基坑開挖過程中變形監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)的動(dòng)態(tài)確定

周 剛，張 丹，商兆濤，余躍程，王堡生，張振華，盧坤林

(1.蕪湖市軌道(隧道)交通工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，安徽蕪湖 241000；2.合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

隨著城市地下空間的開發(fā)，出現(xiàn)了大量基坑工程?；庸こ淘谑┕み^程中，為掌握其穩(wěn)定性狀態(tài)，常采用監(jiān)測(cè)預(yù)警措施對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)有效地整理和分析，確定其是否安全。目前，對(duì)基坑變形監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)的確定，多數(shù)城市是根據(jù)當(dāng)?shù)販y(cè)量的數(shù)據(jù)給一固定值，如廣東、上海、深圳等地區(qū)的設(shè)計(jì)規(guī)程和技術(shù)規(guī)范中給出了其相應(yīng)的固定值；宋建學(xué)等根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)行規(guī)范并結(jié)合區(qū)域經(jīng)驗(yàn)，提出了河南省基坑變形監(jiān)測(cè)的預(yù)警指標(biāo)；喻軍等對(duì)杭州地區(qū)大量基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到支護(hù)結(jié)構(gòu)變形與地面沉降和變形值，根據(jù)基坑的重要性和周圍建筑物重要程度分級(jí)確定基坑變形的控制值，以此作為基坑監(jiān)測(cè)預(yù)警值。但是，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或規(guī)范得到的基坑監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)不能反映基坑分層開挖的動(dòng)態(tài)變形破壞特征。此外，每個(gè)基坑工程的地層條件、規(guī)模以及開挖方式會(huì)有所不同，其變形監(jiān)測(cè)預(yù)警值應(yīng)不同，采用經(jīng)驗(yàn)或規(guī)范確定的基坑預(yù)警指標(biāo)不確定性很大。鑒于此，以蕪湖城南過江隧道基坑工程為例，綜合考慮對(duì)基坑變形破壞的影響因素，提出一種確定基坑開挖過程中變形監(jiān)測(cè)預(yù)警動(dòng)態(tài)指標(biāo)的方法，以期為該工程或該地區(qū)類似基坑工程監(jiān)測(cè)預(yù)警值的確定提供參考。

1 基坑工程概況及其變形破壞關(guān)鍵影響因素

1.1 工程概況

蕪湖城南過江隧道江北工作井為盾構(gòu)始發(fā)井，采用明挖順作法，分5層開挖，合計(jì)總長65.5 m，基坑開挖寬度在31.77～43.40 m，深度在22.08～27.20 m。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，支護(hù)方案采用地下連續(xù)墻、鋼筋砼內(nèi)支撐、鋼管內(nèi)支撐、鋼筋砼頂圈梁、三軸攪拌樁的支護(hù)形式。

本區(qū)地層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，地層上部為人工填土、第四系松散沉積物、下伏白堊系、侏羅系基巖。陸域鉆孔揭露的基巖風(fēng)化起伏較平緩，無為岸(北岸)為白堊系粉砂巖、灰白色石英砂巖，呈互層狀分布，第四系松散沉積物無為岸(北岸)為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、粉土等，厚度30～50 m；蕪湖岸（南岸）為淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土等，厚度30～40 m，蕪湖岸（南岸）為侏羅系凝灰角礫巖，場(chǎng)區(qū)地層分布(見圖1)。擬建場(chǎng)地緊臨長江北岸，地下水豐富，賦存于粉細(xì)砂層中，水位、水量受控于江水補(bǔ)給，近長江處水位隨江水位變化明顯。

圖1 場(chǎng)區(qū)地層分布Fig.1 Site stratum distribution

1.2 基坑變形破壞關(guān)鍵影響因素

基坑工程所處環(huán)境復(fù)雜，所受影響因素多。根據(jù)對(duì)已有基坑工程事故和國內(nèi)外學(xué)者對(duì)基坑穩(wěn)定性的研究，影響基坑變形破壞的主要因素有支護(hù)剛度、大氣降雨、開挖卸荷、地下水滲流、巖土體強(qiáng)度等。蕪湖城南過江隧道基坑工程臨近長江，受地下水影響大，地層分布復(fù)雜，有淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等軟土，軟土具有較高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強(qiáng)度等性質(zhì)，為不良地層。當(dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，基坑周圍土體含水率隨之增加，導(dǎo)致地層強(qiáng)度劣化，影響基坑周圍土體骨架的變形，使基坑的穩(wěn)定性發(fā)生變化；地下水水位變化引起的滲透力作用使基坑周圍土體產(chǎn)生一定變形，對(duì)基坑的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此，地下水對(duì)土體的劣化作用和地下水滲透作用是蕪湖城南過江隧道基坑開挖工程中重點(diǎn)關(guān)注的因素。

2 基坑工程變形控制指標(biāo)的確定

2.1 室內(nèi)試驗(yàn)

鉆取蕪湖城南過江隧道基坑工程場(chǎng)區(qū)土樣，測(cè)得其含水率為7.12%。

2.1.1 X射線衍射試驗(yàn)

采用合肥工業(yè)大學(xué)分析測(cè)試中心的荷蘭帕納科(X’Pert PRO MPD)的X射線衍射儀(X ray diffractometer，XRD)測(cè)試工基坑工程場(chǎng)區(qū)原狀土樣的XRD 圖譜，利用MDI Jade 6 軟件分析土樣的XRD圖譜，獲得土樣的礦物組成成分，結(jié)果見圖2。由圖2 可看出，場(chǎng)區(qū)土樣主要由石英、長石、伊利石以及高嶺石連接在一起組成。一方面，蕪湖城南隧道基坑工程緊鄰長江，土體中的碎屑礦物石英、長石等粗顆粒在水壓力作用下會(huì)造成一定量的流失，使得土體內(nèi)摩擦角減??；另一方面，土樣中黏土礦物(伊利石、高嶺石)表面存在O 及OH 等親水集團(tuán)，能夠與外來的水分子結(jié)合，發(fā)生水化作用，隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，土樣中黏土礦物含量逐漸減少，導(dǎo)致土體黏聚力降低。

圖2 X射線衍射圖譜Fig.2 X ray diffraction patterns

2.1.2 不固結(jié)不排水試驗(yàn)

對(duì)于蕪湖城南過江隧道基坑工程場(chǎng)區(qū)中的土樣，尚缺乏黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含水率劣化程度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用其他地區(qū)的土體試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬會(huì)造成較大誤差。考慮到蕪湖城南過江隧道基坑工程場(chǎng)區(qū)地層含水率受地下水位變化較明顯，對(duì)場(chǎng)區(qū)土樣進(jìn)行不固結(jié)不排水試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)其抗剪強(qiáng)度參數(shù)(黏聚力和內(nèi)摩擦角)隨含水率變化的劣化規(guī)律，為土體強(qiáng)度折減提供依據(jù)。根據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，制備含水率為4%，10%，13%，16%的非飽和土樣，采用抽氣飽和法制備飽和土樣(含水率為30%)，用南京曦土壤儀器有限公司制備的應(yīng)變控制式三軸儀測(cè)試不同含水率土樣的應(yīng)力與應(yīng)變，繪制不同含水率土樣的莫爾圓，得出不同含水率土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角，結(jié)果見圖3，4。

圖3 不同含水率土樣的黏聚力Fig.3 Cohesion of soil samples with different water contents

圖4 不同含水率土樣的內(nèi)摩擦角Fig.4 Internal friction angle of soil sampleswith different water contents

從圖3，4可看出：隨土墻含水率的增加，土墻的黏聚力由16.57 kPa 下降至3.14 kPa，減小了81.05%；土體內(nèi)摩擦角由31.28°下降至23.87°，減小了23.69%。由此可知，含水率對(duì)土樣的黏聚力影響較大，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小。根據(jù)工程地質(zhì)手冊(cè)，含水率的增加會(huì)同時(shí)降低土體模量。因此，對(duì)基坑開挖全過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析時(shí)，將巖土體力學(xué)參數(shù)變形模量

E

、黏聚力

c

按一定的折減系數(shù)

R

折減后作為模型計(jì)算的土體參數(shù)。當(dāng)塑性區(qū)擴(kuò)展較大時(shí)，在折減系數(shù)

R

的基礎(chǔ)上再折減內(nèi)摩擦角，直到基坑達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)；當(dāng)基坑達(dá)到破壞的臨界狀態(tài)，以此時(shí)的地表最大沉降量和支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移作為基坑的變形預(yù)警指標(biāo)。

2.2 數(shù)值模擬條件

為減小邊界范圍選取過小給計(jì)算結(jié)果帶來的誤差，選取基坑工程最大幾何尺寸的3～5倍確定計(jì)算范圍。根據(jù)基坑幾何尺寸，確定端頭井基坑的數(shù)值計(jì)算模型范圍為276 m×200 m×73 m，根據(jù)地質(zhì)勘察資料，選取場(chǎng)區(qū)地層巖土參數(shù)，具體見表1。對(duì)區(qū)間基坑采用八節(jié)點(diǎn)的六面體單元和四節(jié)點(diǎn)的四面體單元進(jìn)行劃分，共劃分386 880 個(gè)單元，389 303 個(gè)節(jié)點(diǎn)(見圖5，6)。其中基坑周邊土體選用理想彈塑性本構(gòu)模型；支撐、地連墻、止水墻及三軸攪拌樁選用線彈性本構(gòu)模型。計(jì)算模型的上表面為自由邊界，4個(gè)側(cè)面和底面為法向約束，地下水位根據(jù)監(jiān)測(cè)資料取最不利水位。采用有限差分軟件FLAC計(jì)算基坑開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及地表沉降，其中每個(gè)折減系數(shù)

R

下的施工工況、土層條件、開挖過程均相同，土層強(qiáng)度和模量根據(jù)初始值和折減系數(shù)確定，折減系數(shù)

R

分別為1.1，1.3，1.6，1.8，1.8，1.8。(注：

R

=1.8是在

R

=1.8的基礎(chǔ)上折減5%的內(nèi)摩擦角；

R

=1.8是在

R

=1.8的基礎(chǔ)上折減10%的內(nèi)摩擦角。)

表1 場(chǎng)區(qū)地層巖土參數(shù)Tab.1 Stratum geotechnical parameters

圖5 基坑整體數(shù)值模擬網(wǎng)格模型Fig.5 Grid model for whole numerical simulation of foundation pit

圖6 基坑支護(hù)構(gòu)件Fig.6 Foundation pit supporting component

2.3 模擬結(jié)果分析

2.3.1 基坑周圍地表沉降量

圖7 為基坑不同開挖工況下地表最大沉降量隨折減系數(shù)的變化曲線。從圖7 可看出：折減系數(shù)

R

=1.1～1.6時(shí)，基坑周圍地表沉降量逐漸增加；折減系數(shù)

R

=1.6～1.8時(shí)，地表沉降略有減小。這是因?yàn)槟M計(jì)算時(shí)對(duì)土體進(jìn)行了變形模量和強(qiáng)度的折減，變形模量折減使土體開挖卸荷效應(yīng)比沉降略大，致使周圍土體最大沉降量略有減小，但其他點(diǎn)沉降量整體趨勢(shì)還是在下降。曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)周圍的土體沉降量急劇增加，基坑有發(fā)生失穩(wěn)的危險(xiǎn)，對(duì)應(yīng)的地表最大累積沉降量：一次開挖14.28 mm，二次開挖16.83 mm，三次開挖20.13 mm，四次開挖25.70 mm，五次開挖25.68 mm。當(dāng)折減系數(shù)

R

=1.8變化為

R

=1.8時(shí)，基坑周圍土體最大沉降量為106.41 mm，此時(shí)土中形成貫通的塑性區(qū)(見圖8)，土體向坑內(nèi)滑動(dòng)，基坑失穩(wěn)。

圖7 地表最大沉降量隨折減系數(shù)的變化Fig.7 Change of the maximum surface settlement with reduction coefficient

圖8 基坑周圍土體塑性區(qū)變化Fig.8 Change in the plastic zone of soil around foundation pit

圖9 DBC2-1～DBC2-6地表沉降量Fig.9 Surface settlement from DBC2-1 to DBC2-6

2.3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)變形

圖10 局部監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig.10 Local monitoring point layout plan

圖11 為不同開挖工況地連墻水平位移隨折減系數(shù)的變化曲線。由圖11 可看出：隨折減系數(shù)

R

的增加，地連墻水平位移增長速率增加；折減系數(shù)

R

=1.8變化為

R

=1.8時(shí)，地連墻水平位移急劇增加，基坑周圍土體塑性區(qū)急劇貫通(見圖8)，基坑周圍土體發(fā)生剪切破壞，基坑失穩(wěn)。因此，

R

=1.8為判斷基坑失穩(wěn)的臨界狀態(tài)?；犹幱谂R界失穩(wěn)時(shí)，一次開挖最大水平位移為40.39 mm，二次開挖最大水平位移為47.29 mm，三次開挖最大水平位移為53.45 mm，四次開挖最大水平位移為57.61 mm，五次開挖最大水平位移為57.83 mm。

圖11 不同工況下地連墻水平位移隨折減系數(shù)的變化Fig.11 Variation of the horizontal displacement of ground connecting wall with reduction coefficient under different working conditions

圖12 為地連墻頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZQS02 水平位移隨折減系數(shù)

R

的變化關(guān)系曲線(監(jiān)測(cè)布置見圖10)。由圖12 可看出：折減系數(shù)

R

=1.0～1.3 時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZQS02 水平位 移由11.75 m 變化為10.48 mm，水平位移減小了1.27 mm；折減系數(shù)

R

=1.3～1.8時(shí)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZQS02水平位移由10.48 mm 變化為14.53 mm， 水平位移增加了4.05 mm；折減系數(shù)由

R

=1.8變?yōu)?p>R

=1.8時(shí)，線性增加趨勢(shì)更明顯，水平位移由14.53 mm突變?yōu)?7.30 mm，基坑周圍土體塑性區(qū)貫通，基坑失穩(wěn)。

圖12 ZQS02水平位移隨折減系數(shù)的變化Fig.12 Change of ZQS02 horizontal displacement with reduction coefficient

根據(jù)文獻(xiàn)[23-24]，將基坑處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和周圍地表沉降量用于判斷基坑開挖過程中預(yù)警值的動(dòng)態(tài)變化。上述分析表明，基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和沉降量隨模量和強(qiáng)度折減的增大而增大，其分層開挖基坑變形監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)如表2。從表2可看出，支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移累計(jì)量和地表最大累計(jì)沉降量隨開挖過程的增大而逐漸增大。因此實(shí)際工程中，地表沉降量和支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的預(yù)警控制值應(yīng)隨開挖次數(shù)的增加而相應(yīng)變化。

表2 分層開挖基坑變形監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)Tab.2 Early warning index fordeformation monitoring of layered excavation foundation pit

3 基坑開挖過程變形與穩(wěn)定狀態(tài)判別

目前，蕪湖城南過江隧道基坑工程二次開挖結(jié)束，受汛期影響，第三次開挖暫停施工。就前兩次開挖過程中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的地表最大沉降量和支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移累計(jì)值與數(shù)值模擬確定的變形預(yù)警指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析(見圖13，14)。

圖13 地表累計(jì)沉降量對(duì)比Fig.13 Comparison of cumulative surface settlement

圖14 地連墻最大水平位移對(duì)比Fig.14 Comparison of maximum horizontal displacement of ground wall

數(shù)值模擬值是基坑達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)的結(jié)果，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和基坑周圍地表沉降量達(dá)到最大臨界失穩(wěn)狀態(tài)。實(shí)際工程中，基坑工程處于安全狀態(tài)時(shí)，其支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移和地表沉降量均處在安全范圍內(nèi)。從圖13，14 可看出，前兩次基坑開挖過程中，地表最大累計(jì)沉降量和地連墻水平位移均在逐漸增加，且現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯小于數(shù)值模擬確定的基坑變形監(jiān)測(cè)預(yù)警值。表明基坑工程處在監(jiān)測(cè)變形預(yù)警指標(biāo)范圍內(nèi)，基坑在開挖過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié) 論

提出一種基坑變形監(jiān)測(cè)預(yù)警指標(biāo)動(dòng)態(tài)確定的方法，以蕪湖城南過江隧道基坑工程為例，采用FLAC軟件對(duì)基坑開挖過程進(jìn)行模擬，動(dòng)態(tài)分析不同開挖層時(shí)的基坑變形值，獲得基坑達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移和地表最大沉降量，以此作為基坑變形預(yù)警動(dòng)態(tài)指標(biāo)，所得主要結(jié)論如下：

1) 基坑在前兩次開挖過程中地表最大累計(jì)沉降量模擬結(jié)果為14.28，16.83 mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值為13.50，14.60 mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值小于數(shù)值模擬結(jié)果，表明基坑在開挖過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)。模擬結(jié)果顯示基坑實(shí)際開挖過程中地表最大累計(jì)沉降量是在變化的，對(duì)比監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)給出的地表沉降量累計(jì)控制值30 mm可看出，若直接采用規(guī)范值確定基坑周圍地表沉降量的預(yù)警指標(biāo)，危險(xiǎn)發(fā)生才預(yù)報(bào)，就會(huì)錯(cuò)過補(bǔ)救良機(jī)，造成重大損失。

2)基坑在前兩次開挖過程中支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大累積量模擬結(jié)果為40.39，47.29 mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值為18.85，28.40 mm，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值在模擬結(jié)果范圍內(nèi)，基坑在開挖過程中是安全的。模擬結(jié)果顯示支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移在開挖過程是變化的，當(dāng)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移超過40 mm時(shí)，若直接采用監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)給出支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移累計(jì)變量報(bào)警值40 mm確定支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移預(yù)警指標(biāo)，將安全狀態(tài)預(yù)報(bào)為危險(xiǎn)狀態(tài)，則會(huì)采取措施或更改方案，增加投資。

因此，在確定基坑變形監(jiān)測(cè)預(yù)警值的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，不宜簡(jiǎn)單地按現(xiàn)行規(guī)范來限制支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移或地表最大沉降量，應(yīng)對(duì)每一個(gè)基坑工程的變形監(jiān)測(cè)預(yù)警值進(jìn)行專門研究。