高敏感環境條件下基坑變形的精細化控制研究

顧國明 劉冬華 劉 星 吳聯定 朱 亮

上海建工集團股份有限公司 上海 200080

1 研究背景

隨著城市規模的不斷發展壯大，城市的可利用土地越來越少，為了緩解土地供應緊張的狀況，開發地下空間和高空空間都成為有效的手段之一，不論是開發地下空間還是利用高空空間，都離不開深基坑工程；更進一步，隨著城市服務功能的日臻完善，各種線路和管網縱橫交錯、錯綜復雜，深基坑開挖過程中稍有不慎就可能會對周圍保護目標造成嚴重的破壞，特別是在以上海為代表的軟土地區，受軟土地層不良地質條件的影響，深基坑施工更加困難。鑒于此，針對軟土地區深大基坑變形及微變形控制技術的研究就更具有重要的理論和現實意義。

2 深大軟土基坑的特點及其變形的原因分析

通過室內試驗、數值分析以及工程實測，并結合近10年來以上海為代表的軟土地區深大基坑的工程實踐數據資料，對深大基坑卸荷變形的影響因素和影響區域特性以及變形機理進行了研究，對基坑卸荷變形的影響范圍按變形特性進行分析和歸納[1-2]。

2.1 深大軟土基坑的特點

1）差異性。在不同的城市，由于不同的地質結構和水文地質條件，深基坑工程差異非常大，即使是同一城市不同區域也有差異。地質普查和工程前期勘察都是針對區域內有限個具有代表性的土層進行的，所得結果離散性很大，雖然地下巖土的性質具有連續性，但是由于地下巖土性質和結構千變萬化，其埋藏條件又非常復雜，使得地質普查和前期勘察情況難以代表整個區域土層的總體情況，而且受測量技術的局限，其測量精確度往往較低，達不到精確測量的要求。因此，深基坑開挖須實事求是、因地制宜，根據當地具體工程條件和地質條件，具體問題具體分析，不能機械地完全照搬其他工程的經驗。

2）復雜性。深基坑工程的支護體系設計與施工和土方開挖一一對應，不同的支護設計往往意味著不同的挖土方式，影響它們的因素有很多，不僅與工程所在地的地質條件和水文條件有關，還與基坑周邊建（構）筑物和地下管線的位置、走向、等級以及重要性等有關。在高敏感的中心城區，必須把確保被保護目標和基坑本身結構的安全放在同樣重要的地位。由于基坑周圍環境不同，保護要求不同，故很難對支護結構變形限值作統一規定。

3）綜合性。深基坑工程包括巖土、結構、材料及施工等的相互交叉，牽涉面廣，合理的支護體系設計和開挖施工組織是成功的先決條件，需要結合多方面因素綜合考慮。目前，關于深基坑的理論存在一定的局限性，需要不斷研究、不斷完善。

4）環境效應。深基坑開挖時對原狀土體平衡狀態產生很大影響，一定會導致周圍地基地下水位的變化和應力場的改變，進而引起周圍地基土體發生變形，并對周圍影響區的建（構）筑物和地下管線產生不同影響，嚴重的會帶來安全隱患或事故。

2.2 軟土深基坑的位移變形原因分析

大量的研究和實踐表明，飽和軟土深基坑施工更容易產生大的變形，主要原因有：

1）飽和軟土特性。上海是一種典型的沖擊平原，地下數十米范圍內基本為軟黏土，相比其他類型土，這些土層具有高黏粒含量、高含水量、大孔隙比和高壓縮性，其抗剪強度更低，往往呈軟塑或者流塑態，固結速率很慢，有效應力增長緩慢，地基強度增長也十分緩慢，當土體受到外界擾動后，需要更長的時間重新固結穩定。

2）土體微結構變化。當土體受到外界因素如應力、溫度、振動、化學環境等變化的影響，相較于土體層理、裂隙等宏觀特征，土體當中的微觀結構率先發生變化，例如膠結物質破壞、土顆粒簇破碎等，土體結構性逐漸喪失，等這種變化累積到一定程度后，就會產生層理錯位、裂隙擴大等宏觀上的變化。

3）深大基坑的卸荷特性。大量的工程實踐表明，與窄基坑相比，深大基坑更容易引起周圍地表沉降，其影響范圍和最大沉降量將顯著增大，其影響的距離也成倍增大（圖1），可見，深大基坑引起周圍土體沉降的程度和范圍都明顯大于窄基坑。依據巖土深層滑移理論，在窄基坑中，由于開挖的寬度較小，無法形成完整的滑移帶，其基坑開挖產生的影響較小；而在深大基坑中，隨著開挖寬度和深度的擴大，其深層土體滑移帶也隨之發育，直到最終形成，其影響程度和范圍也顯著增大。

圖1 深大基坑和窄基坑的卸荷變形曲線對比

4）基坑降水的影響。土體是由土顆粒、液氣態水、空氣等組成的混合物。水位較高環境下開挖施工基坑時，地下水流場被切斷，在基坑四周都存在很大的水力梯度，地下水會不斷地滲流入基坑，可能引起流砂、管涌和邊坡失穩等現象，使現場施工條件變差，地基承載力下降。因此，為確保深基坑施工安全，必須采取有效的降水和排水措施。大量的深大基坑工程實踐表明，如果基坑的降水和排水措施不當，會對基坑周邊環境產生很大影響。

2.3 精細化變形控制技術

大量的工程實踐和研究結果告訴我們，在軟土地區，受深大基坑結構降水、開挖施工等活動擾動的坑周土體，從最初變形到最終固結穩定一般需要經過2年甚至更長的時間；而且，受擾動產生的變形越大，最終固結穩定的時間也越長。隨著中心城區的環境越來越復雜，敏感目標越來越多，基坑施工對周邊產生的影響要求也愈發嚴苛。如：為了保障地鐵營運安全，上海就對地鐵沿線的基坑施工提出了綜合絕對變形量（沉降、隆起、水平位移）小于10 mm的毫米級控制要求，有些特殊場合變形要求更高。基于上述要求，本文提出了深大軟土基坑精細化微變形控制技術，通過設計新的施工工藝，開發新的精細化變形控制技術裝備，在確保基坑本身結構安全的同時，盡量減少對周圍保護目標和周邊環境的不利影響。

3 深大基坑微變形控制關鍵技術

3.1 分區、分塊施工工藝

根據巖土深層滑移理論和大量工程實踐結果，針對深大基坑深層滑移帶產生、發育、最終形成特點，處于敏感地區的深大基坑，在充分考慮場地條件和被保護目標布局的情況下，可將其分成一個較大基坑和若干個小基坑。其中，較大基坑一般遠離保護目標、位于中心位置，根據需要還可以進一步細分（圖2）；而小基坑緊鄰周邊保護目標且被設計成窄條形，其寬度一般控制在20 m之內。通常遠離被保護目標的較大基坑最先開挖，盡可能使坑周被保護目標處在較大基坑開挖影響范圍之外，避免被保護目標受到擾動；緊鄰周邊被保護目標的小基坑后開挖，小基坑較小的尺寸可以限制深層土體滑移帶的發育和形成，同時輔以分層分段開挖、快速形成支撐等有效的變形控制措施來滿足基坑圍護結構的變形要求。

3.2 基于軟土流變特性的土體加固和精準開挖支撐施工工藝

針對軟土的軟塑和流塑特性，依據工程勘察資料和實際工程實踐經驗，借鑒隧道開挖提前注漿加固的方法，基坑開挖前，在需要臨時加固的區域采用提前注漿等加固方法，提高坑周土體的密實度和穩定性。與此同時，根據軟土的塑流變特性和時空效應機理，對基坑采取分層分塊、快速開挖、開挖一段支撐一段的措施，減少基坑暴露時間，縮短基坑平衡力系建立時間，控制基坑的變形（圖3）。每分段長度通常按1～2個同層水平支撐間距確定，為3～8 m；每層厚度通常按支撐豎向間距確定，為3～4 m，每段開挖和支撐形成時間嚴格限制，一般控制在12 h內。

圖2 上海某工程基坑分區示意

圖3 狹窄基坑開挖縱剖面示意

3.3 基坑鋼支撐軸力實時補償系統

隨著外界環境的變化和基坑開挖的進行，基坑鋼支撐軸力一直處在動態變化的狀態中，為了克服傳統鋼支撐存在的技術缺陷，借鑒自動控制理論，將液壓自動伺服控制系統應用于深基坑鋼支撐的軸力控制中。通過實時監測系統內壓力并比較設定壓力的差值，通過既定壓力和支撐軸力之間的響應關系，對鋼支撐軸力進行診斷，并根據診斷結果作出相對應的軸力調節，實現主動加壓調控變形，確保深基坑邊所需保護建（構）筑物的安全[3-4]。

3.4 基于深基坑圍護結構變形和支撐軸力的微變形控制系統

由于地質條件錯綜復雜，截至目前，都沒有一種成熟理論能夠解釋所有的基坑變形，基坑圍護結構位移變形與支撐軸力之間的響應關系也是非線性的，很難通過支撐軸力對基坑圍護結構進行精確控制。本系統是在基坑鋼支撐軸力實時補償系統的基礎發展而來，通過成串的探頭組成基坑圍護結構實時監測系統（圖4）。該實時監測系統可以對基坑圍護結構的水平位移進行實時監測，運用曲線、曲面擬合，分析圍護結構的實時變形狀態和發展趨勢，同時將變形狀態與規范或者變形控制要求進行比對，再將比對結果反饋給中央處理器。若圍護結構的變形已經超過控制要求或者有超過的趨勢，中央處理器給支撐軸力補償系統發出軸力調整信號，控制圍護結構變形或者阻止變形趨勢進一步發展，同時實時監測系統監測圍護結構變形，驗證基坑變形的控制效果，從而實現對基坑圍護結構變形的閉環控制，使得變形始終處于安全合理的范圍之內，達到基坑變形小于5 mm的毫米級微變形控制要求（圖5）。

圖4 實時監測系統工作原理

圖5 基于深基坑圍護結構變形的微變形控制系統原理

3.5 深基坑微變形遠程智能可視化管理平臺

為了實現深基坑工程多任務、多目標、多層級的實時監控目標，確保深基坑工程本身結構的安全和周圍敏感目標的正常使用，本系統在傳統現場單一控制的基礎上，研發了一套多任務、多終端的遠程綜合管理平臺。該平臺系統可以同時管理多個項目，并可以對已完成的監測數據進行大數據分析，為后續類似工程提供科學參考（圖6）。

4 工程應用

4.1 工程概況

上海靜安區312街坊33丘地塊項目北鄰上海馬戲城、南鄰大寧路、西鄰東方明珠大寧公寓、東鄰共和新路，基坑1區、2-1區、2-2區、3-1區、4-1區中間連成一個整體，其中3-2區、4-2區、4-3區距離建筑物邊線只有約10 m，5區、6區、7區、8區的基坑長度近200 m，距離運行地鐵線平均約7.5 m（圖7）。為確保建筑物和運行地鐵生命線的安全，項目采用基坑微變形控制技術，工程需對3-2區72根、4-2區66根、4-3區66根、5區36根、6區30根、7區36根、8區30根以及臨時鋼管換撐136根等共計472根支撐使用基坑微變形控制技術，從而對基坑及基坑群的施工進行微變形的精準控制，確保地鐵生命線及建筑物的安全。

圖6 深基坑微變形遠程管理平臺

圖7 工程基坑平面示意

4.2 實施效果

通過采用分區、分塊施工以及部分逆作法施工工藝，運用基于深基坑圍護結構變形的微變形控制系統，經第三方監測機構檢測，深基坑圍護體結構的最大位移變形小于10 mm，基坑邊保護建筑的位移均控制在5 mm之內，實現對基坑施工及保護建筑的雙毫米級高精度微變形控制（圖8、圖9）[5-6]。

圖8 基坑圍護結構的水平位移

圖9 基坑周圍主要監測點的沉降量

5 結語

隨著城市的發展，建（構）筑物的基礎向深而大的方向發展，而且基坑邊的環境日趨復雜，對基坑工程施工提出了更為嚴格的要求。本文是基于多年來上海地區數十個工程實踐經驗，從理論研究出發，以施工工藝為先導，以重大技術裝備和關鍵技術創新為核心，形成了一整套軟土地區敏感環境下深大基坑變形控制技術體系，包括2套施工工藝和2套變形控制系統。施工工藝分別是分區、分塊施工工藝和基于軟土流變特性的土體加固和精準開挖支撐施工工藝；控制系統分別是基坑鋼支撐軸力實時補償系統和基于深基坑圍護結構變形的微變形控制系統。通過在數個工程中的應用，證明了在軟土地區采用深大基坑微變形控制技術體系能夠有效控制基坑的變形，很好地保證了基坑周邊保證目標和周圍環境的安全。