軟土地區(qū)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律分析

文／謝云 中節(jié)能華座（上海）環(huán)保發(fā)展有限公司 上海 200090

引言：

深基坑始終是工程界的焦點(diǎn)，如何減小深基坑開挖過(guò)程中對(duì)于周邊環(huán)境的影響是工程人面臨的挑戰(zhàn)。在深基坑開挖過(guò)程中，常用圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平向位移評(píng)估施工對(duì)周邊環(huán)境的影響程度。國(guó)內(nèi)許多學(xué)者[1-4]對(duì)此展開研究，采用有限單元法、有限差分法等方法，對(duì)不同條件下基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行模擬，得到許多經(jīng)典的結(jié)論。然而在目前的研究中，大多只刻畫了圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形隨深度的變化規(guī)律，雖然在部分研究中考慮了基坑開挖的時(shí)空效應(yīng)，但針對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形隨時(shí)間的變化規(guī)律，總結(jié)的較少。在工程實(shí)踐中，需要根據(jù)當(dāng)前地墻變形與施工節(jié)奏，對(duì)基坑狀況進(jìn)行研判，從而采取相應(yīng)措施，控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形。本文將結(jié)合工程實(shí)例，嘗試總結(jié)歸納圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形隨時(shí)間的變化規(guī)律，從而對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制提出合理的建議。

1、工程概況

1.1 基坑設(shè)計(jì)

上海某地下車站基坑，長(zhǎng)172.8m，寬27.8m，最大挖深28.05m?；硬捎?m 厚地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，第一、三道為1×0.8m 鋼筋混凝土支撐，第二、四、五、六道為φ800 鋼管支撐。

1.2 監(jiān)測(cè)方案

在基坑地下連續(xù)墻中埋設(shè)測(cè)斜管作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間間隔10m，沿基坑長(zhǎng)邊單側(cè)布置14 個(gè)，共28 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；基坑短邊單側(cè)布置1 個(gè)，共2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（如圖1所示）。

圖1 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

1.3 基坑施工

基坑采用分段、分層階梯狀開挖形式，從東側(cè)向西側(cè)施工，隨挖隨撐。由于基坑南側(cè)存在多處房屋未拆除，場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置施工道路，故近可利用北側(cè)，形成單側(cè)出土工況。該基坑從開挖至最后一塊底板澆筑完成，共歷時(shí)100 天。施工過(guò)程中，以四根鋼支撐或兩根混凝土支撐施工作業(yè)空間為一個(gè)施工段，從土方開挖至鋼支撐軸力施加完畢平均用時(shí)18h，至混凝土支撐澆筑完畢平均用時(shí)60h。

2、變形分析

選取其中P09、P10、P11、P13 四點(diǎn)作為研究對(duì)象，做出圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形隨深度的變化規(guī)律圖，如圖2。對(duì)比已有的研究結(jié)果，無(wú)論是與數(shù)值模擬結(jié)果還是工程實(shí)踐結(jié)果比對(duì)，這四點(diǎn)的變形規(guī)律都與現(xiàn)有的結(jié)果相符。因此，這四點(diǎn)的結(jié)果具有代表性。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形隨深度變化曲線

而后，用散點(diǎn)圖描繪此四點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形隨時(shí)間變化規(guī)律（如圖3），當(dāng)根據(jù)監(jiān)測(cè)頻率，采用全部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行描繪時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)，由于基坑變形加速集中在土方開挖施工過(guò)程中，而在該監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)支撐形成后，作業(yè)面移動(dòng)至其他位置時(shí)，該點(diǎn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形增量穩(wěn)定且較小，因此變形呈現(xiàn)出階梯狀上升的形式。該曲線的規(guī)律性較難總結(jié)，難以根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)判斷基坑后續(xù)變形情況。因此，需要對(duì)數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行調(diào)整。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)P09 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形隨時(shí)間變化規(guī)律

在土方開挖過(guò)程中，每一個(gè)施工段都是“土方開挖-支撐施工”的循環(huán)，而最后一個(gè)“循環(huán)”是以“土方開挖-墊層澆筑-底板施工”結(jié)尾，底板澆筑完成后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形收斂。因此，可以將一個(gè)“循環(huán)”當(dāng)作一個(gè)時(shí)間單元，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再次繪制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形隨時(shí)間的變化規(guī)律曲線，得到圖4。從圖4 中可以看出，選取的4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)散點(diǎn)的分布形式相似，近似在一條直線附近。

圖4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形隨時(shí)間變化規(guī)律

分別對(duì)四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形-時(shí)間散點(diǎn)進(jìn)行回歸擬合。由于散點(diǎn)近似分布在一條直線附近，因此首先采用線性擬合。通過(guò)線性擬合，可以發(fā)現(xiàn)R均大于0.985，可以認(rèn)為擬合程度很高。而后，繼續(xù)采用2 次多項(xiàng)式對(duì)散點(diǎn)進(jìn)行擬合，將擬合結(jié)果與線性擬合進(jìn)行對(duì)比。主要參數(shù)如表1所示。

表1 擬合參數(shù)表

就R而言，二次多項(xiàng)式擬合結(jié)果略好于線性擬合結(jié)果。但當(dāng)關(guān)注到二次項(xiàng)系數(shù)時(shí)不難發(fā)現(xiàn)，二次項(xiàng)系數(shù)均小于10，而在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程中，測(cè)斜變形的精度是10mm，且從結(jié)構(gòu)宏觀角度而言，精確到1mm 的精度控制已經(jīng)符合工程實(shí)踐要求。同時(shí)，結(jié)合截距來(lái)看，理論上在基坑開挖前，監(jiān)測(cè)單位會(huì)對(duì)初始值進(jìn)行復(fù)測(cè)歸零，方便記錄開挖后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)開挖情況。但在實(shí)際的施工過(guò)程中，初始值的標(biāo)定和基坑開挖的時(shí)間存在差值，尤其是在非首段開挖的區(qū)段，變形值受前序地墻影響，導(dǎo)致初始值不一定為0。但這種影響在實(shí)際施工過(guò)程中較小，因此，在擬合過(guò)程中雖不必將f(0)=0 的初條件對(duì)擬合曲線進(jìn)行約束，但擬合后截距也應(yīng)盡可能小。從擬合結(jié)果來(lái)看，二次多項(xiàng)式擬合的截距約比線性擬合結(jié)果大50%。因此，用線性擬合結(jié)果相較于二次多項(xiàng)式擬合結(jié)果，更接近工程實(shí)際情況。

該擬合曲線是以一個(gè)“循環(huán)”作為一個(gè)時(shí)間單元，取每個(gè)“循環(huán)”的末狀態(tài)作為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，該狀態(tài)是該“循環(huán)”中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大的時(shí)刻。因此，該擬合曲線應(yīng)被視作各階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大值隨時(shí)間變化規(guī)律曲線，即圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的包絡(luò)線。

為了驗(yàn)證這一結(jié)論，選取此4 個(gè)測(cè)點(diǎn)以外的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)與驗(yàn)證。對(duì)于測(cè)點(diǎn)P76，在第二道支撐完成是DAY 5，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大值為7.76mm；第三道支撐完成是DAY 22，此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大值為22.50mm。根據(jù)土方開挖進(jìn)度計(jì)劃，該區(qū)域在DAY 65 時(shí)完成底板澆筑，采用線性擬合結(jié)果可以對(duì)此進(jìn)行預(yù)判，得到完成底板澆筑后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形為59.78mm。該區(qū)域?qū)嶋H在DAY 66 時(shí)完成底板澆筑，最大變形為56.89mm，誤差5%，且結(jié)果偏大。

從基坑安全管理角度而言，預(yù)測(cè)結(jié)果偏大有利于督促施工環(huán)節(jié)增加保護(hù)措施，確保基坑開挖安全。因此，該預(yù)測(cè)結(jié)果是滿足對(duì)基坑狀況進(jìn)行研判的要求的。

該結(jié)果的應(yīng)用前提條件中有一條至關(guān)重要的假設(shè)，即在施工過(guò)程中，不改變循環(huán)間的節(jié)奏；同時(shí)，基坑變形必須在安全許可范圍內(nèi)，若在施工過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)變形超過(guò)該結(jié)果10%，應(yīng)當(dāng)對(duì)基坑進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)報(bào)警，需要對(duì)基坑安全進(jìn)行重新評(píng)估。

3、影響因素分析

結(jié)合施工過(guò)程，對(duì)影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的因素進(jìn)行分析。按南北兩側(cè)劃分，做出每側(cè)14 個(gè)測(cè)點(diǎn)最大變形曲線（如圖5）?？梢园l(fā)現(xiàn)，基坑中段距離明顯大于兩側(cè)。西段，南側(cè)比北側(cè)大；東段北側(cè)略大于南側(cè)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境與施工過(guò)程，對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行分析。

圖5 各測(cè)點(diǎn)最大變形曲線

（1）基坑兩側(cè)受兩條短邊約束，其剛度比中段圍護(hù)結(jié)構(gòu)大，變形??；

（2）基坑西段，南側(cè)緊鄰基坑為未拆除房屋，北側(cè)為市政道路且車流量不大，使南側(cè)地面超載大于北側(cè)；且現(xiàn)場(chǎng)基坑北側(cè)設(shè)置棧橋作為施工道路，施工荷載使地墻產(chǎn)生迎土面受拉的彎矩，平衡一部分因土壓力產(chǎn)生的內(nèi)力。

（3）基坑?xùn)|段，南側(cè)為未拆除磚混結(jié)構(gòu)房屋，北側(cè)為施工道路；根據(jù)計(jì)算，施工荷載大于房屋自重，即北側(cè)地面超載大于南側(cè)，因此圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力大，位移較大。

（4）西段采用鋼支撐伺服系統(tǒng)，東段未采用，不同的施工措施也會(huì)影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

4、施工管理要點(diǎn)

由前所述，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大值包絡(luò)線與開挖時(shí)長(zhǎng)近似成線性正相關(guān)，因此，為了有效控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，應(yīng)當(dāng)盡可能降低基坑開挖時(shí)間。在施工管理過(guò)程中，可以參考淺埋暗挖法的工藝要求，即“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”。

對(duì)于深基坑開挖，“管超前”與“嚴(yán)注漿”在絕大多數(shù)場(chǎng)景中不適用，在部分地質(zhì)條件極差的案例中，在開挖過(guò)程中，不僅要考慮基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，還要對(duì)未開挖區(qū)段的土體進(jìn)行相應(yīng)處理。一般情況下，進(jìn)行放坡即可。在少數(shù)土質(zhì)極軟或流動(dòng)性高的極端情況下，應(yīng)首先類比淺埋暗挖法的“管超前”，將未開挖部分土進(jìn)行“超前加固”。

而類比“短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”，應(yīng)當(dāng)盡量縮短每一次土方開挖的長(zhǎng)度，只要滿足支撐的施工面即可，不宜一次開挖過(guò)長(zhǎng)，支撐施工跟不上土方施工，導(dǎo)致支撐不及時(shí)，引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過(guò)大。同時(shí)，要盡可能縮短土體擾動(dòng)到支撐形成的時(shí)間間隔，縮短每一個(gè)“循環(huán)”的時(shí)長(zhǎng)，即“快封閉”，這一點(diǎn)也是控制基坑開挖變形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。“勤量測(cè)”要求制定合理的監(jiān)測(cè)方案，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、周邊環(huán)境變形（地表、房屋、管線等）、地下水位變化等指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在基坑開挖的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)加大監(jiān)測(cè)頻率，為基坑狀況研判提供數(shù)據(jù)支持。

結(jié)語(yǔ)：

本文結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)上海某地下車站深基坑土方開挖階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在非對(duì)應(yīng)區(qū)域開挖時(shí)，變形增量穩(wěn)定且較小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形突變發(fā)生在對(duì)應(yīng)區(qū)域土方開挖過(guò)程中；

（2）基坑在安全范圍內(nèi)，且不大幅度改變基坑施工節(jié)奏時(shí)，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形包絡(luò)線與基坑開挖時(shí)長(zhǎng)大致線性正相關(guān)；

（3）采用線性估計(jì)預(yù)測(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形的方法，對(duì)基坑開挖安全管控具有指導(dǎo)意義。

在日后的研究工作中，可以在以下方面對(duì)該結(jié)論進(jìn)行深入研究：

（1）基坑最大變形發(fā)生深度的變化規(guī)律，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生位置進(jìn)行預(yù)判，進(jìn)而為采取地層加固、調(diào)整支撐軸力等方式改變其發(fā)生位置提供理論依據(jù)，從而達(dá)到控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的效果；

（2）線性相關(guān)規(guī)律僅為定性分析，預(yù)測(cè)只能通過(guò)線性外插得到，一次項(xiàng)系數(shù)可能受地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、施工工藝等因素影響，可以通過(guò)進(jìn)一步研究確定該系數(shù)取值方法；

（3）當(dāng)采取措施時(shí)，改變基坑開挖條件，該結(jié)論是否依然適用，仍有待后續(xù)研究驗(yàn)證。