土體超挖對深基坑變形影響分析★

孫永梅 程海濤 米春榮 孫 貝

(1.山東建研科技發展有限公司，山東 濟南 250031；2.山東建科特種建筑工程技術中心有限公司，山東 濟南 250031； 3.山東省建筑科學研究院有限公司，山東 濟南 250031；4.山東省組合樁中心，山東 濟南 250031； 5.濟南組合樁中心，山東 濟南 250031)

0 引言

隨著城市建設的發展，新城區建設、舊城區改造等問題，使得有限的土地資源與快速增加的用地需求之間的矛盾日益突出，城市建設逐步向地下空間進行擴展[1]。隨之發展起來的基坑工程的規模越來越大、開挖深度越來越深、周邊環境愈加復雜，深基坑成為巖土工程中事故的頻發領域[2]。目前，深基坑坍塌事故時有發生，深基坑超挖問題也逐漸被重視。2001年上海靜安區某基坑由于連續兩次超挖，導致連續發生兩次事故，造成周邊建筑物大范圍開裂，經濟損失非常嚴重[3]；2008年杭州地鐵某基坑由于超前開挖導致連續坍塌[4,5]。針對超挖問題，學者們也進行了一系列的研究，Itoh K等[6]借助離心試驗說明了超挖會使錨桿受力過大造成錨頭斷裂，基坑發生傾覆破壞；Tan Yong等[7]通過分析整理監測數據提出一旦超過設計的開挖深度，該超挖段的地下連續墻變形迅速增大；黃天明[8]采用試驗和數值分析的方法研究了超挖對懸臂樁支護連續破壞的機理；鄭剛等[9]基于杭州某基坑事故，建立三維有限元模型進行研究，分析了局部超挖引起大范圍傾覆的作用機理，提出了對于傾覆型基坑連續破壞時的評價指標；張立[10]基于某基坑案例，借助有限元軟件，分析了土方超挖對基坑變形及穩定性影響。

基于已有事故和現有研究，以某深基坑工程為背景，結合現場實際施工過程，研究了土體超挖對深基坑變形過程的影響。為相關工程提供一些理論與經驗指導。

1 工程概況

1.1 基本信息

某基坑工程東西長約168 m，西段143 m，開挖深度8.75 m，1—1剖面采用放坡+混凝土支護樁+預應力錨索復合支護形式，降水采用大口徑砂管井+明排水系統，截水帷幕采用支護樁間高壓旋噴樁截水帷幕。支護樁樁頂放坡2.5 m，坡率1∶0.4，掛網噴混凝土；混凝土支護樁樁徑800 mm、樁間距1.5 m，嵌固深度7.45 m，支護樁頂通長設置鋼筋混凝土冠梁；設置兩道高壓旋噴預應力錨索，錨固段直徑400 mm，長度分別為15 m，13 m，預應力分別為200 kN，140 kN，以預應力錨索為結點通長設置鋼肩腰梁。1—1剖面支護圖見圖1，設計工況變形情況見表1。

1.2 施工過程

基坑自東向西開挖60 m(W6)處，第一道錨索張拉至設計值，第二道錨索成孔注漿完成尚未張拉至設計值，基坑超挖至8.75 m，水平位移達到30 mm，如圖2所示。

表1 設計工況基坑變形情況

開挖至約80 m(W5)處，W6—W5段兩道錨索僅完成成孔注漿、均未張拉至設計鎖定值，直接超挖至8 m。W5監測點樁頂水平位移達到50 mm。兩道錨索張拉至設計值后，施工單位隨即開挖至8.75 m，W5樁頂水平位移超過6.5 cm，如圖3所示。

2 對比分析

計算以下兩種現場施工順序，并與現場監測值及設計工況作對比分析：

1)工況1：開挖至4 m→施工第一道錨索→開挖至8.75 m→滲漏水→施工第二道錨索。工況1基坑變形情況見表2。

表2 工況1基坑變形情況

當1—1剖面開挖60 m，現場只張拉了第一道錨索，然后直接開挖基坑至8.75 m時，現場監測數據(如圖2所示)顯示W6監測點位移達到20.0 mm，之后現場出現滲漏水，流砂等情況，基坑外側水位上升到地面，現場監測數據(如圖2所示)顯示W6監測點位移達到35.0 mm。從表2中可以看出，當基坑開挖至8.75 m時，位移計算值約17.0 mm，當基坑外側水位上升到地面時，位移計算值約32 mm，與現場監測值較一致。

2)工況2：開挖至8 m→施工第一道錨索→施工第二道錨索→開挖至8.75 m。工況2基坑變形情況見表3。

表3 工況2基坑變形情況

當1—1剖面開挖80 m，兩道錨索均未張拉，直接開挖基坑至8.00 m時，現場監測數據(如圖3所示)顯示W5監測點位移達到50.0 mm。之后張拉兩道錨索至設計值，接著開挖至8.75 m，位移達到60.0 mm。在兩道錨索間補打一道錨索后，位移達到65.0 mm。從表3中可以看出，當基坑開挖至8.75 m時，位移計算值約76.0 mm，與現場監測值較一致。

通過對上述兩種理論計算結果與現場監測數據結果進行對比，發現均較吻合，這說明理論計算中各參數的取值較合理。至于工況1與工況2的計算結果相差較大的問題，主要原因在于工況2分步開挖深度過大且未張拉錨索，導致變形過大。

將工況1和工況2與設計工況對比，工況1與工況2的樁頂水平位移均大于設計工況的水平位移，主要原因也是基坑超挖導致的。

3 理論計算

1)工況1：開挖至4 m→施工第一道錨索→開挖至8.75 m→施工第二道錨索。

經過上述分析，已證明理論計算中的各參數取值較合理，在此基礎上，進一步分析基坑超挖對樁錨支護基坑的影響。以工況1的施工順序為例，將第一步的開挖深度分別設置為4 m，4.5 m，5 m，5.5 m，6 m，6.5 m，超挖深度則分別對應0 m，0.5 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m，兩道錨桿設置位置不變，研究不同的超挖深度對樁頂水平變形、基坑內外兩側彎矩變化的影響規律，如圖4～圖6所示。

圖4表示的是采用樁錨支護，第一道錨桿埋深3.5 m，第二道錨桿埋深6 m時，不同超挖深度對樁頂水平變形的影響。從圖6中可以看出，第一步正常開挖(開挖深度為4 m)時，基坑樁頂水平變形只有15 mm，當超挖0.5 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m時，基坑樁頂水平變形分別增加了11%，25%，50%，89%，130%。這是由于土方開挖會打破土體原來的應力平衡狀態，在開挖過程中，土體通過不斷的應力重分布達到平衡，而基坑超挖會使土體實現再平衡更加困難，容易造成基坑變形過大。圖5，圖6分別表示的是不同超挖深度對基坑內外兩側彎矩變化的影響，在第一步超挖過程中，基坑內外兩側的彎矩是不斷變化的，超挖深度越大，基坑內外兩側的彎矩變化也越大。

2)設計工況：開挖4 m→施工第一道錨索→開挖至6.5 m→施工第二道錨索→開挖8.75 m。

以設計工況的施工順序為例，將第二步的開挖深度分別設置為6.5 m，7 m，7.5 m，8 m，8.5 m，超挖深度則分別對應0 m，0.5 m，1 m，1.5 m，2 m，兩道錨桿設置位置不變，研究不同的超挖深度對基坑樁頂水平變形、基坑內外兩側彎矩變化的影響規律,如圖7～圖9所示。

圖7表示的是采用樁錨支護，第一道錨桿埋深3.5 m，第二道錨桿埋深6 m時，不同超挖深度對樁頂水平變形的影響。從圖7可以看出，第二步正常開挖(開挖深度為6.5 m)時，基坑水平變形只有10 mm，當超挖0.5 m，1 m，1.5 m，2 m時，基坑樁頂水平變形分別增加了8%，17%，28%，39%。圖8，圖9同樣表示的是不同超挖深度對基坑內外兩側彎矩變化的影響，在第二步超挖過程中，基坑內外兩側的彎矩依然是不斷變化的，超挖深度越大，基坑內外兩側的彎矩變化也越大。

4 結論

1)用理論計算模擬現場施工過程，發現現場監測數據與理論計算結果較一致，說明理論計算參數取值較合理。

2)基坑采用樁錨支護，第一步超挖0.5 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m時，基坑樁頂水平變形分別增加了11%，25%，50%，89%，130%。第二步超挖0.5 m，1 m，1.5 m，2 m時，基坑樁頂水平變形分別增加了8%，17%，28%，39%。

3)無論是第一步超挖還是第二步超挖，基坑內外兩側的彎矩均是不斷變化的，超挖深度越大，基坑內外兩側的彎矩變化越大。