窄長類匝道基坑開挖變形監測數據統計分析*

孫廉威，張阿晉，吳小建

(上海建工集團股份有限公司 工程研究總院，上海 201114)

0 引言

隨著城市經濟的高速發展，地面以及地上交通已經很難滿足人們的日常出行需求，向地下發展交通已成為當前的趨勢，尤其伴隨著超大直徑盾構裝備及施工技術的蓬勃發展，大斷面市政道路隧道日漸增多。匝道作為地下交通與地面交通的重要連接方式，意義重大?，F階段往往采用明挖法修建匝道，其本質上為基坑的開挖，相較于一般民建類基坑工程甚至地鐵車站基坑工程，匝道類基坑更窄更長，其相應變形特性及近鄰擾動影響也有所不同，因此有必要針對窄長類匝道基坑的變形特性及近鄰擾動展開研究，進一步增強對窄長類基坑工程的認識和理解。

關于基坑施工變形及近鄰擾動，較多學者開展大量的研究，其中多數集中在民建類基坑，文獻[1-4]通過數值模擬、現場監測和模型試驗的方法針對某具體工程，分析基坑開挖過程中基坑變形性狀和基坑開挖對鄰近建筑的影響，這類分析往往只局限于單一工程；文獻[5-7]利用統計學的思想，通過對大量基坑工程項目中圍護結構變形及緊鄰擾動數據的統計分析，進一步揭示上海、杭州、蘇州等不同地區基坑變形特性及近鄰擾動機制。對于窄長類基坑，也有部分學者展開一些研究，李少波[8]依托廈門軌道交通工程，采用數據統計分析的方法，針對基坑圍護結構水平位移和墻后地表沉降變形進行分析和研究；李福林[9]針對某狹長型深基坑，采用數值方法，分析狹長基坑開挖過程緊鄰土體深層位移發展規律；劉念武等[10]針對某地鐵車站深基坑圍護結構變形特性及近鄰建筑變形特性，開展現場監測及數據分析。上述針對窄長類基坑開展的研究大多基于地鐵車站基坑工程，其寬深比多在1以上，而對于寬深比小于0.5的匝道類基坑變形特性及近鄰擾動的研究較少。

本文基于上海市某窄長類匝道基坑工程，對基坑開挖中圍護結構變形數據、墻后地表沉降數據、近鄰既有建筑變形數據進行統計分析，并與已有窄長類地鐵車站基坑相關統計數據和一般民建類寬大類基坑相關統計數據進行比對，進一步揭示窄長類基坑與一般民建寬大類基坑在基坑變形特征以及近鄰擾動影響上的異同點，其結果可為日后窄長類基坑設計與施工安全評價提供數據支撐和理論依據。

1 工程概況

某匝道基坑工程全長約120 m，采用明挖順作法施工，共分為3個區域，如圖1所示。其中Ⅰ區平均開挖深度(HⅠ)約為23 m，長度約為50 m，寬度為11～21.4 m，開挖時間段為2019年4月9日至2019年7月28日；Ⅱ區平均開挖深度(HⅡ)約為20 m，長度約為30 m，寬度約為8.6 m，開挖時間段為2019年4月9日至2019年6月28日；Ⅲ區平均開挖深度(HⅢ)約為18 m，長度約為40 m，寬度為8.6～12 m，開挖時間段為2019年4月9日至2019年6月1日。在Ⅱ區基坑北側約6.0 m處有1臨時建筑物，建筑物長約25.0 m，寬約6.0 m。基坑典型開挖斷面參數詳見表1～3。

表1 Ⅰ區基坑典型斷面開挖參數

圖1 某匝道基坑平面示意

工程場地位于長江三角洲入?？跂|南前緣，地貌單元屬濱海平原，場地地勢平坦，地貌形態單一，屬古河道沉積區，根據巖土工程勘察資料顯示：工程場地地基影響深度范圍內的地層均屬第四紀全新世至中更新世長江三角洲濱海平原型沉積土層，主要由黏性土、粉性土及砂土組成。本文工程基坑開挖深度內涉及的土層主要有：①1填土、②1褐黃～灰黃色黏土、③灰色淤泥質粉質黏土、④灰色淤泥質黏土、⑤1灰色粉質黏土。

表2 Ⅱ區基坑典型斷面開挖參數

表3 Ⅲ區基坑典型斷面開挖參數

結合設計單位提出的相關監測要求，在變形監測方面確立墻體測斜、墻頂變形、地表沉降和建筑物沉降4類監測內容，如圖2所示。其中共布置10個墻體測斜點，編號為CX1～CX10；共布置16個墻頂變形監測點，編號為Q1～Q16；共布置5處地表沉降監測斷面，編號為DB1～DB5，斷面垂直于基坑邊線，第1個測點距離地連墻2 m，后續測點間距5～10 m不等；針對II區北側臨時建筑，在建筑結構四角布置4個沉降監測點，編號為LF1～LF4。

圖2 監測示意

2 監測結果分析

2.1 墻體測斜位移

不同開挖深度下圍護結構最大側向位移數據統計如圖3所示。由圖3可知，在本文工程中，圍護結構最大側向位移基本處于0.06%H(H為基坑開挖深度，m)至0.40%H范圍內，其平均值約為0.21%H，為徐中華等[11]以民建基坑為主統計得出平均值0.42%H的50%(區間范圍0.10%H～1.00%H)，較接近于丁勇春等[12]針對地鐵基坑統計得出的平均值0.30%H(區間范圍0.04%H～0.60%H)，與莊海洋等[13]針對上海某窄長類基坑統計得出的平均值0.22%基本一致(區間范圍0.08%H～0.30%H)。進一步對比本文工程與徐中華等[11]、丁勇春等[12]和莊海洋等[13]文中圍護結構最大側向位移區間，可以發現，窄長類基坑(本文、丁勇春等[12]和莊海洋等[13])上限明顯要小于民建類基坑(徐中華等[11])。對于區間下限，窄長類基坑主要由窄邊處圍護結構側向位移所決定。本文工程開挖至坑底后CX8～CX10的側向位移曲線如圖4所示，由圖4可知，窄邊處圍護結構側向位移(CX10)明顯小于長邊處圍護結構側向位移(CX8，CX9)，這是由于CX8和CX9位于長邊處，其臨空開挖面更大，卸荷效應更為明顯，而CX10處于窄邊位置，支護剛度相對較大，且存在較為明顯的空間效應。因此在面對窄長類基坑時，充分利用其空間效應，針對基坑長邊合理布置支撐結構，可以有效控制基坑圍護結構側向變形。

圖3 圍護結構最大側向位移與開挖深度的關系

圖4 CX8～CX10側向位移曲線

圍護結構最大側向位移深度Hw與開挖深度間的數據統計關系如圖5所示。由圖5可知，本文工程中最大側向位移深度主要位于開挖深度以下4.5 m至開挖深度以上3.5 m的范圍內，處于徐中華等[11]以民建類基坑為主統計得出的H-5.0 m～H+5.0 m區間內，且相差較小。同時從圖5中可以看出，以15 m為界，基坑開挖深度在15 m范圍內時，圍護結構最大側向位移主要出現在基坑開挖面下方，當基坑開挖深度超過15 m后，圍護結構最大側向位移位置逐漸移至基坑開挖面上方，這是由于在本文工程中，基坑開挖超過15 m后，坑底主要處于⑤1灰色粉質黏土，而在開挖③灰色淤泥質粉質黏土和④灰色淤泥質黏土時會在開挖面附近產生較大的變形，即在開挖至坑底前，較大的變形已經產生。這與馮虎等[14]、李琳等[15]的研究成果相吻合。因此對于窄長類超深基坑，應尤其注意在③和④層土開挖時對于變形的控制。

圖5 最大側移深度與開挖深度的關系

2.2 地表沉降分析

不同基坑開挖深度H下的地表沉降s統計圖如圖6所示。由圖6可知，在本文工程中，地表沉降s的變化范圍為0.04%H～0.35%H，平均值約為0.17%H，遠小于王衛東等[16]統計上海軟土地區以民建基坑為主的各類基坑所提出的平均值0.38%H(變化范圍0.10%H～0.80%H)，同時也略小于莊海洋等[13]根據狹長類基坑變形特征所提出的0.22%H(變化范圍0.10%H～0.30%H)，由此可見相較于民建基坑，同等開挖深度下，窄長類基坑能呈現出對地表更小的擾動，這是由于相較于民建基坑，窄長類基坑在整體圍護剛度和變形控制方面更加優于民建基坑，因此呈現出對近鄰更小的擾動。進一步對比本文數據與莊海洋等[13]中的地表沉降數據，地表沉降上、下限對比如圖7所示。由圖7可知，同為窄長類基坑，二者所引起的地表沉降變化范圍有較好的相似性，但是上、下限略有不同。對于下限本文相對較小，這是由于本文中基坑寬度更窄，空間效應更為明顯，因而相應基坑窄邊所對應的地表沉降受基坑開挖的影響也越小。對于上限，由于本文工程中基坑開挖寬深比最大約為0.93，略大于莊海洋等[13]中所述基坑的0.80，根據徐芫蕾[17]的相關研究，寬深比越大，其坑邊地表沉降越大，因此相對來說本文工程上限較莊海洋等[13]所述上限更大。

圖6 地表沉降與基坑開挖深度的關系

圖7 地表沉降上、下限對比

2.3 墻頂豎向變形分析

不同開挖階段，不同基坑開挖區域，地連墻墻頂豎向位移如圖8所示。由圖8可知：1)不同基坑開挖區域所對應的地連墻墻頂最大豎向位移不同，這是由于不同基坑開挖區域的最大挖深不同所致，且地連墻最大豎向位移隨最大開挖深度減小而減小；2)對于Ⅲ區，由于基坑空間效應及最大挖深較小，可以發現墻頂豎向位移相對于Ⅰ區和Ⅱ區較小，尤其窄邊地連墻墻頂(Q16)的豎向變形基本不受基坑開挖的影響。地連墻墻頂豎向位移與基坑開挖深度間的統計關系如圖9所示。由圖9可知，在本文工程中，墻頂豎向位移主要落在0.01%H到0.10%H范圍之內，平均值約為0.05%H，小于徐中華[6]針對以普通民建類基坑為主所提出的上海平均值0.07%H，由此可見，相較于普通民建類基坑，窄長類基坑由于其尺寸效應，在自身圍護體系抗隆起方面有著較為明顯的優勢，應重點關注長邊處墻頂豎向隆起。

圖8 地連墻墻頂豎向位移

圖9 墻頂豎向位移與基坑開挖深度的關系

2.4 建筑物沉降分析

不同開挖深度下臨近既有建筑物的沉降曲線如圖10所示。由圖10可知：1)建筑物沉降隨著開挖深度的逐漸增大而增大；2)開挖完成后，建筑物后部沉降(LF3，LF4)要大于建筑前部沉降(LF1，LF2)，根據Ou等[18]研究成果，墻后最大地表沉降發生位置的平均值約為0.5H，在本文工程中，建筑物后部(約墻后0.6H)比建筑前部(約墻后0.3H)更加接近于最大沉降發生位置，因此建筑后部沉降要大于建筑物前部沉降；3)建筑物西側沉降(LF1，LF4)要大于建筑物東側沉降(LF2，LF3)，這是由于建筑物西側除受II區基坑開挖影響外，同時還受I區基坑開挖影響的原因；4)根據Burland等[19]對于傾斜量的定義，在本文工程中，建筑物的最大傾斜量約為0.002，與莊海洋等[13]針對窄長類基坑得到的0.001 4較為相近，相較于王衛東等[16]根據上海35個工程實例統計出的最大傾斜量區間0.001～0.017，則處于該區間的下限，由此可見在本文工程案例中，本文工程窄長類基坑開挖對臨近既有建筑的影響相對較小。而對于其他窄長類基坑工程中，應該著重關注長邊處近鄰既有構筑物的變形，并及早采取加固保護措施，以免引起構筑物過大變形。由于尺寸效應，基坑開挖對短邊處近鄰構筑物影響較小。

圖10 不同開挖深度下既有建筑沉降曲線

3 結論

1) 從數據統計來看，窄長類基坑圍護結構最大側向位移普遍遠小于民建類寬大基坑，其最大側向位移區間下限主要由窄邊處圍護結構最大側向位移所決定。但從最大側向位移發生位置來說，窄長類基坑與民建寬大類基坑差別不大。

2) 窄長類基坑相較于民建寬大類基坑，往往呈現出對地表更小的擾動，基于數據統計和對比分析，其擾動大小跟窄長類基坑的寬深比有一定的關系，寬深比越大，擾動越大。

3) 相較于民建寬大類基坑，窄長類基坑由于其尺寸效應，在自身圍護結構抗隆起上有較為明顯的優勢，尤其在本文工程中，窄邊處圍護結構豎向隆起基本不受基坑開挖的影響。

4) 同民建寬大類基坑，窄長類基坑開挖同樣會造成臨近既有建筑一定的傾斜，但是其影響相較于民建寬大類基坑較弱，在本文工程中，建筑物傾斜量基本處于最大傾斜量統計區間的下限。