊近40.0 m范圍內無大型建筑物，圖4、圖5描述了地連墻墻頂面及坑外6.0 m、12.6 m處的地面沉陷位移隨開挖進程的變化。由圖4可見，墻體頂面的沉陷隨開挖深度不斷增加，開挖深度達12.6 m之前每挖深1.0 m，墻頂面發(fā)生0.5 mm的沉陷，而此后則是每挖深1.0 m墻頂面發(fā)生1.69 mm的沉陷。在坑外6.0 m、12.6 m處地面沉陷與墻頂面沉陷位移規(guī)律正好相反(圖5)，分別在挖深為10.8 m、12.6 m之前每挖深1.0 m，發(fā)生0.69 mm和0.22 mm的地面沉陷位移，此后相對沉陷梯度為0.40 mm/m和0.02 mm/m。圖6描述了墻頂面、坑外6.0 m、12.6 m處的沉陷值與坑深的百分比，反映出墻頂面、坑外6.0 m的沉陷隨挖深的增長性質，而坑外12.6 m處的沉陷在挖深10.8 m之后就趨于穩(wěn)定了。由此可得出這樣的推斷：坑外受開挖影響的范圍在12.6 m之內，且影響范圍約為設計開挖深度的70%。因此可按坑外沉陷預警值上限(即60 mm)作為紅色預警控制值。

圖4 開挖過程中的墻頂頂面沉陷變化

圖5 開挖過程中距墻體6.0 m、12.6 m處的地面沉陷變化

圖6 相對基坑深度控制值(Δ/h)隨開挖深度的變化

圖7、圖8為三道橫撐力及其與設計值的百分比隨開挖深度的變化。由圖可見：(1) 由于橫撐的初始設置內力為零，因此橫撐力初始階段變化較大，之后隨挖深的增加而改變；(2)第一道橫撐在挖深12.6 m之后基本不變，略微還有減小，第二、三道橫撐作用力隨挖深的變化不大，實際橫撐力由設計值的53%增加至69%，由表1判斷已達到紅色預警值上限。

圖7 開挖過程中的橫撐力變化

圖8 實測橫撐力與設計橫撐力比值的變化

2.2.2基于反演預測描述的安全狀態(tài)

運用監(jiān)測數(shù)據(jù)進行基坑土體本構參數(shù)反演分析，進而對后續(xù)開挖進程的位移場進行預測是基坑預警系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)[8]。方便起見，反演計算值不考慮位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的系列，只考慮當前監(jiān)測的位移數(shù)據(jù)，因此將基坑土體假定為彈性體[10]，在圖2～ 5、圖7中均給出了經反演計算的有關預測值。上述圖示與實測值的比較可見：(1) 在挖深12.6 m之后地連墻水平位移預測值顯著小于實測值(圖2、圖3)；(2) 就沉陷而言，在挖深10.8 m之后墻頂面沉陷幅度預測值比實測要大(圖4)；對于坑外6.0 m處的地面沉陷，在挖深14.8 m之前預測值較實測要小，而之后預測值則相比要大；對于坑外12.0 m處的地面沉陷，在挖深8.0 m之后預測值總體要大于實測值(圖5)；由于預測值與實測值的差異主要體現(xiàn)在挖深10.8 m之后，因此就沉陷方面而言，預測值總體是高估了；(3) 就橫撐力而言(圖7)，因為考慮了每道橫撐的預加力(約為設計橫撐力的30%)，因此隨挖深的增加橫撐力的預測值均大于實測值?？偨Y地連墻水平位移、墻頂及坑外地面沉陷、橫撐力三方面的比較可見，其預測值均大于實測值(或在挖深大于10.8 m之后)，但就其預警分級而言與實測值是一致的。

3 結 論

(1) 文獻[5]、[6]中所列的某項監(jiān)測預警值，例如描述地連墻圍護結構水平位移的三種預警值方法在實際應用中并不一定具有同步性。對于不同的監(jiān)測項目，也不具有同步進程，均應考慮以優(yōu)先達到者進行控制。

(2) 就水平位移而言，約60%發(fā)生在第二道橫撐設置之后，且大約50%發(fā)生在開挖深度大于12.6 m之后，即開挖深度大于8.0 m即進入到預警狀態(tài)，以后預警狀態(tài)逐步提升。

(3) 由所分析的基坑，其坑外地面沉陷影響范圍約為設計開挖深度的70%，且墻頂面、坑外地面沉陷均未達到黃色預警要求。

(4) 當橫撐預加力設置為零時，橫撐力達到紅色預警狀態(tài)的主要是第二、三道橫撐，而第一道橫撐僅為黃色預警狀態(tài)。

(5) 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的反演分析計算，其總體預警效果高于實測預警，因此這有利于對施工過程預警判斷的超前要求。

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