廣州淤泥質地層深大基坑開挖中的地層變形特征

杜 文 寧三子 金 罡 孟曉偉 馬龍祥 余云翔

1. 深圳中鐵二局工程有限公司 廣東 深圳 518054；

2. 中鐵南方投資集團有限公司 廣東 深圳 518054；

3. 中鐵二院昆明勘察設計研究院有限責任公司 云南 昆明 650200；

4. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室 四川 成都 610031

周圍地層的變形情況是基坑建設中一項極為重要的指標，可以很好地反映基坑的穩定性。因此，在基坑的設計及施工過程中，應著重關注并研究基坑周圍地層的變形情況，以便評判基坑支護結構及施工方法的合理性，并在必要時及時變更支護與施工方法。張啟斌等[1]針對某地鐵深基坑工程，對3種不同加固措施情況下基坑開挖引起的土體損失進行了模擬，并以此提出了控制周邊沉降最優的基坑加固措施；木林隆等[2]基于反分析的方法，研究了基坑開挖引起的土體位移，發現考慮土體小應變并采用反分析的方法可較為準確地計算基坑開挖引起的土體位移；李福林[3]通過有限元方法模擬了狹長基坑開挖過程中的軟土變形特性，得到了在狹長基坑開挖過程中周邊深層土體的位移發展規律；崔紅利等[4]采用數值模擬結合現場監測數據分析的方法，研究了基坑開挖對周圍地層及建筑物沉降的影響；孫小力等[5]以蘇州地鐵車站基坑施工項目為背景，采用現場監測及數值模擬的方法，分析了基坑開挖過程中圍護結構及地表沉降的演變規律；劉小麗等[6]利用經驗關系式對軟土深基坑開挖中既有地表沉降的估算方法進行了改進，可更好地對由基坑開挖誘發的地表沉降進行估算。

綜上所述，針對基坑開挖而引起地表沉降的問題已有較多研究，但是由于地層的復雜多變，現有的研究還遠遠不能概括所有的基坑工程，針對具體問題進行具體分析仍十分必要。

廣州南沙地區某安置房基坑項目地處淤泥質軟土地層，且周邊遍布既有房屋及道路，開挖過程中地層變形控制難度較大，施工時具有較大風險。在此背景下，本文將針對該基坑工程，利用數值軟件對其開挖支護過程進行精細化模擬，并結合實際監測結果，研究該基坑工程施工過程中的地層變形規律，進而分析該基坑工程支護體系及施工方法的合理性。

1 工程概況

廣州南沙地區某安置房基礎需要進行較大規模的基坑施工。該基坑南北長135.76 m，東西寬137.15 m，開挖面積17 535 m2，開挖深度9.2 m，南側緊鄰居民小區新聯新村別墅區（距基坑邊最近處12.3 m），北側緊鄰華美大道（距基坑邊最近處11.8 m），如圖1、圖2所示。該基坑所處地塊為典型的珠三角沖積平原灘涂圍海造地區域，場地內地層依次為①3素填土、②1-1淤泥、②3粉質黏土-黏土、③1粉質黏土-黏土、④2粉質黏土、⑧2強風化泥質粉砂巖，土層具體物理力學指標如表1所示。

圖1 基坑平面布置

圖2 周邊既有房屋及道路示意

表1 主要土層的物理力學指標

根據場地內環境條件、開挖深度、地質條件將基坑支護劃分為3個支護單元。基坑A—B、B—C段安全等級為一級，采用較強的支護措施，其中A—B段采用SMW工法樁＋3道擴大頭可回收錨索，B—C段采用SMW工法樁＋2道內支撐；C—A段安全等級為二級，采用SMW工法樁＋2道擴大頭可回收錨索。三軸攪拌樁采用φ850 mm@600 mm插一跳一的施工工法，2道內支撐均采用鋼筋混凝土支撐，坑內立柱采用直徑1 000 mm鋼管作為臨時支撐。典型支護剖面如圖3、圖4所示。

圖3 1-1支護剖面

圖4 2-2支護剖面

此外，場區內沿線地下水位埋藏較淺，勘察期間測得穩定水位埋藏深度為0.80～3.60 m，地下水位絕對高程為2.91～5.54 m，對基坑開挖施工有重要影響。為此，在基坑開挖前，提前3周在基坑周邊和中部設置集水井，進行坑內降水，開挖過程中根據開挖面高度不斷調整水位面高度，保證開挖時水位處在開挖面以下1 m，實現分層降水開挖。

基坑的開挖和支護可分成7個施工階段，如圖5所示（圖中紅色箭頭為開挖方向，陰影部分為放坡段，黑色部分為馬道）。其中，第1階段開挖基坑西南、東南及東北側范圍至－2.4 m（未開挖處進行放坡處理），并在距離地面以下1.95 m處設置第1道鋼筋混凝土支撐，如圖5（a）所示。第2階段繼續開挖第1階段范圍至坑底（未開挖處同樣進行放坡處理），按照分層分段開挖，分層高度依次為2.4、2.0、2.0、2.8 m，每開挖下一層前需降水至開挖面以下1 m，對于底層為淤泥質土的則需做好換填工作，換填深度為1 m；此外，在距地面以下5.95 m處設置第2道鋼筋混凝土支撐，同時安裝部分錨索，如圖5（b）所示。第3—7階段依次開挖余下部分（未開挖處同樣進行放坡處理）并及時安裝相應位置的錨索，如圖5（c）～圖5（g）所示。

圖5 各階段開挖完成平面

2 基坑施工數值模型

采用有限差分軟件FLAC3D對基坑工程的開挖支護施工過程進行模擬分析。為減小邊界效應的影響，數值計算模型取340 m×340 m×40 m，所建立的模型如圖6所示。

圖6 有限差分數值模型

土體模擬選擇摩爾-庫侖模型，工法樁水泥土采用彈性本構模型模擬，工法樁型鋼、錨索、支撐梁、土釘分別采用樁（pile）、錨桿（cable）、梁（beam）及錨桿（cable）等結構單元進行模擬。基坑的開挖按實際施工步驟進行模擬，在模擬中考慮地下水滲流對基坑及周圍地層的影響，采用流固耦合的方法進行計算分析。模擬分析時力學邊界條件為模型四周及底部法向約束，水力邊界條件為模型四周透水，底部不透水。此外，基坑周邊的既有房屋建筑及道路，采用地面超載的方式進行模擬，其中房屋荷載取30 kPa，道路荷載取10 kPa。

3 地層變形數值模擬結果分析

圖7給出了基坑開挖完成后的地層豎向變形云圖。

圖7 豎向變形云圖

從圖7可看到：基坑開挖引起基坑四周地表的最大沉降均發生在距坑邊一定距離處，其中在基坑東側最大沉降值為9.8 mm，出現在距坑邊約21 m處；南側最大沉降值為17.2 mm，出現在距坑邊約24 m處；西側最大沉降值為11.3 mm，出現在距坑邊約23 m處；北側最大沉降值為16.1 mm，出現在距坑邊約21 m處。在當前支護及施工方案下，基坑開挖完成后周圍地層的最大沉降值小于控制值30 mm，基坑施工過程中的穩定性可得到保證。由于基坑北側和南側存在既有建筑及道路，故基坑施工引發的地表最大沉降值相較于其他兩側更大。由于基坑土體開挖的卸荷作用，基坑坑底絕大部分出現了一定程度的隆起，其中隆起最大值為31.2 mm。基坑坑底先挖范圍（第1及第2階段開挖范圍）內的隆起量普遍較大，而基坑后續開挖范圍由于受先開挖區域卸荷造成土體松弛效應的影響，其范圍內的坑底隆起量相對較小，甚至表現為沉降（沉降量值可達8.5 mm）。這表明基坑的開挖分區，特別是基坑中部后挖范圍的設定，有效抑制了基坑開挖造成的坑底隆起。

圖8分別給出了過基坑西側最大地表沉降處沿東西方向，及過基坑南側地表最大沉降處沿南北方向截取的地層橫剖面在基坑開挖完成后的地層豎向變形云圖。

圖8 開挖完成后的最大地表沉降斷面云圖

從圖8中可以看到：在基坑開挖完成后，基坑四周地表均出現了漏斗狀的沉降區域，但地層最大沉降均出現在地表距坑邊一定距離處；而第1及第2階段開挖范圍內且距坑邊10～40 m區域內的坑底在基坑底部約5.2 m范圍內，均會出現量值大于2 cm的隆起。

以基坑南側最大地表沉降為基點，作基點與南側坑邊的垂線，并以該線作為測線從坑邊開始每隔10 m布設測點，研究地表沉降隨距基坑距離增加的變化規律。圖9給出了地表測線在不同施工階段的沉降變化曲線。圖中①、②和③表示存在既有房屋荷載的區域。

圖9 基坑南側地表沉降曲線

從圖9中可以看到：由于土體自身重力及基坑開挖土體的松弛效應，鄰近基坑側土體出現了不同程度的沉降。總體來看，基坑周圍地表沉降表現為拋物線形漏斗狀的分布，即隨著距坑邊距離的增大，地表沉降呈先增大后減小的變化趨勢；隨著基坑施工的持續進行，基坑周邊地層沉降所呈現出的“漏斗”現象也愈發顯著。房屋荷載的存在對基坑開挖誘發的地表沉降有一定的影響，主要表現為在荷載施加區域（①、②和③），地表沉降曲線往往有所下降，即既有房屋荷載會增大地表沉降，這一點在區域②尤為明顯。在第1階段施工時，由于基坑內支撐體系及更遠處地層朝向坑底的滑移變形對坑邊土體擠壓的聯合作用，地表在基坑邊緣處（距基坑邊緣5 m范圍內）出現了輕微隆起，隆起量約為0.48 mm。基坑在第2階段施工完成后，各測點地表沉降均有較顯著發展，地表監測點最大值可達11.73 mm，這是由于此階段開挖鄰近測線位置且開挖量大兩方面的因素共同造成的。在基坑第3階段及以后階段的施工過程中，由于施工位置逐漸遠離監測范圍，故地表各監測點的沉降發展速度逐步放緩，而在基坑開挖完成后，地表測點的最大沉降值為16 mm。

4 數值模擬結果驗證分析

在基坑的施工過程中，采用水準儀在基坑周邊對距坑邊6 m的地表沉降進行了監測，地表沉降監測點DBC1—DBC28的布置參見圖1。為了驗證數值模型的可靠性，本節選擇了部分典型的地表沉降監測點，比較這些監測點的地表沉降數值模擬結果與監測結果，如圖10所示。

從圖10中可以看到：數值模擬所得的沉降值及趨勢與實測數據均較為接近。就整體趨勢而言，北側DBC3與DBC6以及西側DBC22與DBC23測點的數值模擬及實測沉降量值在施工第1及第2階段均僅有較小發展，而在基坑后續施工階段才有相對較大的發展；東側DBC11與DBC12以及南側DBC16與DBC18測點的數值模擬及實測沉降量值均在施工第1及第2階段即有較大發展，而在基坑后續施工階段相對較為穩定。這顯然與施工第1及第2階段開挖范圍距離基坑東側和南側更近，而后續施工階段距離基坑北側和西側更近的事實相符。就沉降量值而言，在所選擇的地表測點中，數值計算的最大沉降值為5.33 mm，而監測的最大沉降值為5.88 mm，總體沉降均處于2～6 mm范圍內。由此可見，本文的數值分析結果具有較高的可靠性。

圖10 數值計算與現場監測對比

5 結語

本文通過研究，主要得到了以下結論：

1）隨著基坑施工的持續進行，基坑周邊地表的沉降在總體上呈逐漸增大趨勢，并且基坑周邊地層沉降所呈現出的“漏斗”現象也愈發顯著。

2）本次基坑工程開挖引起基坑四周地表的最大沉降值為17.2 mm，出現在基坑南側距離坑邊約24 m處。

3）將基坑中部區域設定為基坑開挖后挖區，可有效抑制基坑開挖所引發的坑底隆起。

4）該軟土基坑現行設計的支護方案可保證基坑施工過程中周圍地層的變形處于可控的范圍內，是完全合理的。