深基坑開挖支護變形規律及控制措施研究

楊 磊

320825197907292353

深基坑開挖支護變形規律及控制措施研究

楊 磊

320825197907292353

隨著社會的發展，基坑工程技術發生著日新月異的變化，近年來，我國大城市的大型地下空間發展十分迅速，技術復雜的基坑工程建設項目越來越多，基坑工程的規模越來越大，就會帶來許多環境安全和基坑安全問題，基坑的變形控制成為基坑工程成敗的關鍵，因此進一步加強對其的研究非常有必要，通過對基坑受力的變形規律研究，來提高深基坑工程實踐的科學性。基于此本文分析了深基坑開挖支護變形規律及控制措施。

深基坑；開挖支護；變形規律；控制措施

1、深基坑工程的特征

1.1 受地質水文與市政環境影響大

深基坑工程對工程地質環境與水文條件的依賴性高，在不同土壤地質條件下，深基坑工程往往呈現不同特點，我們國家很多城市或同一城市的不同區域，土壤類別差異性較大，水土環境受氣候影響也較大，因此對深基坑的作業要求也不均等，深基坑工程表現出較強的地域區別。在工程的勘察設計中，對土壤與水文環境的調查往往有很多不確定性，因此較難準確定位工程當地的總體情況，對于不同工程要根據其性質與所處的特定水文、地質環境考慮深基坑工程的開挖以及支護技術的采用類型。

1.2 復雜性與綜合性

深基坑工程往往不是獨立工作的，在地下空間開發、地上建筑物與構筑物工程、橋梁與隧道工程、市政與巖土工程中均是扮演了非常重要的角色。深基坑工程與結構工程、巖土工程與施工技術的關系密切，相互交叉，相互影響，深基坑工程影響其他工程的同時也會受到其他工程對其的干擾。在現實中，深基坑工程除了保證一定的穩定性與強度外，防止基坑變形與滲流也是工程技術人員重點考慮的問題，往往很多工程出現多種問題相互結合，相互矛盾，需要統一的協調與處理，體現出一定的綜合性與復雜性，最終需要技術人員權衡矛盾尋求最優化的解決方案。

1.3 環境與時空效應明顯

由于地質條件是時時變化的，有時深基坑開工前土壤地質條件適宜，基坑穩定性滿足要求，但是隨著時間的推移，基坑周圍的主動土壓力與被動土壓力存在一定的變化，當這些變化長時間作用于基坑的時候，基坑尤其是深基坑的穩定性就會受到破壞。深基坑的工程環境效應體現在對周圍環境的影響程度上。深基坑的施工開挖的時候，土方量的占地面積要干擾周圍行人與機動車、非機動車的正常通行，深基坑的開挖與支護施工會對周圍的建筑物、構筑物、市政管網造成穩定性的破壞，施工產生的噪音污染還會影響附近居住小區的正常生活，因此從環境角度而言，深基坑工程的環境影響效應表現顯著。

2、加強基坑開挖支護變形的重要性

深基坑的開挖會帶來基坑周邊的地層朝著基坑的方向移動，進而在地層中形成被動土壓力和主動土壓力。在進行基坑的開挖施工時，基坑維護結構的任務技術為建筑物的主體結構提供干燥和安全穩定的作業空間，但同時也會產生基坑周邊地表的沉降以及結構的變形。城市建設發展越來越迅速，城市地下空間的開發也在快速發展，所以，現代城市發展的地質問題和環境問題是因城市地下空間的開發利用而造成的城市地面的沉降，所以，在進行深基坑工程時，基坑的變形控制成為基坑工程成敗的關鍵。

深基坑開挖過程中不僅要保障基坑的穩定和安全，而且還要控制好基坑附近地層的水平移動和沉降進而不破壞基坑附近的環境，尤其是處在城市的深基坑工程，基坑的施工空間比較小，附近的建筑物比較密集，控制好附近地層的位移顯得十分重要。在地質條件比較好的地區，因為基坑開挖所帶來較小的周圍地層的變形，適當的控制不會影響基坑周圍的環境，但是基坑位于軟土地區，由于地質條件復雜，地層軟弱，進行基坑的開挖就會帶來較大的變形，嚴重的破壞變形會帶來巨大的經濟損失和危及人們生命安全。所以，我們要加強重視基坑變形的重要性意識。

3、深基坑開挖支護變形原因

3.1 圍護樁水平位移

不同開挖深度工況下的樁體水平位移變形如圖1 所示。由圖1可得，在開挖過程中，圍護樁的變形發展形態是不同的，第 1 步開挖后樁體變形基本呈倒三角形，變形近似為一條直線; 隨著開挖的不斷進行，圍護樁的變形不斷增大，樁體水平位移最大值位置逐漸下移，直至開挖完成后趨于穩定，最后呈兩頭小中間大的“胖肚”形。

圖1 圍護樁水平位移計算值

根據對圍護樁水平位移的跟蹤監測數據，可以知道圍護樁樁底變形有所差異，樁底水平位移計算值基本未發生移動，而現場監測的樁底水平位移發生了約 微小移動，原因可能是監測中的誤差，或是實際施工過程的非正常施工因素引起的。

3.2 基底隆起

隨著基坑開挖深度的增加，存在很大的基坑邊界的內、外地面的高度差；當開挖進行到最后時，在基坑開挖面以下的一定距離的圍護樁向坑內移動，擠壓基底下的土體，導致基底的隆起。

3.3 基坑周圍地表沉降的影響范圍

隨著開挖深度的不斷增加，地表沉降也逐漸增大，最終形成近似于拋物線形的沉降槽。某城市基坑工程，場地周邊均為菜地和水塘，最近的居民樓在基坑深度 3 倍距離以外，對施工的干擾較小; 標準段場區內市政管線相對較多，均分布在既有道路兩側。其沉降槽的范圍約為 2h( h 為基坑開挖深度)；地表沉降最大值不是發生在基坑邊沿，而是發生在距基坑邊約( 1/3 ～1/2) h 的位置;實際監測地表沉降最大值為 －12. 4mm，大于數值計算 值 － 6. 2mm，但 該 值 在地 表 沉 降 控 制 值( ±30mm) 的范圍之內，造成此結果的原因是多方面的，基坑實際施工過程遠比數值計算復雜得多，地面附加荷載、超挖、未及時施做支護結構等均可引起地表過大變形。因此，在數值計算中建立符合實際工況的開挖模型是非常關鍵的，同時，在現場基坑施工中，嚴格遵循基坑開挖的原則也是不容忽視的。

3.4 坑外土體位移場

對基坑實測位移場的研究發現，地下墻后土體水平位移分布模式主要可以分為兩個區一個是塊體滑動區，該區水平邊界距離地下墻大約為倍開挖深度，垂直邊界約為地表下一倍挖深，該區內土體水平位移沿水平方向基本不變，呈現整體滑動的特性另一個是線性遞減區，該區水平邊界距離地下墻大約是一倍挖深，垂直邊界約為倍挖深，該區內土體水平位移沿水平方向線性遞減為零。另外，地下墻后土體垂直位移分布模式大致也可以分為兩個區一為整體沉降區，開挖面以上至地表范圍內土體的沉降值沿深度近似相等，各深度處沉降曲線近似等于地表沉降曲線而為線性遞減區，開挖面以下至兩倍開挖深度處，土體沉降值隨深度增加，逐漸線性減小為零。有了地表沉降曲線，結合土體沉降變形沿深度方向的傳遞變化規律，就可以根據地表沉降值求出深層上體垂直位移值。

4、變形控制措施

4.1 加強變形監測優化

深基坑工程監測是為了確保在基坑施工過程中基坑工程主體和周圍環境的安全，通過對基坑本身內部有關結構的位移、內力以及基坑以外的環境保護對象變形參數的監測，驗證基坑支護結構設計和基坑開挖施工組織設計的正確性，并對基坑支護體系的穩定性、可靠性和安全性進行預測預報，及時掌握在施工中支護結構的應力和變形以及環境的變化情況。

為了更好的掌握變形規律，采取措施進行控制，需要從多個方面進行：

4.1.1 監測頻率。基坑監測應貫穿于基坑工程的全部過程，從基坑開挖前的準備工作到基坑工程土方回填完畢，甚至在有特殊要求的情況下需監測至基坑變形穩定或者趨于停止變形為止。在監測過程中，基坑監測的頻率并非是一成不變，而是基于工程概況，施工進度、外部環境影響以及當前監測值的穩定程度等影響方面，并結合當地經驗綜合考慮而進行適時調整。

4.1.2 監測報警值。監測報警值是為確保基坑工程的安全性而設定的各項監測指標的預估最大值。合理設定的監測報警值應包括基坑工程各監測項目的累計變化量和變化速率值兩個控制量，是調整施工步序和優化工程原本設計方案的重要依據，更是工程施工安全的重要保障。

例如，武漢市軌道交通4號線二期工程從黃金口站至首義路站，線路全長16.857km，其中高架線3.2km，敞開段0.15km，地下線13.507km，有地下車站11座，高架站2座，設黃金口停車場1處和王家灣主變電站1座。武漢市軌道交通四號線二期工程區間及車站土建施工第三標段為：攔江路～鐘家村區間、漢陽火車站站及鐘家村～漢陽火車站區間。對于該工程進行基坑開挖變形控制主要從以下方面開展：(1)隧道軸線上方地表沉降監測。(2)建(構)筑物沉降監測(3)管線沉降監測。(4)隧道拱頂沉降和隧底位移(5)隧道凈空收斂。對此主要進行了建(構)筑物沉降變形控制。1)監測頻率。監測工作必須隨施工需要實行跟蹤服務，為確保施工安全，監測點的布設立足于隨時可獲得全面信息，監測頻率必須根據施工需要跟蹤服務，實時反映推進情況。2)監測報警。根據施工圖紙設計要求，及本區間段的實際施工環境，我們確定如下變形控制標準(特殊地下管線及建筑物以產權單位要求執行)：1)地表最大隆沉量范圍+10mm～-30mm，速率≤2mm/天。2)隧道拱頂沉降隧底位移頂部下沉20mm，速率≤2mm/天。底部隆起10mm，速率≤2mm/天。3)地下管線沉降量范圍有壓管線-10/+10mm，速率≤2mm/天。無壓管線-20/+20mm，速率≤2mm/天。建筑物沉降范圍+10mm～-30mm，速率≤2mm/天。隧道收斂20mm，速率≤2mm/天。從監測信息以及具體應用可以知道，在確保隧道及聯絡通道自身安全的前提下，最大限度地減小了施工對周邊的影響，收到了良好的效果。

4.2 加強變形控制

4.2.1 隨著圍護樁嵌固深度的增加，樁體水平位移和坑底隆起均有所減小，坑底隆起減小的幅度要大于樁體水平位移的幅度;當嵌固深度增加到一定程度時，樁底逐漸不發生變形，若繼續增加樁長，對減小圍護樁變形作用不明顯，但對基坑抗隆起是有利的。

4.2.2 支撐位置改變前后最大水平位移值有所增加，且發生位置也略有上移。由此說明，圍護樁的變形對支撐位置的改變是比較敏感的，在基坑支護結構設計時，支撐位置的設置，除了考慮施工空間外，還應當考慮對基坑支護結構內力及變形的影響。

4.2.3 增大土體抗剪強度對于約束支護結構的變形有著非常好的效果，因為抗剪強度的增大使得土體穩定性提高了，但是當抗剪強度增加到一定程度以后，對基坑維護結構變形控制的效果就沒有那么顯著了。

4.2.4 增加樁體嵌入深度能夠有效控制支護結構的變形，但是增加到一定程度時，效果非常有限，而且會增加成本，還有可能出現應力集中等各種問題，故而在決定樁體嵌入深度時要謹慎，綜合考慮各方面因素。

總之，在復雜條件下的深基坑，基坑變形與控制往往是深基坑設計的關鍵，因此進一步加強對其的研究非常有必要。

[1]鄭杰明，謝玖琪，楊平，張中.深基坑開挖支護結構水平變形對地表沉降影響的數值模擬[J].現代隧道技術，2013，02：102-108.

[2]麻鳳海，張維來，呂培印.地鐵車站深基坑開挖對土體影響的數值模擬[J].遼寧工程技術大學學報(自然科學版)，2012，03：295-299.

[3]鄭繼開，宋潔人，余秋池，董福利.深基坑開挖階段支護結構內力與變形分析[J].建筑技術開發，2014，12：28-33.

[4]吳明亮.深基坑開挖對相鄰淺基礎框架結構的影響分析與研究[D].湖南大學，2012.

[5]榮曉巍.深基坑開挖的有限元模擬與分析[D].天津大學，2007.