鄰近地鐵深基坑開挖變形特征及過程控制措施研究

張玉山 李光誠 王建筱 邵 勇

（湖北省城市地質(zhì)工程院）

隨著城市的快速發(fā)展以及地下空間規(guī)模的日益增大，城市軌道交通在城市現(xiàn)代化建設(shè)中起著重要的作用，在既有地鐵隧道區(qū)間或者地鐵車站周邊進行深基坑開挖變得越來頻繁［1］。

近些年來，學者對鄰近地鐵的深基坑在開挖過程中支護結(jié)構(gòu)和周圍土體的變形做了大量研究，包含理論分析［2］、監(jiān)測分析［3-4］以及數(shù)值模擬［5］等。本研究結(jié)合既有鄰近地鐵隧道深基坑案例現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究深基坑開挖過程中支護結(jié)構(gòu)、坑外地表時程變形規(guī)律，并提出深基坑開挖過程中的過程控制措施，以確保深基坑和地鐵隧道在開挖過程中的穩(wěn)定性和安全性。

1 工程概況

某深基坑工程鄰近既有武漢4、6號地鐵隧道運營區(qū)間隧道，平面呈不規(guī)則形狀，基坑周長為398.90 m，面積為9 660 m2，基坑挖深為12.70～15.70 m。基坑與軌道交通線的平面關(guān)系見圖1。本基坑工程主要采用支護樁+兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐+側(cè)向止水帷幕的支護形式，支護剖面見圖2?；臃秶鷥?nèi)各土層的物理力學參數(shù)見表1。

2 基坑監(jiān)測方案和監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 基坑監(jiān)測方案

該基坑監(jiān)測方案中布置了支護結(jié)構(gòu)頂部水平/沉降位移監(jiān)測點22個、坑外地表水平/沉降位移監(jiān)測點20個。位移變形方向規(guī)定：（1）水平位移曲線增加量為負即向位移基坑內(nèi)發(fā)展，為正即向基坑外發(fā)展；（2）沉降位移曲線沉降量為負即為向下發(fā)展，為正即為向上發(fā)展。

2.2 基坑支護結(jié)構(gòu)、坑外地表變形特征

針對基坑支護結(jié)構(gòu)、坑外地表和地鐵隧道變形特征，主要從水平位移時程變化特征和沉降位移時程變化特征2個方面對其變形特征進行分析，詳見下述。

2.2.1 基坑支護結(jié)構(gòu)變形特征

圖3、圖4分別為基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移和沉降位移時程變化關(guān)系圖。根據(jù)曲線變化特征，將其時程曲線劃分為階段Ⅰ（基坑施工到第二道內(nèi)支撐施工完成）、階段Ⅱ（階段Ⅰ到承臺底板施工完成）和階段Ⅲ（階段Ⅱ到承臺及拆撐施工完成）。基于深基坑開挖過程中現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的支護結(jié)構(gòu)變形時程曲線3階段具體特征如下：

（1）階段Ⅰ。由圖3、圖4可得，第二道內(nèi)支撐施工完成前，支護結(jié)構(gòu)頂部水平位移和沉降位移變化幅度小，水平位移變化幅度為2 mm，沉降位移變化幅度為4 mm。在此階段支護結(jié)構(gòu)頂部位移變化幅度較小。

（2）階段Ⅱ。支護結(jié)構(gòu)頂部各監(jiān)測點沉降位移在階段Ⅱ沉降趨勢均表現(xiàn)出明顯增大趨勢，這是由于隨著基坑開挖深度的增加，支護結(jié)構(gòu)坑內(nèi)側(cè)臨空面面積增大，導致支護結(jié)構(gòu)承受的土壓力增大，最終致使支護結(jié)構(gòu)沉降增大。支護結(jié)構(gòu)頂部部分監(jiān)測點水平位移出現(xiàn)向坑外發(fā)展，這是由于在該監(jiān)測點處支撐軸力出現(xiàn)多角度疊合，致使支撐發(fā)揮作用時軸力疊合處產(chǎn)生較大的向基坑外側(cè)發(fā)展的力。

（3）階段Ⅲ。由圖3可得，隨著基坑工程的施工，階段Ⅲ支護結(jié)構(gòu)頂部各監(jiān)測點水平位移均表現(xiàn)出向坑外方向發(fā)展；由圖4可得，隨著基坑工程的施工，階段Ⅲ支護結(jié)構(gòu)頂部各監(jiān)測點沉降速率均表現(xiàn)出減緩趨勢。

基于上述，支護結(jié)構(gòu)水平和沉降位移在基坑開挖過程中變現(xiàn)出“穩(wěn)→增→緩”的變化趨勢。

2.2.2 基坑外地表變形特征

圖5、圖6是基坑外地表水平位移和沉降位移時程變化關(guān)系，由圖5和圖6可明顯看出基坑外地表水平位移和沉降位移時程曲線具有明顯的階段性特征。分析各監(jiān)測點基坑外地表變形規(guī)律與支護結(jié)構(gòu)頂部位移之間的共性，詳見下述。

（1）基坑外地表水平和沉降位移階段Ⅰ的變化幅度很小，除個別監(jiān)測點外，變化幅度均在1 mm以內(nèi)?；油獾乇沓两滴灰谱兓俾蕍表現(xiàn)出的變化規(guī)律為vⅡ＞vⅢ，這是由于隨著開挖深度的增加，各地層的變形傳遞機制的不同；且在開挖深度較小時，基坑范圍內(nèi)地層物理力學性質(zhì)差，致使階段Ⅱ沉降速率大于階段Ⅲ。

（2）除個別監(jiān)測點外，其他各監(jiān)測點水平和沉降位移均表現(xiàn)出“穩(wěn)→增→緩”的發(fā)展趨勢（圖6），基于此趨勢得出坑外地表水平位移在發(fā)展方向上均表現(xiàn)出先向基坑內(nèi)發(fā)展，再向基坑外發(fā)展；沉降位移均沉降的一致規(guī)律。因此，坑外地表位移與支護結(jié)構(gòu)位移具有相同的時程變化趨勢。

3 基坑開挖過程中穩(wěn)定性精細化控制措施

深基坑在施工過程中保證基坑支護結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境變形的本質(zhì)是深基坑施工方案與地質(zhì)條件、周邊環(huán)境的相適應(yīng)問題。主要體現(xiàn)在3個方面：（1）由于地質(zhì)勘察不夠詳細致使地質(zhì)條件不明，導致施工方案選擇不當；（2）在地質(zhì)條件明確的條件下，施工方案及控制措施不到位；（3）對于地下既有結(jié)構(gòu)不明確以及對卸荷條件下地下結(jié)構(gòu)的變形特性不清楚，導致周邊環(huán)境出現(xiàn)過大沉降，甚至發(fā)生較大事故。

3.1 超前風險預(yù)報

由于地層及地下結(jié)構(gòu)的未知性以及勘察的局限性，勘察階段的地質(zhì)資料很難得到準確地反映地下水分布、不良地質(zhì)體分布以及地下結(jié)構(gòu)的空間位置分布特征。針對基坑支護工程，基坑支護結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境變形是風險核心。因此，以超前勘察地層與勘察資料偏差及地下結(jié)構(gòu)空間位置分布作為指標進行基坑支護風險分級（表2），形成三級風險等級（Q）。

3.2 深基坑開挖過程中預(yù)測預(yù)警體系

深基坑開挖過程中穩(wěn)定性控制問題，除了要關(guān)注變形、應(yīng)力和地下水位等因素外，構(gòu)建基坑開挖過程變形預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)亦是研究重點［6］。因此，結(jié)合現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，構(gòu)建快捷、高效的預(yù)測系統(tǒng)顯得尤為重要。

通過第2章節(jié)內(nèi)容分析可得，深基坑支護結(jié)構(gòu)、地層及周邊環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)具有明顯的階段性特征，也能夠較好地反應(yīng)深基坑在開挖過程中其應(yīng)力、變形隨時間的演化特征，為構(gòu)建深基坑開挖過程中預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)提供了前提保障。深基坑開挖過程監(jiān)測數(shù)據(jù)的實施分析、學者的研究主要集中在其與深基坑穩(wěn)定性之間的關(guān)系，對于利用深基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)構(gòu)建多層次多角度的預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)研究較少。文中以支護樁+兩道內(nèi)支撐為主的深基坑支護形式為例，以開挖過程中的支護結(jié)構(gòu)的沉降數(shù)據(jù)為例，構(gòu)建深基坑開挖過程中預(yù)測預(yù)警體系，如圖7所示（以沉降變形為例）。圖7中U2、U4分別為基坑開挖到第二層撐、底板時沉降變形累計變形臨界值。

當U＜U1、U2＜U＜U3、U4＜U＜U5時，基坑變形速率小，內(nèi)支撐對此階段的變形控制起到本質(zhì)性作用，在此階段的可正常施工；當U1＜U＜U2、U3＜U＜U4時，基坑變形速率大，但此階段基坑支護結(jié)構(gòu)、周邊土體及建（構(gòu)）筑物的變形尚處在可控范圍內(nèi)，應(yīng)加大基坑監(jiān)測頻率和密度；同時，進一步根據(jù)現(xiàn)場情況制定必要的加固手段防止基坑變形過大引起的事故。當t＞t5時，若基坑還在要開挖，基坑變形預(yù)測應(yīng)按照上述分析分級預(yù)測預(yù)計；若開挖到基底，應(yīng)進一步判斷累計變形值、變形速率等是否在規(guī)范控制標準范圍內(nèi)，并加快底板和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的施工和基坑回填。當基坑變形超過規(guī)范控制標準時，應(yīng)立即啟動基坑支護應(yīng)急救援預(yù)案，并由指揮部和相關(guān)專家組進行決策，制定出更為詳細的支護、加固方案，確?；拥陌踩?。

3.3 基坑工程精細化過程控制體系

基坑施工過程中分階段預(yù)測、分階段搶救與分級管理的精細化控制措施可以較好地預(yù)防其在開挖過程中的安全性。為此，本文提出了深基坑開挖過程中變形精細化控制措施，如圖8所示。

（1）深基坑方案優(yōu)化。根據(jù)勘察報告、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計文件以及相關(guān)規(guī)范，形成專家評審?fù)ㄟ^的深基坑支護方案。根據(jù)基坑超前地質(zhì)預(yù)報風險等級以及綜合超前地質(zhì)預(yù)報分析為保證深基坑開挖過程中穩(wěn)定性提供了前期保障。

（2）深基坑監(jiān)測方案與預(yù)測預(yù)警體系。周邊環(huán)境復(fù)雜的深基坑監(jiān)測方案要綜合和考慮基坑支護結(jié)構(gòu)的變形和周邊環(huán)境的變形。變形監(jiān)測、支撐軸力監(jiān)測、地下水監(jiān)測等可反映出支護體系下的變形速率、軸力值、地下水位，再結(jié)合地裂縫等破壞現(xiàn)象；可為深基坑工程開挖過程中提供多參數(shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。進一步根據(jù)地下結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)和支護結(jié)構(gòu)與地下結(jié)構(gòu)變形的響應(yīng)關(guān)系進行實時反映變形和對地下結(jié)構(gòu)變形預(yù)測預(yù)警，雙向保證地下結(jié)構(gòu)的變形在合理的控制范圍內(nèi)?；诖?，針對支護樁+內(nèi)支撐支護形式形成多參數(shù)分階段預(yù)測預(yù)警體系。

（3）深基坑開挖過程質(zhì)量管控體系。深基坑開挖過程中影響其工程質(zhì)量的因素有人、施工材料、施工機械、施工方法（包括順作法、逆作法和順逆法結(jié)合等）、技術(shù)、環(huán)境以及檢測等多方面因素。施工過程中應(yīng)進一步健全質(zhì)量管理體系，提高人員質(zhì)量管理意識，統(tǒng)籌管理施工材料和施工機械，嚴格把控技術(shù)措施，綜合考慮施工環(huán)境，做好施工中間驗收和質(zhì)量驗收；結(jié)合PDCA循環(huán)基本科學理論，實現(xiàn)深基坑開挖過程中的PDCA循環(huán)，從而形成深基坑開挖過程質(zhì)量管控體系，提高和保證工程質(zhì)量。

在針對具體工程中，首先應(yīng)先按步驟（1），進而得出深基坑支護風險分級，判斷是否要進行優(yōu)化方案。結(jié)合深基坑施工工序，步驟（2）、（3）相互組合，在深基坑開挖過程中形成分階段預(yù)測、分階段搶救與分級管理的精細化控制措施，保證深基坑在開挖過程中的安全性和穩(wěn)定性，降低深基坑在開挖過程中各因素造成的風險。

4 結(jié) 論

（1）支護結(jié)構(gòu)變形與坑外地表變形在基坑開挖過程中均表現(xiàn)出“穩(wěn)→增→緩”的發(fā)展趨勢，且階段性特征與基坑開挖各階段密切對應(yīng)。

（2）聯(lián)合基坑支護結(jié)構(gòu)施工前以及施工過程中地質(zhì)條件，基坑支護結(jié)構(gòu)、地層及周邊環(huán)境變形預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)以及基坑工程精細化過程控制措施，最終形成了針對支護樁+內(nèi)支撐支護形式形成的多參數(shù)分階段預(yù)測預(yù)警、分階段搶救與分級管理的精細化控制體系，為基坑開挖過程中其穩(wěn)定性和安全性提供了理論保障。