基坑開挖對圍護結(jié)構(gòu)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(shè)計研究院，廣東 廣州 510000)

隨著城市群的建設(shè)和發(fā)展，地域發(fā)展與水資源需求不平衡問題日益凸顯，引調(diào)水工程是實現(xiàn)水資源分配的重要手段。近年來國家大力投入建設(shè)引調(diào)水工程，基坑是引調(diào)水工程建設(shè)中很重要的臨時性工程，決定了盾構(gòu)能否順利掘進?；庸こ淌且豁椛婕笆┕ぁ⒘W、地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)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(shù)有長足的發(fā)展，但由于其理論計算和施工技術(shù)復(fù)雜，影響因素眾多，導(dǎo)致全國各地因為基坑的安全問題造成人員傷亡和經(jīng)濟損失的事故時有發(fā)生。

由于基坑工程的復(fù)雜性，國內(nèi)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(qū)擋土結(jié)構(gòu)、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(yù)測模型對基坑監(jiān)測預(yù)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(jù)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(qū)基坑開挖研究，提出坑外土體位移臨界面、傳導(dǎo)路徑及傳導(dǎo)曲線斜率的概念，且臨界面處于動態(tài)變化過程。對基坑施工過程中的安全監(jiān)測是消除危險因素，防范基坑安全事故發(fā)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(jù)現(xiàn)場基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，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(fā)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(xù)墻加砼內(nèi)襯墻支護方案。

現(xiàn)狀地面為荒地及魚塘，地表高程1.0 m～3.0 m。根據(jù)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(zhì)黏土、淤質(zhì)粉細砂及泥質(zhì)細沙層，往下為基巖，為泥質(zhì)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(wěn)能力差，工程地質(zhì)條件較差，下部及井底為弱風化泥質(zhì)砂礫巖，巖質(zhì)較硬，弱透水，工程地質(zhì)條件較好。

1.2 監(jiān)測設(shè)計方案

基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計為：地下連續(xù)墻墻厚1.0 m，嵌入井底，逆作法內(nèi)襯墻厚1.2 m～1.5 m，襯砌后內(nèi)直徑分別為27.4 m和26.8 m。監(jiān)測內(nèi)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(jiān)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(jiān)測平面布置圖

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)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(nèi)外壓力差引起坑外土體對圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生力的作用，使得圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生向坑內(nèi)的側(cè)向變形?？舆呁馏w的側(cè)向變形與支護結(jié)構(gòu)體變形相似[11]，因此地下連續(xù)墻的深層水平位移能間接反映坑邊土體的側(cè)向變形規(guī)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(cè)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(guī)范規(guī)定的20 mm預(yù)警值，說明基坑圍護結(jié)構(gòu)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(fā)展。這是由于基坑開挖過程中，坑內(nèi)土體被卸載，原有土體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，應(yīng)力重分配。由于坑內(nèi)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(jié)構(gòu)兩側(cè)產(chǎn)生的壓差導(dǎo)致土體發(fā)生水平位移，圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形。隨著基坑開挖的進行，坑外土體對圍護結(jié)構(gòu)的主動土壓力隨著開挖深度逐漸變大，坑內(nèi)地層的抗壓能力也隨著開挖深度逐漸變大，坑內(nèi)外壓力差最大值發(fā)生在開挖面附近，因此最大側(cè)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(guān)系折線圖

(b)LD3測軸周邊土體沉降隨時間變化關(guān)系折線圖

LD1-1和LD3-1測點位于連續(xù)墻壓頂梁上，沉降變形相對比較穩(wěn)定，沉降主要發(fā)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(fā)生沉降，在某個階段幾乎所有測點沉降速度都加快，經(jīng)過對比周邊地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)，該階段曾發(fā)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(jié)構(gòu)發(fā)生滲漏水，使得基坑外土層含水量急劇減少，地層產(chǎn)生固結(jié)或次固結(jié)，導(dǎo)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(jié)構(gòu)變形趨于穩(wěn)定，周邊土體地表沉降也趨于穩(wěn)定。

(a)LD1測軸周邊地表沉降隨空間變化關(guān)系折線圖

(b)LD3測軸周邊地表沉降隨空間變化關(guān)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(xiàn)雙峰值，第一個峰值出現(xiàn)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(shù)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(xiàn)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(fā)展到LD3-4位置。監(jiān)測數(shù)據(jù)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(jié)果與Ou[12]等學者研究分析的結(jié)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(guī)范規(guī)定的預(yù)警值，說明基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

3 結(jié)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(cè)向變形點位置處于動態(tài)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(fā)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(wěn)定。土體的沉降與基坑降水有關(guān)，由于圍護結(jié)構(gòu)發(fā)生滲漏水導(dǎo)致地下水位驟降，土體發(fā)生應(yīng)力重分布是坑外土體沉降的主要原因，所以施工過程中應(yīng)密切關(guān)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(fā)展，最后變形曲線呈單峰值狀態(tài)，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(guī)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(shù)和措施、開挖進度、圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計、周邊建筑物類型、地質(zhì)等因素，未能通過數(shù)學方式進行定量化的描述和預(yù)測，這也是接下來有待進一步研究的問題。