軟土深基坑的空間變形特性分析及危險性評估*

李常茂，祝和意

(陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714000)

0 引言

受地質條件、基坑開挖及施工機械擾動等因素影響，基坑施工具有空間立體擾動特征，會對安全施工造成潛在威脅，因此，準確掌握基坑施工過程的空間變形特性及危險性狀態具有重要的工程指導意義[1-6]。目前，已有學者開展基坑空間變形特性研究：張壯等[7]、于富才等[8]利用數值模擬演化基坑開挖過程，掌握基坑變形的時空效應，為基坑后期施工提供一定的信息數據；奚家米等[9]在基坑變形監測成果基礎上，通過數據統計，得出基坑變形的主要影響因素，達到安全控制的目的。上述研究雖揭示基坑開挖過程的部分空間效應特征，但也存在一定不足，如數值模擬難以表達基坑所處環境的不均一性，且未在基坑空間變形特性分析基礎上進一步開展基坑危險性評估，加之基坑所處區域地質條件的差異性，使得仍需針對具體地區開展相應的基坑空間變形特性分析。

在前述研究的基礎上，也有學者進行基坑危險性評估研究，如徐耀德等[10]利用權重矩陣分析法實現基坑多項預警因素的風險量化評估，提高基坑施工過程的風險管控水平；夏元友等[11]利用層次分析法構建基坑施工過程的風險分級模型，實時掌握基坑施工過程中的風險變化，有效保障安全施工；王飛等[12]則在基坑風險因素分析基礎上，構建基坑風險評估體系，實現基坑施工風險的定量評價，合理指導現場施工。上述研究在基坑風險評估方面取得一定成果，但也存在一些不足：采用單一監測項目進行安全風險評價難以全面管控基坑施工的安全風險；基于變形限值進行風險評估多依賴于人為確定，缺乏理論基礎，且未涉及基坑變形極值在基坑風險評估中的應用研究。

因此，本文以安元西路站基坑為工程背景，基于其變形監測結果，先開展基坑施工的空間變形特性分析，再通過特征指標計算進行基坑危險性評估，以期為類似工程提供參考和借鑒。

1 基本原理

1.1 基坑空間變形指標的確立

因基坑施工具有空間立體擾動特征，故其空間變形特性分析應在三維空間變形監測基礎上進行；同時，在基坑施工過程中，其空間變形的研究對象主要為基坑支護結構自身和周邊土體，進而將二者的空間監測指標設定如下：

1)第1類指標，即基坑支護結構的變形監測指標。基坑支護結構是其安全施工的重要保證，其變形能直接體現支護結構的運營狀況，結合其空間變形特征，將其監測項目設定為墻頂水平位移監測和沉降監測。

2)第2類指標，即周邊土體的變形監測指標。基坑施工會對周圍土體造成不同程度的擾動，其空間變形監測也尤為重要，類比前述空間變形指標的布設，將周邊土體空間變形指標設定為地表沉降監測和深部側位移監測。

1.2 基坑危險性評估模型的確立

基坑危險性評估模型構建過程如下：

1)在評估判據的構建過程中，累計變形是基坑穩定性的直觀體現，但限于支護強度及環境差異，不同監測點可能達到的極限變形值Sc也不相同，進而不宜利用累計變形量的絕對值進行基坑的危險性評估；一般情況下，若某監測點的現有變形值St與其極限變形值Sc的比值越大，說明其變形的預留空間越小，危險性也相對越高，故將其作為基坑危險性評估的判別指標，稱為變形分級指標Fr，求解公式如式(1)所示：

Fr=St/Sc

(1)

2)基坑變形發展趨勢也是其危險性的重要判據，當變形分級指標Fr相對較小時，若其變形發展趨勢較強，極易達到極限變形值，應具有較高的危險性；反之，若變形發展趨勢較弱時，其危險性也相對較弱。

3)將基坑危險性評估判據設定為變形分級判據和發展趨勢判據，對應具體判別指標即為變形分級指標和發展趨勢等級指標。

4)結合工程實際，將基坑危險性評估等級劃分為4級，具體劃分標準及建議措施見表1。

表1 基坑危險性評估等級劃分標準Table 1 Classification standards for risk assessment of foundation pit

2類判據及指標的具體求解過程如下：

1)變形分級指標的求解

由式(1)可知，變形分級指標的求解僅需確定現有變形值St和極限變形值Sc即可，前者可通過監測結果直接確定，而后者則需進行針對性求解。同時，Sc值的求解過程應充分利用既有監測成果，將其求解方法設定為指數回歸擬合，擬合公式如式(2)所示：

y=Ae-B/t

(2)

式中：y為基坑變形值，mm；A為待擬合參數，mm，B亦為待擬合參數，d；t為時間變量，d。

根據式( 2 )，得出時間變量t趨于無窮大時，基坑變形值y趨近于定值A，且該值為最大值，進而確定其為待求解的極限變形值。

2)變形發展趨勢等級指標的求解

由于R/S分析已被廣泛應用于基坑變形趨勢判斷中，具有較強的適用性，因此，本文利用其實現發展趨勢等級指標的求解。根據R/S分析的求解過程[13-15]，可得Hurst指數(H值)，其可作為基坑變形發展趨勢的評價指標，其判據為：當H=0.5時，說明分析過程無效，無法判斷基坑發展趨勢；當0.5

H值與0.5的差值p可作為基坑變形發展趨勢強弱的判斷指標，進而利用其實現基坑變形發展趨勢等級劃分，劃分標準見表2。

表2 基坑變形發展趨勢等級的劃分標準Table 2 Classification standards for deformation development trend of foundation pit

2 實例分析

2.1 工程概況

安元西路站隸屬蘇州4號線，位于安元路和文靈路交叉口，近似呈南北展布，設計起始里程為DK2+266.1 m～DK2+532.7 m，結構外包全長為266.6 m，寬度為19.7 m，標準段開挖深度16.5 m，屬深基坑；車站基坑采用地連墻作支護結構，共設置3道橫撐，開挖土方約8.6萬m3。

為保證基坑施工安全，按前述基坑空間變形監測項目進行監測點布設，如圖1所示。由圖1可知，墻頂變形監測點共計28組(編號：ZQ)，每組2個監測點，分別進行水平位移監測(編號：ZQS)和沉降監測(編號：ZQC)；土體側位移監測點共計32組，每組1個監測點，監測深度范圍為28 m，測點豎向間距為0.5 m，用于深層側位移監測(編號：CX)；地表沉降監測共計32組，每組3個監測點，呈垂直支護結構分布，與支護結構凈距分別為2，5，30 m，編號分別為1#，2#，3#(編號：DB)。

2.2 空間變形特性分析

1)支護結構的空間變形特征

28組墻頂水平位移和沉降的變形監測值統計圖如圖2所示。由圖2可知，各監測點的變形值存在明顯波動，近似呈“駝峰”特征，結合圖1中的監測點布設情況，得出在基坑兩端頭的變形值相對較小，而在基坑中部的變形值相對較大，分析其原因，應是支護結構在端部處結構剛度相對較大所致。

圖2 基坑支護結構變形值統計Fig.2 Statistics on deformation values of support structure in foundation pit

圖1 基坑空間變形監測點布置Fig.1 Layout of monitoring points for spatial deformation of foundation pit

2)周邊土體的空間變形特征

①地表沉降變形特征。一般情況下，土體距離基坑越近，其受施工擾動程度相對越大。對1#監測點的沉降值進行統計，如圖3所示。由圖3可知，其周邊土體的地表沉降也具明顯的波動特征，且結合其監測點位置，得出基坑兩端的沉降值也相對較小，而中部的沉降值相對較大，其中，東側最大地表沉降值為6.7 mm，而西側最大地表沉降值為7.2 mm，二者相差不大，且均較小。

圖3 基坑周邊土體沉降變形Fig.3 Settlement and deformation of soil around foundation pit

②土體深層側位移變形特征。 32個土體深部側位移監測點的最大值統計圖如圖4所示。由圖4可知，不同位置處的側位移最大值存在明顯差異，變形特征也與前述各監測項目相似；東側的最大深部側位移值為17.8 mm(CX-09監測點)，而西側的最大深部側位移值為16.2 mm(CX-24監測點)，并對比圖3與圖4，得出基坑施工對周邊土體的側位移影響要明顯大于其對地表沉降的影響。

圖4 不同位置處的最大深部側位移對比Fig.4 Comparison of maximum deep lateral displacement at different positions

通過上述分析，得出在安元西路站基坑施工過程中，其周邊土體的側位移變形量相對最大，其支護結構及地表沉降變形均相對較小，且受基坑結構限制及剛度差異影響，變形多集中于基坑中部，端部的變形量相對較小，可為類似工程的空間變形監測提供參考。

2.3 基坑危險性評估

1)變形分級判據的危險性評估

一般情況下，監測點的累計變形值越大，其對應的危險性也應越高，故分別于基坑長邊(東、西兩側)選取變形值較大的監測點進行評估研究；結合前述基坑空間變形特性分析結果，在墻頂變形分析方面，以ZQS-08，19和ZQC-11，19監測點為例進行分析，而在周邊土體變形分析方面，以DB-08，09，24，25和CX-09，24監測點為例進行分析。

先對墻頂變形進行變形分級判據的危險性評估，結果見表3。由表3可知，在極限變形值求解的擬合過程中，各監測點的擬合度均較趨近于1，說明擬合效果較優；結合現有變形值，得出4個監測點的變形分級指標為0.56～0.67，即危險性等級間于Ⅰ～Ⅱ級，危險性等級均偏低，即說明支護結構的穩定性較好，且二者包含的監測點數相等，均為2個；對比墻頂水平位移及沉降的變形分級指標均值，得前者的均值為0.62，而后者的均值為0.59，以前者變形分級指標相對更大，但對危險性等級劃分的影響較小。

表3 墻頂變形的變形分級判據評估結果Table 3 Evaluation results of deformation classification criteria for wall top deformation

對基坑周邊土體的各類代表性監測點進行變形分級判據的危險性評估，所得結果見表4。在地表沉降變形的評估結果中，得出各監測點的變形分級指標均小于0.6，即其危險性等級均為Ⅰ級；而在側位移的評估結果中，得出東側CX-09監測點的變形分級指標為0.72，危險性等級為Ⅲ級，而西側CX-24監測點的變形分級指標為0.64，較前者略低，危險性等級為Ⅱ級。

表4 周邊土體變形的變形分級判據評估結果Table 4 Evaluation results of deformation classification criteria for surrounding soil deformation

對比上述各監測點的變形分級判據評估結果，得出地表沉降變形的危險性等級相對最低，其次是墻頂變形，而深層側位移的危險性等級相對最高；根據不利條件原則，在變形分級判據條件下，安元西路站基坑的危險性等級為Ⅲ級。

2)發展趨勢判據的危險性評估

根據前述評估結果，得出危險性等級為Ⅱ～Ⅲ級的監測點共計有4個，其他監測點均為Ⅰ級，因此，再利用發展趨勢判據對該4個監測點進行發展趨勢評價，以進一步校核其危險性等級。

通過計算，得各監測點在發展趨勢判據條件下的評估結果見表5。由表5可知，4個監測點的Hurst指數均大于0.5，說明其變形具正向持續性，即其變形仍將持續增加；同時，結合差值p的大小進行趨勢等級劃分，得出ZQS-19監測點和CX-24監測點的趨勢程度較低，趨勢等級為1級，而ZQC-11監測點和CX-09監測點的趨勢程度一般，趨勢等級為2級。綜上所述，根據不利條件原則，在發展趨勢判據條件下，安元西路站基坑的趨勢等級為2級。

表5 在發展趨勢判據條件下的評估結果Table 5 Evaluation results under development trend criteria

基于2類判據的評估結果，結合表1的危險性評估原則，綜合確定安元西路站基坑的危險性評估等級為Ⅲ級，即危險性等級中等，屬預警狀態，應加強風險事故防范，并制定處理措施準備。

3 結論

1)基坑施工過程造成的空間變形顯著，其中，在支護結構空間變形特征方面，各監測點的變形值存在明顯波動，近似呈“駝峰”特征，分析其原因，應是支護結構在端部處的結構剛度相對較大所致。

2)基坑周邊土體沉降相對較小，隨著與基坑距離的增加，地表沉降呈下降趨勢；同時，隨基坑持續施工，不同深度處的土體側位移也隨之增加。

3)在變形分級判據的評估結果中，得出深層側位移的危險性等級相對最高，其次是墻頂變形和地表沉降，基坑危險性等級為Ⅲ級；在發展趨勢判據的評估結果中，基坑的趨勢等級相對較低，僅為2級。

4)該基坑危險性評估方法具有操作簡單，系統性強等優點，能準確判斷基坑危險性等級，具有良好的評價效果，可為類似工程提供參考和借鑒。