考慮時(shí)空效應(yīng)軟土地區(qū)深基坑開(kāi)挖變形分析

陳 濤 宋 靜 翟 超

（1.天津市勘察院，天津 300191；2.昆山市財(cái)政局，江蘇昆山 215300）

0 引言

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，基坑工程日漸增多，且規(guī)模越來(lái)越大，在深度、面積上不斷有新的增長(zhǎng)，伴隨著基坑體積的增大，其周邊環(huán)境也日益復(fù)雜[1-2]，這就要求在基坑施工過(guò)程中，需要密切關(guān)注基坑的變形情況[3]，將基坑施工的安全狀況擺在首要位置。通過(guò)基坑變形的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的變形狀況進(jìn)行了解并對(duì)其變形規(guī)律進(jìn)行研究[4-5]，可以有效地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。目前，許多學(xué)者針對(duì)基坑施工過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境的變形進(jìn)行了相關(guān)研究。李鏡培等[6]以上海五坊園基坑工程為例，對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中所具有的空間效應(yīng)進(jìn)行研究，分析了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、支撐軸力等的變化規(guī)律。歸浩杰[7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)基坑圍護(hù)墻體變形、周邊地表沉降等進(jìn)行了歸納總結(jié)。章 新等[8]以南京某基坑工程為例，采用數(shù)值模擬方法對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行計(jì)算，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)了開(kāi)口環(huán)形基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的規(guī)律。周冠南[9]依托寧波地鐵1號(hào)線(xiàn)東門(mén)口站深基坑工程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)逆作開(kāi)挖基坑的時(shí)空效應(yīng)進(jìn)行研究。

本文以天津軟土地區(qū)某深基坑工程為背景，對(duì)其開(kāi)挖施工過(guò)程中支護(hù)樁深層水平位移、支護(hù)樁頂部豎向位移、周邊建筑豎向位移以及周邊地表豎向位移的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)其變形規(guī)律，并結(jié)合數(shù)據(jù)分析基坑不同位置監(jiān)測(cè)點(diǎn)所受到的時(shí)空效應(yīng)的影響，為類(lèi)似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

天津市區(qū)某深基坑工程，總用地面積約108775 m2，總建筑面積約309000 m2，基坑開(kāi)挖面積約95285 m2，周長(zhǎng)約1232 m。項(xiàng)目整體分為住宅部分和商業(yè)部分，均為地下二層，基坑最大開(kāi)挖深度約11.7 m，采用明挖順做法施工?；?xùn)|側(cè)為現(xiàn)有道路，南側(cè)鄰近海河，西側(cè)緊鄰居民區(qū)，北側(cè)為現(xiàn)狀空地。由于西側(cè)緊鄰居民小區(qū)建筑群，基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中，需要對(duì)鄰近建筑的沉降進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。基坑平面分區(qū)見(jiàn)圖1，場(chǎng)地內(nèi)土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)表

2 施工方案及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

基坑整體施工順序?yàn)橛赡舷虮币来芜M(jìn)行開(kāi)挖，采用鉆孔灌注樁與局部放坡相結(jié)合的支護(hù)方式，在基坑?xùn)|南角和西南角分別設(shè)置一道鋼筋混凝土角撐，支撐中心標(biāo)高為-3.400 m，基坑土方共分三步進(jìn)行開(kāi)挖，各步土方分別開(kāi)挖至-3.8 m、-8.3 m、-12.5 m，基坑平面圖見(jiàn)圖1（含監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)），基坑支護(hù)剖面圖見(jiàn)圖2。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度，將基坑施工分為五種工況，具體工況說(shuō)明見(jiàn)表2。在基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的位移能夠直接反應(yīng)出基坑的安全穩(wěn)定狀況，文中選取支護(hù)樁深層水平位移、支護(hù)樁頂部豎向位移、周邊建筑豎向位移以及周邊地表豎向位移的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50497—2009）[10]，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目所使用儀器及監(jiān)測(cè)報(bào)警值見(jiàn)表3。

圖1 基坑平面及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2 基坑支護(hù)剖面圖（單位：mm）

表2 施工工況

表3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一覽表

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)基坑現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，基坑南側(cè)鄰近海河，西側(cè)緊鄰既有居民區(qū)建筑，因而重點(diǎn)對(duì)基坑南側(cè)和西側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化情況進(jìn)行分析研究，其中，支護(hù)樁深層水平位移，正值表示向基坑內(nèi)側(cè)，負(fù)值表示向基坑外側(cè)；支護(hù)樁頂部、周邊建筑、周邊地表豎向位移，正值表示上升，負(fù)值表示下降。

3.1 支護(hù)樁深層水平位移

選取基坑具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)CX9、CX11、CX14的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，具體結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，隨著基坑開(kāi)挖施工的進(jìn)行，支護(hù)樁深層水平位移逐漸增大，方向?yàn)橄蚧觾?nèi)側(cè)，最大水平位移點(diǎn)逐漸下移，基本出現(xiàn)在開(kāi)挖面附近，整體呈中間大、兩端小的“鼓肚”狀變化。

CX9位于基坑南側(cè)中點(diǎn)，由于基坑施工采用由南向北的土方開(kāi)挖順序，因而南側(cè)支護(hù)樁的變形所受到的時(shí)間、空間效應(yīng)影響最明顯，其水平位移也最大，工況1—工況5下水平位移最大值分別為15.24 mm、27.51 mm、43.11 mm、54.82 mm、57.73 mm，在工況3時(shí)，水平位移已接近報(bào)警值，工況4、5時(shí)，水平位移最大值已超過(guò)報(bào)警值。至工況5地下主體結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，最大水平位移值與基坑開(kāi)挖深度的相對(duì)比值約為0.49%。CX14位于基坑西側(cè)基坑最長(zhǎng)邊的中點(diǎn)，與南側(cè)相比，其長(zhǎng)度較長(zhǎng)，空間效應(yīng)明顯，但受開(kāi)挖順序的影響，其時(shí)間效應(yīng)較CX9弱，從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，其時(shí)空效應(yīng)的綜合影響比CX9弱，至地下結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，其最大水平位移為36.51 mm，未超過(guò)報(bào)警值，與開(kāi)挖深度相對(duì)比值約為0.31%。CX11位于基坑西南角，各工況下，其水平位移值均較小，空間拱角效應(yīng)明顯，至地下結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，其水平位移最大值為29.04 mm，未超過(guò)報(bào)警值，與基坑開(kāi)挖深度相對(duì)比值約為0.25%。

圖3 支護(hù)樁深層水平位移曲線(xiàn)

由圖3還可以看出，工況3時(shí)支護(hù)樁水平位移增量較大，主要是因?yàn)榛拥谌酵练介_(kāi)挖時(shí)，其深度較深，并且施工工期較長(zhǎng)，因而水平位移增量也較大。在基坑底板施工完成后，因底板對(duì)支護(hù)樁具有一定的約束作用，所以水平位移增量較小。

3.2 支護(hù)樁頂部豎向位移

選取基坑南側(cè)和西側(cè)典型支護(hù)樁頂部豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)JC13、JC17、JC21、JC26、JC33的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 支護(hù)樁頂部豎向位移曲線(xiàn)

由圖4可以看出，隨著土方開(kāi)挖的進(jìn)行，支護(hù)樁頂部豎向位移逐漸增大，至基坑底板施工完成后，位移增量變小，趨于穩(wěn)定，開(kāi)挖卸荷過(guò)程中，支護(hù)樁產(chǎn)生向上的回彈。基坑采用由南向北的開(kāi)挖順序，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)具有明顯的時(shí)空效應(yīng)。基坑南側(cè)中點(diǎn)JC17時(shí)間、空間效應(yīng)最明顯，其回彈量也最大，至工況4、5時(shí)，其豎向位移最大值分別為23.3 mm、24.5 mm，已超出報(bào)警值。西側(cè)JC26監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于基坑最大邊長(zhǎng)中點(diǎn)處，其空間效應(yīng)較明顯，綜合而言，其空間效應(yīng)較JC17弱，因而其豎向位移較JC17小，至工況5地下結(jié)構(gòu)施工完畢時(shí)，支護(hù)樁豎向位移為19.2 mm，已接近報(bào)警值。JC13、JC21分別位于基坑?xùn)|南角和西南角，其所受到的空間拱角效應(yīng)較明顯，因而豎向位移值也較小。JC33位于基坑西北角，由于基坑由南向北開(kāi)挖，同時(shí)受拱角效應(yīng)影響，其所受時(shí)空效應(yīng)影響最弱，豎向位移也最小，至工況5地下結(jié)構(gòu)施工完畢時(shí)，其豎向位移最大值為10.7 mm，未超過(guò)報(bào)警值。

3.3 周邊建筑豎向位移

選取具有代表性的建筑1#、5#及12#樓豎向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5基坑周邊1#和5#樓豎向位移現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，1#樓位于基坑西南角，受拱角效應(yīng)影響，其受到的空間效應(yīng)影響較弱，豎向位移值較小，根據(jù)布點(diǎn)圖所示布點(diǎn)位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)似對(duì)稱(chēng)性，因而圖5所示豎向位移值也具有大概的對(duì)稱(chēng)性，與基坑距離最近的C1--3、C1--4的位移值最大，工況5時(shí)，分別為-20.6 mm、-19.8 mm，距離基坑最遠(yuǎn)的C1--1、C1--6位移值最小，工況5時(shí)，分別為-12.5 mm、-11.6 mm，均未超過(guò)報(bào)警值。5#樓位置對(duì)應(yīng)于基坑西側(cè)中點(diǎn)處，其受到的空間效應(yīng)影響比1#樓大，其豎向位移值也較大，與1#樓類(lèi)似，距離基坑最近的C5--5、C5--6位置值最大，工況5時(shí)，分別為-26.4 mm、-25.9 mm，距離基坑最遠(yuǎn)的C5--1、C5--10的位移值最小，工況5時(shí)，分別為-15.4 mm、-14.8 mm，均未超過(guò)報(bào)警值。12#樓位于基坑北側(cè)，受土方開(kāi)挖順序影響，各層土方開(kāi)挖時(shí)，北側(cè)均為最后開(kāi)挖，其受到的時(shí)空效應(yīng)影響最小，位移也最小，至基坑底板施工完成時(shí)，其位移最大值為-11.5 mm，未超過(guò)報(bào)警值。

圖5 周邊建筑豎向位移曲線(xiàn)

3.4 周邊地表豎向位移

選取西側(cè)典型斷面DB1、DB2及DB6監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其中，每個(gè)斷面共5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，第1～5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離基坑邊距離分別為1 m、2 m、3 m、5 m和7 m，結(jié)果見(jiàn)圖6。

周邊地表DB1、DB2斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置分別與1#樓和5#樓鄰近，根據(jù)圖6所示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，在基坑施工過(guò)程中，均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，且隨著基坑施工的進(jìn)行，位移值逐漸增大，至基坑底板施工完成后，位移值趨于穩(wěn)定。受空間位置及開(kāi)挖順序的影響，DB1時(shí)空效應(yīng)的影響整體小于DB2，至基坑底板施工完成時(shí)，DB1斷面中，豎向位移最大值出現(xiàn)在DB1--3監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即距離基坑邊6 m處，約為0.51H（H為基坑開(kāi)挖深度，本工程H=11.7 m），至地下結(jié)構(gòu)施工完畢時(shí)，其豎向位移值為-18.3 mm，約為0.16H%；DB2斷面中，豎向位移最大值出現(xiàn)在DB2--3監(jiān)測(cè)點(diǎn)，也是距離基坑邊6 m處，至地下結(jié)構(gòu)施工完畢時(shí)，其豎向位移值為-22.7 mm，約為0.19H%。DB6位于基坑北側(cè)，基坑土方開(kāi)挖順序?yàn)橛赡舷虮?，北?cè)最后開(kāi)挖，DB6監(jiān)測(cè)點(diǎn)所受到的時(shí)空效應(yīng)的影響最小，故位移也最小，位移最大值出現(xiàn)在距離基坑邊6 m處，至工況5時(shí)，DB6--3最大位移值為-11.2 mm，約為0.10H%。

4 支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施

根據(jù)支護(hù)樁深層水平位移現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，CX9最大水平位移值已超過(guò)報(bào)警值，分析認(rèn)為與基坑支護(hù)形式有密切關(guān)系，基坑?xùn)|南角、西南角的局部角撐結(jié)合灌注樁的支護(hù)方式在設(shè)計(jì)上有所不足，未充分考慮基坑開(kāi)挖方式、土體暴露時(shí)間等因素的影響，且當(dāng)樁體水平位移較大時(shí)，未采取適當(dāng)措施抑制此位移的繼續(xù)發(fā)展，因此需對(duì)原設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，考慮到基坑開(kāi)挖時(shí)間長(zhǎng)，施工面積大，且開(kāi)挖順序?yàn)橛赡舷虮?，其西?cè)緊鄰居民建筑群，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)情況，建議在基坑南側(cè)和西側(cè)采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，此種支護(hù)形式可以在一定程度上起到基坑內(nèi)支撐的作用，同時(shí)給予樁體錨拉力以減小支護(hù)樁體的位移。

5 結(jié)論

本文以天津某深基坑工程為背景，對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中支護(hù)樁深層水平位移、支護(hù)樁頂部豎向位移、周邊建筑豎向位移以及周邊地表豎向位移的變化情況進(jìn)行總結(jié)，對(duì)其所受時(shí)空效應(yīng)的影響進(jìn)行分析，主要得出以下結(jié)論：

1）基坑開(kāi)挖對(duì)支護(hù)樁位移、周邊環(huán)境位移受空間效應(yīng)影響顯著，基坑邊長(zhǎng)中點(diǎn)的位移較大，角點(diǎn)的位移由于具有明顯的空間拱角效應(yīng)，位移較小。

2）基坑施工過(guò)程中，支護(hù)樁以及周邊環(huán)境位移具有明顯的時(shí)間效應(yīng)，基坑開(kāi)挖順序?yàn)橛赡舷虮?，南?cè)土體最先開(kāi)挖，因而南側(cè)支護(hù)樁及周邊環(huán)境的位移較大，北側(cè)較小，施工過(guò)程中，因注意較大變形部位位移的變化情況。

（3）周邊地表豎向位移隨著基坑開(kāi)挖深度的增加而逐漸增大，時(shí)空效應(yīng)明顯，各斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移變化曲線(xiàn)基本呈盆狀，最大值出現(xiàn)在距離基坑邊6 m處，約為0.51H，地下結(jié)構(gòu)施工完成時(shí)，DB1、DB2、DB6位移最大值分別為0.16H%、0.19H%、0.10H%。

（4）CX9監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于基坑南側(cè)中點(diǎn)，且南側(cè)最先開(kāi)挖，在工況3時(shí)，最大水平位移已接近報(bào)警值，工況4、5時(shí)，已超過(guò)報(bào)警值，這與基坑的支護(hù)形式、開(kāi)挖順序以及開(kāi)挖后土體的暴露時(shí)間有直接關(guān)系，提出對(duì)原設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，建議在基坑南側(cè)和西側(cè)采用樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)以減小樁體水平位移，為類(lèi)似工程設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化提供參考。