超長L形深基坑臺階法開挖圍護結構變形特征研究*

甘彬霖 梁亞華 卞 超 畢書琦 楊永華 李 歡

(1.煤炭科學研究總院建井研究分院，100013，北京；2.北京中煤礦山工程有限公司, 100013，北京；3.中國建筑第八工程局有限公司，200013，上海∥第一作者，碩士研究生)

在深基坑開挖過程中，圍護結構變形規律及控制是保證工程安全可靠的關鍵。目前基坑安全事故發生率高達30%，其中42%的地下工程事故主要由施工不當引發[1-3]。經分析，在基坑開挖施工過程中，結構失效風險較大[4]。基坑工程結構的失效破壞一般分為強度破壞和變形破壞，其中圍護結構變形破壞是基坑失效破壞的主要表現形式[5]。

文獻[6-13]主要通過理論分析、數值模擬和施工監測等方法，對基坑開挖過程中圍護結構變形規律及控制問題進行研究。圍護結構處于巖土體天然介質環境系統中，具有隱蔽性、復雜性、區域差異性和環境影響顯著等特點，理論分析和數值模擬一般基于地質環境和邊界條件的假定，故計算模型和分析結果同實際情況之間存在差異，而監測分析結論與工程實際相符，能更好地反映圍護結構實際變形規律。文獻[10]根據超大深基坑開挖監測，分析車輛動載和土體蠕變對支護結構水平變形的影響；文獻[11]通過中隔墻和“盆式開挖”優化設計，有效控制了某L形深基坑支護體系變形；文獻[14]通過監測分析了上軟下硬地質條件的深基坑開挖過程中圍護結構位移規律；文獻[15]根據監測結果，分析了深厚軟土超深大基坑分區對稱開挖引起圍護結構變形特性。

目前，圍護結構變形規律研究多針對單一基坑條件、開挖方式或開挖工況，對超長L形深基坑臺階法開挖圍護結構變形特征研究相對較少。本文基于那洪立交站L形深基坑施工的現場監測，分析臺階法開挖不同施工階段地下連續墻圍護結構的墻頂豎向位移、墻頂水平位移和墻體深層土體位移的變化規律，為特殊開挖方式下異形深基坑圍護結構變形控制提供參考。

1 工程概況

1.1 項目簡介

那洪立交站位于南寧那洪大道與壯錦大道交叉十字路口處，為南寧軌道交通4號線和5號線的換乘站。其中，4號線車站主體基坑長256.6 m，小里程端寬度為31.4 m，聯絡通道段寬度為28.2～37.1 m，標準段寬度為27.5 m，大里程盾構端寬42.8 m，深度為25.9～29.5 m，采用厚800 mm的地下連續墻+內支撐支護形式，設置4道內支撐，其中第1道支撐為混凝土支撐，第2道及以下支撐為鋼支撐。5號線車站主體基坑長269.8 m，標準段寬度為27.5 m，聯絡通道段寬度為25.0～32.8 m，標準段寬度為22.9 m，大里程盾構端寬35.5 m，深度為17.9～22.6 m，采用厚800 mm的地下連續墻+內支撐支護形式，設置3道內支撐，其中第1道支撐為混凝土支撐，其余為鋼支撐。基坑現場布置如圖1所示。

圖1 基坑現場俯視圖

1.2 場地條件

場區內主要工程地質結構層自上而下主要為：①1礫石填土；①2素填土；①3淤泥質填土；⑤2含黏性土圓礫；⑥1-2粉質黏土；⑥2含黏性土粉砂；⑦1-2泥巖；⑦1-3泥巖；⑦2-2泥質粉砂巖；⑦2-3泥質粉砂巖；⑦4炭質泥巖。地下水類型主要為上層滯水、第四紀松散巖類孔隙水及碎屑巖類孔隙裂隙水，水位埋深為5.02～8.77 m。基坑施工采用深井管井降水方法，將坑內水位降至工作面之下0.5 m處。

2 基坑開挖和監測方案

2.1 開挖方案

該基坑采用分層分區、同槽開挖的臺階法開挖方案。4號線基坑共劃分11個單元區域(圖2)，采用后退式臺階搗土開挖的方式，由兩端往中間開挖；5號線基坑劃分11個單元區域(圖3)，根據自南往北臺階法開挖的原則，先整體挖完第2道支撐以上土方，并在北端設馬道坡，再從基坑南端往北進行后退式臺階搗土開挖，以提高出土效率。該項目基坑工程從2018年5月5日開挖動工，至2018年12月10日全部開挖完成。

圖2 4號線主體基坑分區開挖示意圖

圖3 5號線主體基坑分區開挖示意圖

2.2 監測方案

那洪立交站基坑的重要性等級和監測等級均為Ⅰ級。在開挖過程中，對圍護結構的墻頂豎向位移、墻頂水平位移和墻體深層水平位移進行全面監測。

監測點沿地下連續墻布置(如圖4所示)，墻頂豎向位移監測點(ZQC1～ZQC61)及墻頂水平位移監測點(ZQS1～ZQS61)布置在墻頂冠梁處，墻體深層土體位移監測點(ZQT1～ZQT61)布置在靠近墻體周圍土體處。各監測項目的布置要求和監測控制值如表1所示。

a)4號線部分

表1 支護結構監測項目布置要求和監測控制值

3 監測結果與分析

3.1 墻頂豎向位移

截至開挖完成時，墻頂豎向位移監測結果(見圖5)中，除ZQC8監測點出現1.12 mm下沉外，其余監測點均出現不同程度上升。其中，ZQC20、ZQC21、ZQC37、ZQC38、ZQC39、ZQC51監測點的豎向位移超過監測控制值(10 mm)，屬于橙色預警狀態。經分析，ZQC20、ZQC21、ZQC37、ZQC38及ZQC39位于5號線基坑中部兩側，且ZQC20、ZQC21位于基坑中部西側犄角處，ZQC51位于基坑交匯的西側內凹角。這表明基坑的形狀和所處位置對圍護結構的豎向位移影響很大，基坑中部和犄角處的變形相對較大。

圖5 墻頂最終豎向位移

本文選取基坑西端的ZQC1，4號線基坑中部的ZQC6和ZQC57,4號線及5號線基坑交匯處的ZQC46和ZQC51，5號線中部的ZQC21和ZQC38，對歷時數據進行分析，得到L形基坑開挖過程中不同區段圍護結構累計豎向位移的歷時曲線(見圖6)。

由圖6可知，開挖過程中墻頂豎向位移隨時間變化明顯。當開挖深度較淺時，墻頂豎向位移以沉降為主；隨著時間和開挖深度的增加，卸荷效應作用增大，隆起量大于沉降量，圍護結構發生隆起變形，并具有一定的波動性。

圖6 墻頂豎向累計位移歷時曲線

對不同區段而言，L形基坑長邊中部的豎向位移量最大，交匯處次之，短邊端最小，但內凸處豎向位移量相對更大，基坑的形狀效應顯著。根據監測結果，ZQC51、ZQC38和ZQC21的豎向累計位移量均超過了±10 mm的控制值，并分別在9月22日、10月15日和10月29日達到橙色預警等級。4號線基坑中部的開挖深度比5號線基坑中部開挖深度大3.6 m，但4號線主體基坑中部的ZQC6和ZQC57的豎向位移量小于5號線主體基坑中部的ZQC38和ZQC21。這表明由基坑兩端向中間搗土的后退式臺階開挖方式比單向后退式臺階法搗土開挖方式更能有效控制圍護結構的豎向變形。

對比同一區段的最終豎向變形值，ZQC6和ZQC21處分別小于ZQC57和ZQC38處變形值。這與該區段基坑南側和東側土體變形分別受建筑物和橋基的抑制有關。

3.2 墻頂水平位移

基坑開挖完成后，不同監測點的墻頂最終水平位移量均小于控制值(±25 mm)，如圖7所示。根據不同監測點的水平位移量，擬合出基坑開挖完成后圍護結構的變形情況,如圖8所示。

注：墻頂水平位移為正表示向基坑內變形，為負表示向基坑外變形。

由圖8可見：墻頂水平位移以向基坑內變形為主；同一區段的水平位移變形方向基本一致，即同時向內或向外變形；基坑內凸處的水平變形量相對較大，但受內支撐結構的影響，墻頂水平位移沒有明顯的區段特征。

圖8 圍護結構水平位移擬合圖

4號線主體基坑東側開挖深度為26.5 m，5號線主體基坑南側開挖深度為17.9 m，因此在基坑交匯處有1個8.6 m深的坑中坑。基坑交匯區域的墻頂水平位移歷時曲線如圖9所示。在基坑開挖初期，開挖深度較淺且相同，基坑交匯區域監測點的墻體水平位移量較小且變化趨勢基本一致。在8月10日之后，基坑交匯區域北側的開挖深度開始逐漸大于南側開挖深度。此時：北側ZQS12、ZQS45和ZQS46監測點處的墻體水平位移以向坑內變形為主，南側ZQS48、ZQS49和ZQS50監測點的墻體水平位移以向坑外變形為主，且變形量均隨時間的推移逐漸增大；在坑中坑臨界處，ZQS47和ZQS51監測點的墻頂水平位移值介于南北側監測點的水平位移值之間。這表明施工過程中，基坑內的開挖深度差導致區域土體產生不均勻的應力場和位移場，進而使同一區段內不同開挖深度側的墻頂水平變形量不同，且變形方向相反：較深側以向坑內變形為主，較淺側以向坑外變形為主。

圖9 交匯區域墻頂水平位移歷時曲線

3.3 墻體深層水平位移

基坑開挖完成后，不同區域的墻體深層水平位移監測值如圖10所示，不同監測點的墻體深層水平位移隨深度的變化規律基本相同，位移-深度曲線呈明顯指向坑內的“弓”形。ZQT1處的開挖深度為29.5 m，ZQT7、ZQT11、ZQT52及ZQT56處的開挖深度為26.2 m，ZQT19、ZQT39和ZQT44處的開挖深度為19.0 m。結合圖10可知，墻體深層水平位移最大值位置的深度隨開挖深度的增大而增大。

注：水平位移值為正表示向基坑內偏移，為負表示向基坑外偏移。

通過對28組墻體深層水平位移監測點的區域開挖深度、水平位移最大值及其所處深度數據統計分析，墻體深層水平位移最大值為0.076%H～0.264%H(H為所在區域開挖深度)，水平位移最大值所在深度為0.54H～0.80H。對同一區段而言，ZQT39、ZQT56和ZQT11處不同深度的水平位移分別大于ZQT19、ZQT7和ZQT52對應深度的水平位移。這表明：對于L形基坑長邊段中部墻體深層水平位移，外側大于內側；對于基坑交匯處的墻體深層水平位移，內陰角側大于對側。

在基坑開挖過程中，墻體深層水平位移隨時間及深度變化的曲線分別如圖11和圖12所示。在基坑開挖初期，墻體水平位移呈現斜線形分布，位移量隨深度的增加而減小；隨著開挖深度的增加，墻體深層水平位移逐漸表現為“弓”形分布，開挖深度越大“弓”形分布的特點越明顯，墻體最大水平位移值及其所在深度隨開挖深度的增加而增加。至9月30日，ZQT1所在區域的土體開挖完成，ZQT1處深層最大水平位移值的深度基本保持不變，而最大水平位移值隨時間的增加而逐漸增大；至11月15日，ZQT57所在區域的土體開挖基本完成，墻體深層水平位移變化特點與ZQT1處類似。這表明：墻體深層最大水平位移值的深度主要由開挖深度決定；最大水平位移值具有明顯的時間效應，開挖完成后最大水平位移值隨著基坑暴露時間的增加而增大。因此，在基坑施工過程中，應合理安排工序，減少基坑暴露時間，以控制圍護結構的深層水平變形。

圖11 ZQT1深層水平位移歷時曲線

圖12 ZQT57深層水平位移歷時曲線

4 結論

1)L形基坑圍護結構變形的形狀效應顯著，基坑長邊中部的墻頂豎向位移量最大，基坑交匯處次之，短邊端最小，內凸處的豎向位移量相對較大；墻頂豎向位移隨時間變化明顯，當開挖深度較小時，墻頂豎向位移以沉降為主，隨著時間的推移和開挖深度的增加，基坑卸荷效應作用增大，隆起量大于沉降量，圍護結構發生波動隆起變形。

2)同一區段的墻頂水平位移方向一致，均以向坑內變形為主；雖基坑內凸處的水平變形量相對較大，但受內支撐支護影響，墻頂水平位移沒有明顯的區段差異特征；坑內開挖深度差導致同一區段內不同深度側的墻頂水平變形量差異較大，且變形方向相反。

3)墻體深層最大水平位移具有明顯的時間效應；最大水平位移值約為0.076%H～0.264%H；最大值所在深度約為0.54H～0.80H，主要由開挖深度決定；對于L形基坑長邊段中部墻體深層水平位移，外側大于內側，對于交匯處的墻體深層水平位移，內陰角側大于對側。