高敏感環(huán)境條件下基坑變形的精細化控制研究

顧國明 劉冬華 劉 星 吳聯(lián)定 朱 亮

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 研究背景

隨著城市規(guī)模的不斷發(fā)展壯大，城市的可利用土地越來越少，為了緩解土地供應(yīng)緊張的狀況，開發(fā)地下空間和高空空間都成為有效的手段之一，不論是開發(fā)地下空間還是利用高空空間，都離不開深基坑工程；更進一步，隨著城市服務(wù)功能的日臻完善，各種線路和管網(wǎng)縱橫交錯、錯綜復(fù)雜，深基坑開挖過程中稍有不慎就可能會對周圍保護目標(biāo)造成嚴(yán)重的破壞，特別是在以上海為代表的軟土地區(qū)，受軟土地層不良地質(zhì)條件的影響，深基坑施工更加困難。鑒于此，針對軟土地區(qū)深大基坑變形及微變形控制技術(shù)的研究就更具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

2 深大軟土基坑的特點及其變形的原因分析

通過室內(nèi)試驗、數(shù)值分析以及工程實測，并結(jié)合近10年來以上海為代表的軟土地區(qū)深大基坑的工程實踐數(shù)據(jù)資料，對深大基坑卸荷變形的影響因素和影響區(qū)域特性以及變形機理進行了研究，對基坑卸荷變形的影響范圍按變形特性進行分析和歸納[1-2]。

2.1 深大軟土基坑的特點

1）差異性。在不同的城市，由于不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)條件，深基坑工程差異非常大，即使是同一城市不同區(qū)域也有差異。地質(zhì)普查和工程前期勘察都是針對區(qū)域內(nèi)有限個具有代表性的土層進行的，所得結(jié)果離散性很大，雖然地下巖土的性質(zhì)具有連續(xù)性，但是由于地下巖土性質(zhì)和結(jié)構(gòu)千變?nèi)f化，其埋藏條件又非常復(fù)雜，使得地質(zhì)普查和前期勘察情況難以代表整個區(qū)域土層的總體情況，而且受測量技術(shù)的局限，其測量精確度往往較低，達不到精確測量的要求。因此，深基坑開挖須實事求是、因地制宜，根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w工程條件和地質(zhì)條件，具體問題具體分析，不能機械地完全照搬其他工程的經(jīng)驗。

2）復(fù)雜性。深基坑工程的支護體系設(shè)計與施工和土方開挖一一對應(yīng)，不同的支護設(shè)計往往意味著不同的挖土方式，影響它們的因素有很多，不僅與工程所在地的地質(zhì)條件和水文條件有關(guān)，還與基坑周邊建（構(gòu)）筑物和地下管線的位置、走向、等級以及重要性等有關(guān)。在高敏感的中心城區(qū)，必須把確保被保護目標(biāo)和基坑本身結(jié)構(gòu)的安全放在同樣重要的地位。由于基坑周圍環(huán)境不同，保護要求不同，故很難對支護結(jié)構(gòu)變形限值作統(tǒng)一規(guī)定。

3）綜合性。深基坑工程包括巖土、結(jié)構(gòu)、材料及施工等的相互交叉，牽涉面廣，合理的支護體系設(shè)計和開挖施工組織是成功的先決條件，需要結(jié)合多方面因素綜合考慮。目前，關(guān)于深基坑的理論存在一定的局限性，需要不斷研究、不斷完善。

4）環(huán)境效應(yīng)。深基坑開挖時對原狀土體平衡狀態(tài)產(chǎn)生很大影響，一定會導(dǎo)致周圍地基地下水位的變化和應(yīng)力場的改變，進而引起周圍地基土體發(fā)生變形，并對周圍影響區(qū)的建（構(gòu)）筑物和地下管線產(chǎn)生不同影響，嚴(yán)重的會帶來安全隱患或事故。

2.2 軟土深基坑的位移變形原因分析

大量的研究和實踐表明，飽和軟土深基坑施工更容易產(chǎn)生大的變形，主要原因有：

1）飽和軟土特性。上海是一種典型的沖擊平原，地下數(shù)十米范圍內(nèi)基本為軟黏土，相比其他類型土，這些土層具有高黏粒含量、高含水量、大孔隙比和高壓縮性，其抗剪強度更低，往往呈軟塑或者流塑態(tài)，固結(jié)速率很慢，有效應(yīng)力增長緩慢，地基強度增長也十分緩慢，當(dāng)土體受到外界擾動后，需要更長的時間重新固結(jié)穩(wěn)定。

2）土體微結(jié)構(gòu)變化。當(dāng)土體受到外界因素如應(yīng)力、溫度、振動、化學(xué)環(huán)境等變化的影響，相較于土體層理、裂隙等宏觀特征，土體當(dāng)中的微觀結(jié)構(gòu)率先發(fā)生變化，例如膠結(jié)物質(zhì)破壞、土顆粒簇破碎等，土體結(jié)構(gòu)性逐漸喪失，等這種變化累積到一定程度后，就會產(chǎn)生層理錯位、裂隙擴大等宏觀上的變化。

3）深大基坑的卸荷特性。大量的工程實踐表明，與窄基坑相比，深大基坑更容易引起周圍地表沉降，其影響范圍和最大沉降量將顯著增大，其影響的距離也成倍增大（圖1），可見，深大基坑引起周圍土體沉降的程度和范圍都明顯大于窄基坑。依據(jù)巖土深層滑移理論，在窄基坑中，由于開挖的寬度較小，無法形成完整的滑移帶，其基坑開挖產(chǎn)生的影響較小；而在深大基坑中，隨著開挖寬度和深度的擴大，其深層土體滑移帶也隨之發(fā)育，直到最終形成，其影響程度和范圍也顯著增大。

圖1 深大基坑和窄基坑的卸荷變形曲線對比

4）基坑降水的影響。土體是由土顆粒、液氣態(tài)水、空氣等組成的混合物。水位較高環(huán)境下開挖施工基坑時，地下水流場被切斷，在基坑四周都存在很大的水力梯度，地下水會不斷地滲流入基坑，可能引起流砂、管涌和邊坡失穩(wěn)等現(xiàn)象，使現(xiàn)場施工條件變差，地基承載力下降。因此，為確保深基坑施工安全，必須采取有效的降水和排水措施。大量的深大基坑工程實踐表明，如果基坑的降水和排水措施不當(dāng)，會對基坑周邊環(huán)境產(chǎn)生很大影響。

2.3 精細化變形控制技術(shù)

大量的工程實踐和研究結(jié)果告訴我們，在軟土地區(qū)，受深大基坑結(jié)構(gòu)降水、開挖施工等活動擾動的坑周土體，從最初變形到最終固結(jié)穩(wěn)定一般需要經(jīng)過2年甚至更長的時間；而且，受擾動產(chǎn)生的變形越大，最終固結(jié)穩(wěn)定的時間也越長。隨著中心城區(qū)的環(huán)境越來越復(fù)雜，敏感目標(biāo)越來越多，基坑施工對周邊產(chǎn)生的影響要求也愈發(fā)嚴(yán)苛。如：為了保障地鐵營運安全，上海就對地鐵沿線的基坑施工提出了綜合絕對變形量（沉降、隆起、水平位移）小于10 mm的毫米級控制要求，有些特殊場合變形要求更高?；谏鲜鲆螅疚奶岢隽松畲筌浲粱泳毣⒆冃慰刂萍夹g(shù)，通過設(shè)計新的施工工藝，開發(fā)新的精細化變形控制技術(shù)裝備，在確?；颖旧斫Y(jié)構(gòu)安全的同時，盡量減少對周圍保護目標(biāo)和周邊環(huán)境的不利影響。

3 深大基坑微變形控制關(guān)鍵技術(shù)

3.1 分區(qū)、分塊施工工藝

根據(jù)巖土深層滑移理論和大量工程實踐結(jié)果，針對深大基坑深層滑移帶產(chǎn)生、發(fā)育、最終形成特點，處于敏感地區(qū)的深大基坑，在充分考慮場地條件和被保護目標(biāo)布局的情況下，可將其分成一個較大基坑和若干個小基坑。其中，較大基坑一般遠離保護目標(biāo)、位于中心位置，根據(jù)需要還可以進一步細分（圖2）；而小基坑緊鄰周邊保護目標(biāo)且被設(shè)計成窄條形，其寬度一般控制在20 m之內(nèi)。通常遠離被保護目標(biāo)的較大基坑最先開挖，盡可能使坑周被保護目標(biāo)處在較大基坑開挖影響范圍之外，避免被保護目標(biāo)受到擾動；緊鄰周邊被保護目標(biāo)的小基坑后開挖，小基坑較小的尺寸可以限制深層土體滑移帶的發(fā)育和形成，同時輔以分層分段開挖、快速形成支撐等有效的變形控制措施來滿足基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形要求。

3.2 基于軟土流變特性的土體加固和精準(zhǔn)開挖支撐施工工藝

針對軟土的軟塑和流塑特性，依據(jù)工程勘察資料和實際工程實踐經(jīng)驗，借鑒隧道開挖提前注漿加固的方法，基坑開挖前，在需要臨時加固的區(qū)域采用提前注漿等加固方法，提高坑周土體的密實度和穩(wěn)定性。與此同時，根據(jù)軟土的塑流變特性和時空效應(yīng)機理，對基坑采取分層分塊、快速開挖、開挖一段支撐一段的措施，減少基坑暴露時間，縮短基坑平衡力系建立時間，控制基坑的變形（圖3）。每分段長度通常按1～2個同層水平支撐間距確定，為3～8 m；每層厚度通常按支撐豎向間距確定，為3～4 m，每段開挖和支撐形成時間嚴(yán)格限制，一般控制在12 h內(nèi)。

圖2 上海某工程基坑分區(qū)示意

圖3 狹窄基坑開挖縱剖面示意

3.3 基坑鋼支撐軸力實時補償系統(tǒng)

隨著外界環(huán)境的變化和基坑開挖的進行，基坑鋼支撐軸力一直處在動態(tài)變化的狀態(tài)中，為了克服傳統(tǒng)鋼支撐存在的技術(shù)缺陷，借鑒自動控制理論，將液壓自動伺服控制系統(tǒng)應(yīng)用于深基坑鋼支撐的軸力控制中。通過實時監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)壓力并比較設(shè)定壓力的差值，通過既定壓力和支撐軸力之間的響應(yīng)關(guān)系，對鋼支撐軸力進行診斷，并根據(jù)診斷結(jié)果作出相對應(yīng)的軸力調(diào)節(jié)，實現(xiàn)主動加壓調(diào)控變形，確保深基坑邊所需保護建（構(gòu)）筑物的安全[3-4]。

3.4 基于深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形和支撐軸力的微變形控制系統(tǒng)

由于地質(zhì)條件錯綜復(fù)雜，截至目前，都沒有一種成熟理論能夠解釋所有的基坑變形，基坑圍護結(jié)構(gòu)位移變形與支撐軸力之間的響應(yīng)關(guān)系也是非線性的，很難通過支撐軸力對基坑圍護結(jié)構(gòu)進行精確控制。本系統(tǒng)是在基坑鋼支撐軸力實時補償系統(tǒng)的基礎(chǔ)發(fā)展而來，通過成串的探頭組成基坑圍護結(jié)構(gòu)實時監(jiān)測系統(tǒng)（圖4）。該實時監(jiān)測系統(tǒng)可以對基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移進行實時監(jiān)測，運用曲線、曲面擬合，分析圍護結(jié)構(gòu)的實時變形狀態(tài)和發(fā)展趨勢，同時將變形狀態(tài)與規(guī)范或者變形控制要求進行比對，再將比對結(jié)果反饋給中央處理器。若圍護結(jié)構(gòu)的變形已經(jīng)超過控制要求或者有超過的趨勢，中央處理器給支撐軸力補償系統(tǒng)發(fā)出軸力調(diào)整信號，控制圍護結(jié)構(gòu)變形或者阻止變形趨勢進一步發(fā)展，同時實時監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測圍護結(jié)構(gòu)變形，驗證基坑變形的控制效果，從而實現(xiàn)對基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的閉環(huán)控制，使得變形始終處于安全合理的范圍之內(nèi)，達到基坑變形小于5 mm的毫米級微變形控制要求（圖5）。

圖4 實時監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

圖5 基于深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的微變形控制系統(tǒng)原理

3.5 深基坑微變形遠程智能可視化管理平臺

為了實現(xiàn)深基坑工程多任務(wù)、多目標(biāo)、多層級的實時監(jiān)控目標(biāo)，確保深基坑工程本身結(jié)構(gòu)的安全和周圍敏感目標(biāo)的正常使用，本系統(tǒng)在傳統(tǒng)現(xiàn)場單一控制的基礎(chǔ)上，研發(fā)了一套多任務(wù)、多終端的遠程綜合管理平臺。該平臺系統(tǒng)可以同時管理多個項目，并可以對已完成的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)分析，為后續(xù)類似工程提供科學(xué)參考（圖6）。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

上海靜安區(qū)312街坊33丘地塊項目北鄰上海馬戲城、南鄰大寧路、西鄰東方明珠大寧公寓、東鄰共和新路，基坑1區(qū)、2-1區(qū)、2-2區(qū)、3-1區(qū)、4-1區(qū)中間連成一個整體，其中3-2區(qū)、4-2區(qū)、4-3區(qū)距離建筑物邊線只有約10 m，5區(qū)、6區(qū)、7區(qū)、8區(qū)的基坑長度近200 m，距離運行地鐵線平均約7.5 m（圖7）。為確保建筑物和運行地鐵生命線的安全，項目采用基坑微變形控制技術(shù)，工程需對3-2區(qū)72根、4-2區(qū)66根、4-3區(qū)66根、5區(qū)36根、6區(qū)30根、7區(qū)36根、8區(qū)30根以及臨時鋼管換撐136根等共計472根支撐使用基坑微變形控制技術(shù)，從而對基坑及基坑群的施工進行微變形的精準(zhǔn)控制，確保地鐵生命線及建筑物的安全。

圖6 深基坑微變形遠程管理平臺

圖7 工程基坑平面示意

4.2 實施效果

通過采用分區(qū)、分塊施工以及部分逆作法施工工藝，運用基于深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的微變形控制系統(tǒng)，經(jīng)第三方監(jiān)測機構(gòu)檢測，深基坑圍護體結(jié)構(gòu)的最大位移變形小于10 mm，基坑邊保護建筑的位移均控制在5 mm之內(nèi)，實現(xiàn)對基坑施工及保護建筑的雙毫米級高精度微變形控制（圖8、圖9）[5-6]。

圖8 基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移

圖9 基坑周圍主要監(jiān)測點的沉降量

5 結(jié)語

隨著城市的發(fā)展，建（構(gòu)）筑物的基礎(chǔ)向深而大的方向發(fā)展，而且基坑邊的環(huán)境日趨復(fù)雜，對基坑工程施工提出了更為嚴(yán)格的要求。本文是基于多年來上海地區(qū)數(shù)十個工程實踐經(jīng)驗，從理論研究出發(fā)，以施工工藝為先導(dǎo)，以重大技術(shù)裝備和關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新為核心，形成了一整套軟土地區(qū)敏感環(huán)境下深大基坑變形控制技術(shù)體系，包括2套施工工藝和2套變形控制系統(tǒng)。施工工藝分別是分區(qū)、分塊施工工藝和基于軟土流變特性的土體加固和精準(zhǔn)開挖支撐施工工藝；控制系統(tǒng)分別是基坑鋼支撐軸力實時補償系統(tǒng)和基于深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形的微變形控制系統(tǒng)。通過在數(shù)個工程中的應(yīng)用，證明了在軟土地區(qū)采用深大基坑微變形控制技術(shù)體系能夠有效控制基坑的變形，很好地保證了基坑周邊保證目標(biāo)和周圍環(huán)境的安全。