濱海欠固結地層深基坑群圍護結構側移預警指標研究

黃 俊，翁承潘，丁文其，喬亞飛，陳 之

(1. 中國建筑第二工程局有限公司華南分公司，廣東 深圳 650021；2.同濟大學土木工程學院地下建筑與工程系，上海 200092；3.巖土及地下工程教育部重點實驗室，上海 200092)

0 引言

我國東部沿海地區，如上海、杭州、寧波、溫州、珠海等，分布著較厚的欠固結軟弱土層。這些土層有以下特點：含水量高、觸變性大、壓縮性高、強度低、滲透性差、明顯的流變性、易于發生塑性流動且固結沉降較大。在欠固結軟弱地層的基坑圍護結構常發生較大側移變形，并且常常超過規范建議值，但實際工程卻處于安全狀態。因此需要結合具體工程確定合理的預警指標和預警值，以確保施工安全和施工進度的平衡。

目前已有眾多學者對深基坑變形預警指標進行研究。賀勇等[1]結合基坑工程的特點以及監測分析，提出了基坑工程安全預警的一些量化指標。宋建學等[2]根據國內規范條文，結合地區經驗，提出了基坑變形監測的預警指標。劉濤[3]選取了有代表性的30個地鐵基坑工程的圍護墻體實測變形數據，采用數據挖掘方法研究了基坑狀態、工程風險、施工工況、保護等級和監測數據之間的關系，并在此基礎上結合上海地鐵工程實際情況提出了一套合理有效的基坑變形警戒值。葉俊能等[4]基于14個深基坑工程實測數據，對寧波地區軟土深基坑的變形特性進行研究，建立了寧波地區深基坑監測過程中的預警指標體系。王燁晟等[5]運用概率統計的方法，對大量實測統計數據進行分析，提出了富水砂層深基坑的監控預警指標。薛彬[6]以佛山地鐵文化站深基坑為例，對圍護結構和坑外地表的監測數據進行整理分析，對圍護結構在開挖過程中表現內凸型和坑外地表沉降表現出來的凹槽形特征，提出了相應的基坑變形預警指標和報警值。

綜上，目前大多數的預警指標還是基于工程經驗，預警指標適用的地域性很強。濱海欠固結地層的基坑工程不能簡單照搬其他地區的預警指標。因此，對于濱海地區欠固結軟弱地層，應在參考相關規范和類似工程經驗的基礎上，結合設計計算和有限元計算，建立對實際工程具有指導意義的預警指標和報警值，以確保基坑及周邊環境在施工期的安全，并保障施工進度。

1 工程概況

橫琴口岸及綜合交通樞紐功能區項目位于珠海市橫琴新區，其基坑群工程采用分區方式實施，分為A,B,C,D 4個分區，如圖1所示。在施工過程中，每個分區的基坑按照設計和工期要求分步施工。A區基坑開挖深度在9.2～13.2m，開挖面積約21 000m2，南北兩側圍護結構采用地下連續墻，東西兩側采用分離式排樁+止水帷幕作為圍護結構；B區基坑開挖深度在9.2～13.2m，開挖面積約88 000m2， 與鄰近基坑工程相鄰處借用既有的地下連續墻作為圍護結構，其余區段采用分離式排樁+止水帷幕作為圍護結構；C，D區基坑開挖深度約13.3m，開挖面積分別約為11 000，15 800m2， 圍護結構均采用分離式排樁+止水帷幕。

圖1 橫琴口岸基坑群分區和周邊環境概況

2 工程地質條件

表1 土(巖)層的物理力學參數

3 橫琴口岸基坑群的側移預警指標

為了確定橫琴口岸基坑群的監測預警指標，綜合考慮以下因素：相關基坑工程規范的規定、基于國內類似工程調研的類比指標、橫琴口岸基坑群工程設計計算結果和典型剖面有限元計算結果等。

3.1 相關規范建議的預警指標

橫琴口岸基坑群采用挖孔樁作為圍護結構，開挖深度主要為9.2,13.2,17.8m，局部深坑21.2m，距離圍護結構較遠，暫時不考慮其影響。據此可以估算，如果按照相對基坑深度控制值的標準，橫琴口岸的墻頂水平位移需分別控制在18.4～27.6，26.4～39.6，35.6～53.4mm，墻頂豎向位移分別控制在9.2～18.4，13.2～26.4，17.8～35.6m，樁身深層水平位移分別控制在46.0～55.2，66～79.2，89.0～106.9mm。

綜合考慮絕對值的限制，依據GB 50497—2009《建筑基坑工程監測技術規范》，可確定橫琴口岸基坑群的監控預警值，監測值的變化速率連續3d超過報警值的50%時應報警。參照DBJ/T 15—20—2016《建筑基坑工程技術規程》，結合橫琴口岸基坑群的圍護結構情況，確定橫琴口岸基坑群不同開挖深度的監控預警值如表2所示。

表2 橫琴口岸基坑群監測報警

對比表2可知，《建筑基坑工程技術規程》要求與《建筑基坑工程監測技術規范》的要求基本一致，但是對樁身深層水平位移的要求略高于全國規范。考慮基坑工程的區域性特征，在實際監測中應優先采用廣東省的規范建議值。

3.2 基于類似工程調研的預警指標

調研上海[7]、杭州[8]、寧波[9]、溫州[10]等主要濱海軟土城市的基坑變形特性，統計得到各軟土地區基坑圍護結構側移量如表3所示，從表中可以看出，軟土地區基坑的最大側移均較大，均值在0.4%H(H為開挖深度)以上，最大均值達到0.9%H， 這比《建筑基坑工程監測技術規范》建議的0.5%H～0.6%H略大，比其規定的絕對值45～55mm更大。據此可知，規范給出的預警建議值是基于一定范圍，多種地質條件工程經驗和設計計算的統計結果。該結果僅能為深厚軟土地層的監測預警值提供參考，而并不是工程實施最終確定的控制值。比如，溫州地區由于深厚的淤泥和淤泥質土層，該地區基坑圍護結構的深部最大水平位移均值在0.8%H， 遠大于規范的建議值，但是在實施過程中，多數基坑工程也均安全實施。

表3 部分濱海城市基坑圍護結構變形情況調研

基于以上認識，為確定橫琴口岸基坑群深部水平位移的監測預警值，對橫琴島范圍內的數個基坑進行了調研分析[11]。統計結果表明，橫琴島內基坑圍護結構深部水平位移為開挖深度的0.1%～0.45%。特別值得注意的是，0.45%H的統計值發生在灝怡財富基坑工程，與橫琴口岸基坑群工程相毗鄰，可以提供較好借鑒。為此，初步采用0.45%H作為橫琴口岸基坑群的圍護結構深層水平位移控制值。據此可知，開挖深度為9.2，13.2，17.8m處的深部水平位移控制為41.4，59.4，80.1mm。對比表2可知，基于工程實際的統計值略大于規范的建議值，這與其他地區的認識和規律相一致。

3.3 基于設計計算的預警指標

橫琴口岸基坑群的工程規模和工序復雜程度遠遠超過橫琴島上其他工程，上述調研相似土層基坑類比確定的圍護結構側移預警指標僅能提供借鑒或參考。為進一步確定適用于橫琴口岸基坑群圍護結構的側移預警指標，通過豎向彈性地基梁法，計算分析基坑開挖施工過程中圍護結構的側移。共選取圖1中3，13，25a 3個剖面進行計算分析，得到圍護結構最大水平位移分別為46.8，101.1，42.9mm。

圍護樁的變形呈現中部側移大，頂部和底部側移小的規律，且變形值與開挖深度和土層分布有關；隨著場地內淤泥層厚度的變化，圍護結構的深層水平位移也會發生較大的波動。依據控制值不應超過設計計算值的準則，綜合確定開挖深度為9.2，13.2m處的深部水平位移控制為46.8，43～101mm。考慮管廊深基坑距離B區外圍圍護結構較遠，初步分析時假定其影響較小，暫不考慮。

3.4 基于地層結構有限元計算的預警指標

采用有限元軟件對圖1中的7，12，13和25a 4個剖面進行計算，得到橫琴口岸基坑群工程的側移位，如表4所示。由表4可見，由于深厚淤泥層的存在，圍護結構側移與坑外地表沉降均較大。圍護結構最大側移約為40～80mm，與開挖深度的比值約為0.3%～0.7%。最大側移位置在坑底或坑底以下一定深度，淤泥層厚度越大，最大側移所在位置也越深。

表4 典型剖面圍護結構最大側移計算結果

3.5 圍護結構側移預警指標及實施效果

統計匯總規范建議值、基于工程調研的預測值、設計計算值和有限元計算分析值，如表5所示。針對開挖深度為9.2m的區域，規范建議值、工程類比和設計計算的結果相接近，確定該區域的樁身深部水平位移控制值為45mm；對于開挖深度為13.2，17.8m的區域，規范建議值與工程類比和設計計算的較小值相接近，而與工程類比和計算的較大值差異較大，尤其是有限元的計算結果更大。考慮基坑工程的個性，以設計計算值為基準，同時考慮工程類比和有限元計算結果，確定該區域的樁身部水平位移控制值為100mm。值得注意的是，由于橫琴口岸基坑群的規模大，場地范圍欠固結土層的厚度波動較大，應進一步確定不同區域的深層水平位移控制值，而非采用統一的控制標準。

表5 橫琴口岸基坑群樁身深部水平位移控制值 mm

在確定綜合基坑工程預警指標后，考慮橫琴口岸基坑群的規模和施工工序復雜程度，需要采用分級、分區、分階段的控制指標。分階段即將控制指標分配到每個施工工況階段，嚴格控制每個施工階段的變形值，避免前序工序過大變形帶來的危害。分區即根據基坑的地層信息條件、周邊環境環境條件和基坑的支護結構情況，明確不同區域的監控指標，避免較安全區域的控制指標過大而帶來的不安全，以及控制指標較小帶來的長期報警干擾。分級即將控制值劃分到不同階段，采用多級預警的方式，避免風險的發生。借鑒既有工程經驗，擬定了用于橫琴口岸基坑群圍護結構側移監測的分級標準，如表6所示。

表6 橫琴口岸基坑群監測控制預警值分級

目前，橫琴口岸基坑群已經安全施工完成，統計已有測點最大水平(向坑內)位移h與開挖深度H關系如圖2所示。發現隨開挖深度增大，最大水平位移逐漸增大。h/H平均值為0.18%，最大值為0.37%，最小值為0.04%。9.2m和13.2m深度處的最大側移量分別為35，49mm，均小于預警控制值，表明了預警指標的合理性。

圖2 最大水平位移與開挖深度關系

4 結語

本文開展了濱海欠固結地層深基坑群圍護結構變形預警指標研究，并在橫琴口岸深基坑群中進行了應用，具體結論如下。

1)參考相關規范的規定，開展了國內類似工程案例的調研、設計斷面計算和有限元分析計算，最終確定了橫琴口岸基坑開挖深度9.2，13.2m區域的深層水平位移控制值分別為45，100mm的標準；考慮橫琴口岸基坑群的特性，提出了“分區、分級、分階段”監控預警的原則，并對預警級別進行了分級。

2)構建的側移預警指標在橫琴口岸基坑群工程中得到了成功應用，有效平衡了施工安全與工程進度。