深大基坑基底隆起變形性狀及規律分析*

高 莉，呂連勛，錢 明，張衍林

(1.中國石油天然氣股份有限公司廣西石化分公司，廣西 欽州 535008；2.青島中油巖土工程有限公司，山東 青島 266071； 3.北京市勘察設計研究院有限公司，北京 100038； 4.煤炭科學研究總院礦山大數據研究院，北京 100013)

0 引言

隨著城市開發規模與建設密度的不斷增加，地下空間開發利用的需求愈發突出，深基坑工程也逐漸呈現開挖深度、占地面積越來越大的趨勢[1-2]。由于周邊環境與地質條件的復雜性和不確定性，變形控制成為深基坑設計與施工中備受關注的技術要點。通過研究有關深基坑事故實例發現，坑底隆起引發的失穩破壞是常見的事故原因之一[3-4]。過大的基底隆起預示著地基土層的塑性破壞，影響深基坑工程的穩定與安全，應當在施工與監測過程中予以足夠的重視。

深基坑基底隆起及穩定性控制等研究具有重要實踐意義，不少學者已在相關理論及現場監測等方面取得了豐碩成果。陳昆等[5]基于原狀土強度及卸荷參數分析了基坑施工過程中基底回彈及支護結構的變形情況，并通過與現場監測數據對比，研究卸荷作用對土體強度的損傷程度。Borges等[6]依托軟土地區樁錨支護基坑工程實例，分析了軟弱基底的抗隆起穩定性，利用有限元研究了加快基坑開挖與及時施作底板等控制措施對減小基底隆起變形的有效性。趙宏宇等[7]對基坑施工過程的環境效應進行追蹤監測，分析了預應力型鋼組合支撐對圍護體系變形的影響，并研究了周邊結構的沉降規律。范建軍等[8]系統研究了自穩式深大基坑施工擾動后的變形峰值分布，建立了基于施工擾動的位移預測公式。韓健勇等[9]研究了樁錨支護體系深基坑的受力變形規律，并通過抗傾覆及抗隆起穩定性驗算，探討圍護結構的支護效果。

上述研究對基坑開挖過程中的基底隆起穩定性及支護變形控制具有一定指導意義，但基底隆起的影響因素復雜且具有隨機性，關于其變形特性及發展規律的研究還不成熟。本文以北京某深大基坑工程為依托，建立開挖數值模型，系統研究整體開挖引起的土壓力差、支擋結構向坑內變位、地下水滲透及深層承壓水水頭變動等導致的基底隆起變形性狀，并結合現場監測資料研究基底變形規律，以期為超深大基坑支護設計與施工提供一定借鑒。

1 工程概況

1.1 項目概況

某超高層建筑位于北京市CBD核心區，占地范圍約為135m×85m，基坑深度為38.5m，其中，相對標高 -27.200m 以上采用樁錨支護(φ1 000大直徑鉆孔灌注樁+5道高強預應力錨索)；標高-27.200m以下采用地下連續墻+預應力錨桿+混凝土內支撐的綜合支護方案。該超深基坑典型支護剖面如圖1所示。第1道錨索長26m，錨固段長8m，由3根7股φ5的鋼絲組成；第2道錨索長23m，錨固段長7m，由3根7股φ5的鋼絲組成；第3道錨索長20m，錨固段長5m，由4根7股φ5的鋼絲組成；第4道錨索長22m，錨固段長5m，由4根7股φ5的鋼絲組成；第5道錨索長20m，錨固段長5m，由4根7股φ5的鋼絲組成。錨固間距均為1.8m。

圖1 基坑典型支護剖面

1.2 工程地質及水文地質條件

項目場地地層按沉積年代及成因特點，分為人工堆積層和第四紀沉積層[10]。勘探深度范圍內，各土層在豎直方向上，表現為穩定的由黏性土、粉土至砂土、卵石的沉積旋回；在水平方向上，各土層分布厚度、土質特征有一定變化。

工程場區自然地面下60m深度內存在4層地下水，地下水類型自上而下依次為層間潛水及承壓水(3層)，與區域地下水分布條件基本一致。各層地下水水位及巖性情況如表1所示。

表1 各層地下水水位及巖性情況

2 隆起誘發機理及仿真模擬

2.1 基底隆起誘發機理

深基坑基底變形主要包括坑底土體的隆起變形及開挖卸載引起的基底回彈[11]。若支護結構插入深度、強度、剛度足夠且基底封閉及時，以線性回彈變形為主，否則基底將以隆起變形為主。尤其是地基土在外界環境等影響下出現塑性破壞時，豎向位移中雖然也包含卸載回彈，但回彈量級遠低于隆起變形。

基底隆起變形不可避免，但可通過一定措施進行控制，避免出現過大隆起。誘發基底隆起的影響因素具有模糊性和隨機性，與開挖深度、支護情況、地層地質及水文地質條件均有關。根據現有經驗[11-12]及基坑施工后引起的環境條件變化，總結如下。

1)由于場區內土體大范圍整體開挖，導致基坑與周圍土體產生較大的土壓力差，在內外自重壓差的影響下，土體產生豎向變形。

2)由于坑壁的水平力作用，支擋體系向內側移動，引起被動區地基土的拉伸剪切破壞，導致坑底隆起變形。

3)地下水繞止水帷幕或深部承壓水通過勘察孔、樁孔等產生自下而上的滲流，導致滲流影響區的地基土在動水力作用下發生隆起。

4)承壓水測壓水頭因現場降水停滯、補給增多等因素增大，或隔水層以上的覆土因基坑開挖而減少，導致上部土體及結構受到的承壓水浮力作用變大而發生豎向變形。

2.2 仿真模型及計算參數

隆起變形的形成機理復雜，難以通過解析法進行預測。根據上述基底隆起的主要因素，采用數值仿真法從基底隆起的空間、機理、變形量級等方面，分析不同因素引起的基底隆起變形性狀。

2.2.1數值計算模型

考慮巖土特性的不確定性與復雜性，數值分析中采用以下假定：①土體材料為均質、各向同性的連續介質；②忽略施工過程中疏干的層間水及第1層承壓水的作用，將第2,3層承壓水對上部土層的影響簡化為豎向作用力。

約束條件選用默認的位移約束，即兩側限制水平向位移，底部限制豎向位移，頂部設為自由條件。建立的數值計算模型如圖2所示。

圖2 數值計算模型

2.2.2本構模型及參數確定

根據已有研究成果及相關經驗[12]，土體本構關系選擇莫爾-庫侖模型，錨桿及樁結構分別選用cable，pile單元。

根據場區勘察報告，并通過工程類比及反分析確定土體計算參數，如表2所示。

表2 土體主要物理力學指標

2.3 施工模擬步序

根據現場實際施工情況，結合模擬分析的主要目的，將分步施工模擬分為以下階段。

1)階段1 生成初始應力場。

2)階段2 按實際施工步序施作支護樁，分層開挖，施作錨桿、工程樁和地下連續墻。

3)階段3 邊開挖邊支護，基坑開挖至標高 -38.000m， 模擬整體開挖后的卸載回彈及土自重壓差對基底隆起的影響。

4)階段4-1 基坑施工至設計標高后進行位移清零，并取消錨桿及工程樁，模擬支擋體系向坑內變位引起的基底變形。

5)階段4-2 基坑開挖至設計標高后進行位移清零，將第2層承壓水水頭升高2m，模擬第3層承壓水通過樁孔發生向上滲透引起的基底變形。

6)階段4-3 基坑開挖至設計標高后進行位移清零，將第3層承壓水水頭升高5m，模擬第3層承壓水通過樁孔發生向上滲透引起的基底變形。

3 基底隆起變形特性

3.1 基坑整體開挖

基坑開挖前，其應力條件相對穩定；大面積開挖后，由于地基土卸載及周邊自重壓差，影響了原土體的平衡狀態，出現基底向上變形的趨勢。分析過程中單獨考慮基坑整體開挖對基底變形的影響，不考慮地下水的影響。開挖及支護完成后的基坑及周圍土體豎向變形如圖3所示。

圖3 基坑整體開挖后的豎向變形(單位：cm)

1)超深基坑施工后，基底與周圍土體的壓力差很大，即便采用多級高強度支護，仍會發生局部區域土體的塑性破壞，此時，基底的豎向變形以塑性隆起為主。

2)受周圍土自重影響，遠離基坑的土體以相對微弱的沉降變形為主；地基土的變形大致表現為越靠近基坑中心隆起趨勢越明顯，坑內各部位總變形量為28～62mm。

3)工程樁對基底隆起具有較好的控制作用，基坑施工完成后，中部受工程樁的約束，豎向變形量略小于右側立柱附近的無樁部位，工程樁可減少隆起變形量12～22mm。

4)地下連續墻、圍護樁等對基底豎向變形發展具有約束效應，土體開挖在坑角邊處產生的位移量最小，向基坑中部漸增。

3.2 支擋結構向坑內變位

基坑開挖后，支護結構向槽內偏移造成基坑及周圍土體變形，如圖4所示。

圖4 支擋結構變位引起的豎向變形(單位：cm)

1)支護結構向槽內偏移，導致周邊土體向基坑內移動而出現較大沉陷，同時坑內土體受擠壓發生基底隆起，一般來說，支護樁的剛度及插入深度越小，受壓區土體因剪切而產生的基底豎向變形越大。

2)由于支護結構對土體豎向變形的控制，坑底隆起最大點不在最邊緣處；且基坑中部土體距支護結構較遠，受擠壓作用較小，隆起變形量最小，僅1～5mm，故坑底隆起性狀總體呈馬鞍形。

3)基底隆起變形主要集中在距坑壁1倍左右基坑深度的小范圍區域，在不考慮錨桿及支護結構水平撐力的極端情況下，基底最大變形量約為47mm，但絕大部分區域隆起量≤5mm。說明支擋結構向坑內變位對地基土的影響有限，做好坑側壁土體水平支撐及圍護，保證支護結構整體穩定，可降低基底隆起。

3.3 地下水滲透

基坑施工時采用降水、止水進行地下水控制。計算因深層承壓水透過天窗效應滲透至上層含水層引起基底變形，槽底以下的卵石層(第2層承壓水含水層)水頭變化按≤2m考慮。地下水滲透引起的豎向變形如圖5所示。

圖5 地下水滲透引起的豎向變形(單位：mm)

1)深部承壓水通過勘察孔、樁孔等發生由下至上的滲流，致使影響范圍內的地基土承受較大的動水力，引起基坑及周圍土體的整體上浮，且越接近地表土層變形量越大。

2)工程樁對滲透引起的基底隆起變形抑制作用有限，基坑中部工程樁區域的變形量僅小于無樁區域約0.5mm。

3)滲流作用引起的土層變形量相對較小，其中基坑外側土體變形≤3mm，坑內基底最大變形約為4mm，且主要位于支護樁及地下連續墻附近。因此，受地下水滲透引起的上層含水層較低水頭變動，對基底隆起有一定影響，但影響程度較低。

3.4 深層承壓水水頭變動

深層承壓水發生較大水頭變動，將通過相對隔水層直接作用于上部地層。假定施工期間第3層承壓水水頭增加5m，以此分析深層承壓水水頭變動對基底隆起變形的影響，結果如圖6所示。

圖6 承壓水水頭變動導致的豎向變形(單位：mm)

1)短時間內深層含水層的承壓性增大，導致隔水層及其以上土體承受的浮力作用增大，引起基坑周邊及附近區域地層的整體升高，當測壓水頭增加5m時，附近地表普遍升高可達6.5mm以上。

2)基底隆起量較大區域主要位于基坑側壁的支護樁及地下連續墻部位，可能與該部位突變易發生應力集中有關，最大基底變形達8.9mm。

3)承壓水變化引起的基底隆起伴隨著周圍地層的整體上浮，水位變化易通過附近區域的深層地下水觀測孔進行觀測，變形可通過附近的沉降監測點綜合判別。該因素將引起地基發生較大的均勻變形，與施工過程及技術優化無關，在確保基坑支護體系穩定的前提下，不會引起較大危害。

4 隆起變形發展規律

在施工現場基底立柱上設置位移監測點(見圖7)。對豎向變形進行追蹤監測，分析基底變形發展規律。分別以基坑東、西側代表性監測數據為例，繪制基底變形時程曲線，如圖8所示。

圖7 施工現場豎向變形監測點

圖8 基底累積變形監測時程曲線

1)從基底變形量級來分析，各監測點的累積變形量為29～66mm，為復雜因素綜合引起的基底隆起；對比基坑整體開挖引起的基底隆起計算結果(28～62mm)，發現二者差距極小，因此，基坑整體開挖是形成基底隆起的最關鍵因素。

2)對比不同監測點的變形數據，由于基坑北側地下連續墻、排樁等支護體系強度高，對土體豎向位移約束作用大，土體開挖在坑角邊處產生的隆起較小，靠近基坑中部監測點隆起較大，與基坑整體開挖卸載數值分析的結論一致。

3)基底隆起變形前期以變形量較小且穩定的回彈為主，后在某時段內發生明顯的突變上浮現象。其中，基坑東、西側瞬時隆起量分別為18，33mm，然后緩慢上浮達到峰值，再以日變形量亞毫米級緩慢上浮、下沉波動。

4)基底發生突變上浮是由于基坑支護結構強度高，對變形起到一定的抑制作用，致使結構應力逐漸積累，出現變形滯后的現象；待結構應力達到一定程度后，應力突然釋放并表現為基底短時間內快速隆起。

5 結語

1)深基坑基底隆起的誘發因素復雜，主要與開挖施工引起的環境條件變化有關，包括地層整體開挖產生的土壓力差、支擋結構受水平力作用發生向坑內的變位、地下水滲透作用及深層承壓水的浮托影響等。基底隆起變形雖不可避免，但可通過一定措施進行控制，防止出現過大的隆起。

2)超深基坑開挖后，基底與周圍土體的自重壓差很大，即便采用多級高強度支護措施，仍會因局部土體的塑性破壞而發生隆起變形。基坑外側土體以相對微弱的沉降變形為主；坑內發生隆起且向中部隆起量漸增，提前施作工程樁對基底變形具有較好的控制作用。

3)確保基坑支護體系穩定的前提下，整體開挖是形成基底隆起的主要因素；支擋結構向坑內變位會引起馬鞍形的基底隆起變形，但影響范圍主要集中在距坑側壁1倍左右基坑深度的小范圍區域內；地下水滲透及深層承壓水水頭變動會引起基坑及周圍土體發生整體上浮，但影響較小，一般不會引起較大危害。

4)基底前期以變形量較小且穩定的回彈為主，后在某時段內發生突變上浮，然后又緩慢上浮達到峰值，再以日變形量亞毫米級緩慢上浮、下沉波動。