復雜條件下深基坑施工變形控制及周邊環境監測分析

賀 俊，楊 平，張 婷

(南京林業大學 土木工程學院，南京210037)

隨著城市建設規模的不斷發展，深基坑開挖工程越來越多，基坑開挖時產生的地層變形受到巖土特性、開挖面積、開挖深度、基坑形狀、周邊載荷和支護結構形式等諸多因素影響，帶來的環境影響問題仍然是一項極具挑戰性、高風險性、高難度的巖土工程技術熱點［1］。當場地地質條件差異較大、周邊建筑物密集時，深基坑開挖中的變形控制與現場監測工作顯得尤為必要。本文結合江陰某深基坑工程實例，從圍護結構設計、施工過程的信息化控制等內容出發，深入探討復雜條件下深基坑施工的變形控制問題［2］。

1 工程概況

該工程位于江陰市人民醫院東，北鄰環城北路，東西長134.2 m，南北向寬50.0 m，主樓為框架—剪力墻結構，采用樁筏基礎，總建筑面積7萬 m2。基坑開挖深度主樓部分10.0 m左右、設備用房部分5.9 m。地基基礎設計甲級，建筑結構安全等級為二級，地下室二級防水，工程安全等級為二級，抗震設防乙類。

1.1 工程地質概況

根據巖土工程勘測報告，場地內各巖土分為9個土層，開挖深度范圍主要為:①雜填土，松散，厚度1.6～4.5 m;②粉質黏土，軟塑 ～可塑，具中等壓縮性，層厚0～1.7 m;③淤泥質粉質黏土，流塑狀態，高壓縮性土，分布于擬建區中部，層厚0～10.9 m;④粉質黏土，可塑狀態，主要分布于軟土區，層厚0～1.9 m;⑤粉質黏土，可塑～硬塑狀態，具中等壓縮性，軟土較深處缺失，層厚0～7.2 m。

工程勘察報告指明基坑開挖范圍內的土層滲透性較低，是良好的不透水層，對基坑開挖影響不大。

1.2 周邊環境概況

該工程位于市區，由密集分布的建筑物和城市主干道包圍:東、南為6層民宅區，磚混結構，天然基礎，距基坑支護結構外側最近為6.9 m;西側緊靠14層的原病房大樓，一層地下室距基坑僅2.4 m;西北側為7層后勤樓，天然基礎，距基坑僅2.8 m;北側為環城北路，距基坑12.1 m;場地內無重要地下管線，僅在北側環城北路一帶分布有雨水、電力等市政管線，其距離基坑一倍開挖深度以外。根據土質情況分析，當圍護結構不失效或者無突發流砂的情況下，可認為基坑開挖對管線不造成影響。本基坑工程周邊環境如圖1所示。

圖1 基坑周邊環境

1.3 圍護結構設計方案

基坑實際開挖深度10 m左右，周邊建筑物和土質情況差別較大，考慮經濟性原則下圍護結構設計按照不同分段進行，大部分段位采用φ700@1 000 mm鉆孔灌注樁支護形式，將基坑周邊分為 A—B、B—C、C—D、D—E、E—F、F—A六段，每段的支護形式如表1所示。

在支撐體系設計中，考慮到在暗河軟土段，如果采用錨桿，需要錨桿有很長的長度才能保證足夠的錨固力，并且由于軟土流變特性明顯，錨桿內力將隨時間的發展而衰減，隱患較大，因此采用內支撐對撐形式。如果采用兩道內支撐，則挖土不便，因此采用一道鋼筋混凝土內支撐，同時基坑東側南北角采用角撐。

表1 基坑各段支護結構形式

1.4 基坑開挖重點

根據工程實際情況，確定本基坑開挖有以下幾個重點:

1)本基坑平面大，周長長，形狀不規則，開挖深度存在高差，空間效應比較明顯，尤其應慎防側壁中段變形過大。

2)基坑局部有軟土分布，深度由北向南逐漸變深(北面5.0 m，南面14.0 m)，該區域內的軟土具有很強的流變性，時空效應明顯，是基坑開挖的重點之一。

3)基坑位于市區內，周邊分布建筑物和城市主干道，如產生問題影響很大。

4)各側壁具體情況還有不同，如有的側壁距離房屋很近，有的側壁則比較空曠，基坑設計根據不同的周邊環境及地質條件進行設計，以實現“安全、經濟、科學”的設計目標;特別是D—E段14層老病房大樓距離基坑極近，采用天然基礎，基底以下開挖深度近7 m，是本次基坑開挖的重中之重。

5)基坑有東西向后澆帶，與混凝土橫支撐方向垂直，將基坑南北向劃分為3塊，基坑南側建筑物密集，在支撐拆除過程中，如何實現該底板的換撐作用，控制支護結構的變形，是本工程的關鍵。

總之，本基坑工程開挖部位土質大部分較好，中段有一段淤泥質軟土，周邊建筑物密集且離基坑壁非常近，現場施工場地狹小加之工期較緊(2008.12—2009.7)，施工過程中變更很多，這就增加了施工的復雜性，由此基坑監測工作尤為重要。

2 監測數據結果分析

基坑開挖過程中監測內容分兩部分:

1)基坑圍護體系監測包括:①深層土體位移，布測斜管14根;②樁頂水平位移，布24點;③混凝土支撐軸力，布混凝土應變計3點。

2)周邊環境監測包括:①周邊建筑物沉降，布沉降點46點;②周邊道路沉降，布沉降點14點［3］。

2.1 基坑穩定性監測

基坑從2008年12月1日從東側由南向北開挖到2009年7月11日地下室主體結構施工完成，在整個施工過程中，基坑的變形主要與土質狀況、周邊荷載和現場施工有關，集中在兩處:①B—C段，暗河段淤泥質粉質黏土且后澆帶東西向分布處;②D—E段，老病房大樓處。

圖2、圖3所示分別為B—C段深層土體水平位移監測點以及混凝土支撐軸力的變化情況，測點正好處于暗河段，從2008年12月3日開挖到12月23日挖到基底高程位置，水平位移最大變形在基底高程附近9 m深處為9.3 mm。變形較大原因是:現場施工場地狹小，挖土沒按分層分段、先中間后四邊、對稱開挖的原則進行，有超挖現象，加之暗河段軟土區流變，導致水平位移變形較快，支撐軸力在開挖初期變化很快，從－720 kN猛增至－1 900 kN(負值表示受壓)，鑒于以上產生的變形和軸力較大，要求施工單位加快施工進度，底板基礎在2009年1月17日澆筑完畢，其后到3月9日中板澆筑完畢期間，軸力變化較穩定，水平位移變形不大，但變形最大處由10 m深處上升到6 m深處，原因是基礎底板澆筑后，基底處起到支撐作用。

圖2 CX09測點深層土體水平位移

圖3 Z1測點混凝土支撐軸力

此段基坑施工中最大的險情為:原設計方案中混凝土支撐體系是一次全部拆完，但由于東面施工進度較快，支撐分兩次拆除(后澆帶分布如圖1)，3月19日開始拆除東面角撐和一道橫撐，拆撐順序是先橫撐再角撐。考慮到周邊建筑物離得較近，在中板與支護樁間澆筑混凝土傳力塊換撐，水平間距3 m。拆除前后水平位移最大變形處由6 m深處上升到3 m深處，位移 達 8.1 mm，支 撐 軸 力 從 －1 800 kN增 至－2 400 kN超過報警值 －2 280 kN。變形較大原因在于:①所拆橫撐地處暗河段軟土區;②基礎底板南北向中間留了2條東西向后澆帶，底板被分割成3小塊，支撐拆除后一側土壓力由小塊基礎底板承擔;③拆撐速度過快，只有3 d。5月17日第二次支撐拆除，測得剩下橫撐軸力達到－2 150 kN，水平位移累計變形也達到了20.5 mm，吸取第一次拆撐經驗，在基礎底板后澆帶與原傳力塊同一軸線處澆筑混凝土傳力塊，使底板能夠形成整體受力，同時放慢拆撐速度，加強監測頻率，經實測支撐拆除前后水平位移最大僅4.5 mm，相對第一次拆撐變形大為減小，表明該措施有效地控制了支護結構變形［4］。

7月11日東側頂板澆筑后兩個月，CX09測點變形穩定不再變化，總變形為26.6 mm，基坑支護設計是10 mm，超過設計值的原因在于:挖土沒按規范進行，拆撐過程由一次變更成兩次，基坑暴露時間遠超過設計值。

圖4所示為D—E段深層土體水平位移監測點變化情況，測點處于老病房大樓與西側基坑壁間，從3月15日開挖到3月26日挖掉第一層土，水平位移變形為4.3 mm，4月10日開挖到基底高程位置，最大變形在基底高程附近8 m深處為9.8 mm，整個土方開挖期間天氣晴好，但在做墊層澆筑基礎底板之前，基坑暴露期間有過幾場暴雨，施工單位未及時排水，變形一度達到0.5～1.0 mm/d，到4月27日底板澆筑結束位移較大，為14.4 mm。為此在澆筑中板時變更設計，在支護結構和主體結構之間澆筑傳力塊，水平間距3 m，同時加快施工進度，傳力塊澆筑后水平位移變形明顯減緩，到5月26日頂板澆筑結束，變形為18.8 mm，其后一個月變形趨于穩定，僅變形0.7 mm。

圖4 CX13測點深層土體水平位移

老病房大樓是本次基坑工程的重中之重，采用多種支護形式復合支護，水平位移設計值為10 mm，最終達到19.5 mm，超過設計值分析原因有二:①病房大樓荷載很大離基坑又近，基坑暴露在外時曾被雨水浸泡［5］;②基坑設計時病房大樓基礎雖與支護結構植筋在一起并且設一道錨索，并未重視到病房大樓有整體向基坑內滑移的可能性。但傳力塊澆筑后效果較好，建議今后類似工程采用內支撐形式更為合理［6］。

2.2 周邊環境監測

圖5為基坑周邊部分建筑物及地表監測點隨施工工況的沉降變化，周邊各點沉降主要發生在土方開挖到底板澆筑期間，之后各點變形趨于穩定。其中東南側建筑物沉降較大，達到13.3 mm，原因在于:此建筑物正好處于暗河段軟土區，土方開挖后由于軟土的流變作用，土體向基坑內擠壓，在開挖到基底后由于基坑開挖的時空效應，加上軟土的蠕變特性，導致該處沉降較大。北側道路沉降7.3 mm，沉降貫穿于整個地下室主體結構施工過程，這是由于施工場地狹小，北側是現場唯一的車輛出入口，加之材料堆放，所以沉降主要由車輛動荷載和周邊堆放荷載引起［7］。其它建筑物沉降較小，這與設計時不同段位采用不同支護結構起到的良好支護效果分不開。

圖5 周邊建筑物沉降

3 結語

1)遵循“安全、可靠、經濟”的設計原則，根據復雜的地質條件和周邊環境條件在不同段位采取不同的支護形式是可行的。

2)基坑開挖程序必須嚴格按設計要求施工，采取分層、分塊、對稱、平衡的開挖方式，施工過程中應加強施工管理和監督，避免由于工序安排不當造成基坑變形過大甚至出現險情。

3)當后澆帶方向與混凝土橫支撐垂直時，在后澆帶中設混凝土傳力塊能很好地控制換撐前后支護結構的變形。

4)緊鄰非樁基建筑物基底下開挖，冠梁與基礎植筋加下設一道錨索對支護結構及建筑物控制變形效果不明顯，建議今后類似工程設計時采用內支撐形式更為合理。

5)施工中應嚴格控制軟土區開挖后的暴露時間，及時澆筑基礎底板，利用自重荷載使坑內土體反壓和支撐的剛度來降低開挖卸荷引起的土體側移和地表沉降。

［1］高華東，孫家樂，張欽喜.深基坑變形控制設計［J］.地質科技動態，1997(增):90－97.

［2］高華東，霍達，陶連金.北京光彩大廈深基坑開挖現場監測與理論分析［J］.地下空間與工程學報，2005，1(3):423–427.

［3］李青林，劉軍，賀美德.地鐵車站基坑變形規律及施工控制方法［J］.市政技術，2005，23(4):215 －217.

［4］肖武權，冷伍明，律文田.某深基坑支護結構內力與變形研究［J］.巖土力學，2004，25(8):1271－1274

［5］廖鴻雁.珠海廣場地鐵車站基坑施工監測數據的研究分析［J］.世界隧道，2000，37(5):23 －27.

［6］李建峰，曾永祥，王秀紅.樁、錨、噴三結合支護深基坑［J］.西安科技大學學報，2005，25(1):21－23

［7］孫凱，許振剛，劉庭金，等.深基坑的施工監測及其數值模擬分析［J］.巖石力學與工程學報，2004，24(2):293 －298.