深基坑支護結構開裂變形險情原因分析及應對措施

吳 雋

上海建工五建集團有限公司 上海 200063

隨著社會經濟的快速發展，城市建設規模不斷增大，這將導致城市土地資源日趨緊張。因此，地下空間的開發和利用變得越來越重要。地下空間的開發和利用將面臨深基坑支護難度大、地下空間施工環境復雜、須對周邊道路管線及建筑物實施保護等問題。珠三角地區大范圍處于軟土地區，土層含水量高、強度低，基坑開挖時易產生蠕變和剪切破壞，加上部分區域土層含有夾砂層，易產生流砂、管涌等問題。

深基坑工程常應用于城市密集建筑群中，施工中需嚴格保護主干道路、鄰近建筑物和地下管線等。因此，進行深基坑施工需嚴格做好相關施工保障措施，否則極易在施工過程中產生險情。

雖然目前進行深基坑施工的有效手段越來越多[1]，但在實際施工中還是會遇到許多突發狀況。

近年來深基坑事故頻發[2-3]，給人民的生產生活帶來了極大的不利影響。因此，本文研究了深基坑工程施工過程中開裂變形險情發生的原因和險情發生后采取的應對措施，這對實現施工過程中深基坑支護結構的安全穩定及險情預防等具有十分重要的指導作用和參考價值。本文將以地質條件差、周邊環境復雜的某大型深基坑工程險情事件及處理措施為例，分享相關的施工經驗。

1 基坑概況

1.1結構概況

本基坑面積約為2.5萬 m2，基坑開挖深度為15.80 m，基坑支護周長為930 m。本基坑安全等級為一級，基坑重要性系數為1.1，鄰近地鐵一側環境等級為一級，其余位置基坑環境等級為二級。支護結構采用“灌注樁＋內支撐”形式。灌注樁直徑為1 200～1 400 mm，入巖深度不小于2 m。

1.2地質水文概況

根據本工程地勘報告，了解到地質分布情況如下：回填素土厚度約3 m，淤泥質土厚度約40 m。基坑開挖深度約15.8 m，開挖深度范圍內的土層包括黏性素填土和淤泥質土。其物理性質為①層黏性素填土：灰黃色，濕-很濕，松散，由粉質黏土組成，含少量砂及碎石塊，填埋時間小于5年。②層淤泥質土：深灰色，流塑，具臭味，含少量腐殖質，局部含較多粉細砂及貝殼屑，局部為淤泥，有機質含量1%～4%。

地下水位較淺，初見水位埋深0.8～2.9 m（黃海高程2.10～3.75 m）。地下水環境類型屬Ⅱ類，地層滲透性類別屬A類。通過采用標準貫入試驗判別法進行判別，判別結果表明場地的液化等級屬“嚴重”。

1.3周邊環境

本基坑北側為雙向8車道主干道（正在進行綜合管廊施工）；西側為一期標段正在施工主樓，地下室已施工完成，一、二期地下室共用一堵墻；南側為已投入使用的主干道；東側為正在施工的地鐵站，如圖1所示。

圖1 基坑周邊環境平面

2 基坑險情及應急搶險

2.1基坑險情描述

由于場地范圍內地基土質非常差、支護結構設計不合理以及在場地開挖后遭遇較大強降雨，支護結構施工完畢后，基坑開始出現細微裂縫，但裂縫寬度仍處于可控范圍內，現場繼續進行土方開挖。

之后，基坑C點附近第1道支撐梁與冠梁之間裂縫突然明顯加大，裂縫寬度約20 mm，如圖2所示。

圖2 基坑第1道撐C點附近裂縫

同時，基坑CDE段、FGH段支護樁在基坑底以上0.8～2.5 m位置出現大量裂縫，最寬裂縫達25 mm，如圖3所示。

圖3 支護樁裂縫

9座區域第2道板撐a點局部開裂，如圖4所示。

圖4 9座a點支撐梁開裂

8座H點附近冠梁開裂，支護樁也出現豎向裂縫，如圖5所示。

圖5 8座H點冠梁及樁開裂

后續險情又有所發展：

1）在第1、第2道板撐靠近冠梁附近出現明顯裂縫。

2）深基坑周邊地表沉降超過100 mm，最大值達149 mm，設計控制值為30 mm。

3）場地內設置水位監測點24個，7座附近W1—W8監測點水位下降均超過6 m；9座設W9—W16監測點，其中有1個監測點下降至超報警值1 m；8座設W17—W24監測點，其中有2個測點下降超報警值1 m；監測報警值為1 m，控制值為1.5 m。

4）支撐結構立柱共設31個豎向位移監測點，7、9座立柱測點的豎向位移均為向上，并超過控制值30 mm，最大豎向位移41.5 mm；8座立柱也為向上位移，最大位移為13 mm。監測位移報警值為25 mm，控制值為30 mm。

5）基坑C點附近第1道支撐梁與冠梁之間出現明顯裂縫時，支撐梁的監測力均為壓力，第1、第2道撐最大壓力分別為3 856、4 821 kN；隨著時間推移，有超過60%的第1道支撐梁逐漸出現拉力，而第2道撐受力均為壓力。第1、2道撐報警控制值分別為5 390、7 700 kN和9 100、13 000 kN。

6）支護樁上部水平位移測點42個，位移方向均向坑內，最大位移39 mm，有3個測點超控制值30 mm，有2個測點超報警值25 mm；監測位移報警值為25 mm，控制值為30 mm。

7）支護樁上部水平位移測點26個，豎向位移均向上，最大位移48.8 mm，有12個測點超控制值30 mm，有2個測點超報警值25 mm；監測位移報警值為25 mm，控制值為30 mm。

2.2應急搶險

從發現險情以來，施工現場迅速啟動了相關應急預案，主要應對措施如下：

1）參建各方當天就組織召開了險情分析及應對會，協調聯動應對險情。

2）根據以往關于基坑險情處理研究[4-5]，基坑底部堆載反壓能夠有效降低土體對結構的土壓力，從而達到加強基坑支護結構的目的。本案例中采取了該方法對支護結構進行加固。首先暫停險情區域土方開挖，并用沙袋、袋裝混凝土堆載在支護樁底部，對支護樁進行反壓，以穩定支護樁。

3）對已開挖至底板底的9座D點角部迅速采用C30水下混凝土進行澆筑，以穩定周邊土體及支護樁。

通過以上應急措施，基坑險情得到了控制，但基坑是否安全、能否繼續挖土仍需進一步研判。

3 主要險情原因分析

3.1第1道撐C點附近裂縫

當C點附近出現明顯裂縫時，該點附近土方已挖至底板底以上，標高約為－9.3 m，支撐梁另一端E點附近由于為出土道路，標高約為3.5 m，兩點之間大部分土方已挖至約－8.3 m處。

當時測得該區域支撐梁為受壓狀態，壓力最大值為1 200 kN，控制值為7 700 kN；從裂縫分布看，該裂縫沿著支撐梁與冠梁交接邊分布；該處為第1道撐角部，應力集中，為薄弱部位，破壞最為嚴重，往兩邊逐漸減輕。

從以上分析可知，出現這種現象的原因可能是由于受到挖土量不同的影響，DE邊出土坡道中的土體和支撐結構能夠同時為DE邊提供支撐力，從而減小了因主動土壓力給支護結構帶來的影響。

而DC段受挖土方量影響較大，支護結構受到了較大主動土壓力，從9座支撐梁均受到壓力也可得以驗證。而支撐梁與冠梁截面相差較大，可知其剛度相差較大，當受到土壓力作用時，剛度較小的冠梁部位出現裂縫。當裂縫發展到一定程度后，9座區域的板撐作為一個整體相應地進行內力重分配，將C點支撐梁的力分配到相鄰板撐上，由此裂縫發展得以減緩。

3.2第2道撐a點附近裂縫

因材料吊裝需要，在a點附近開設了一約4 m×8 m的洞口（圖6），致使該處支撐板傳力不連續，在a點處應力集中，支撐梁受壓崩裂。施工現場發現開裂后立即將該處材料洞口用鋼筋混凝土封堵恢復，此后該處裂縫得以穩定，不再發展。

圖6 開裂點a位置

有研究[6]表明，開洞口將導致結構承載能力下降，在洞口短邊或轉角處出現應力集中現象。為了能夠進一步比較板開孔對支撐梁薄弱位置應力集中方面的影響，采用Abaqus有限元分析軟件對該部位進行模擬分析，得出a點應力變化如圖7所示。

圖7 開洞口前后a點位置應力

從圖7可知：開洞口后，對結構施加同樣大小荷載時，a點應力最大值為30 195.43 Pa，為不開孔的41.53倍。因此對已建結構板開洞口作為吊料口將大幅度增大薄弱部位的應力，降低結構承載能力，從而產生裂縫，影響結構的安全使用。

3.3冠梁H點附近裂縫

當挖去8座支撐結構下土方后，內支撐受到側向土體壓應力作用增大，而二期地下室已完成（支撐結構剛度較大），支撐FGH截面相對于冠梁截面大得多，因此兩期支撐結構交界處出現薄弱部位（圖8）。在受到壓應力時該處首先出現了裂縫。在此處的灌注柱也發生了扭轉，導致樁產生扭轉豎向裂縫。

圖8 開裂點H位置

崩裂之后沒有進一步發展，是因為整個支撐結構發生內力重分配，處于暫時平衡狀態，需加快底板及主體結構施工。

3.4第1、第2道板撐靠近冠梁裂縫

出現這種現象的主要原因是冠梁與內支撐梁板的剛度相差較大，在受到主動土壓力作用下，剛度較小的冠梁會首先產生裂縫，同時將導致結構內部應力重分布，之后土壓力由支護樁和內支撐上的板承擔，結構暫時趨于穩定。

3.5水位下降

水位下降的主要原因是在土壓力作用下，基坑側壁滲水、流砂嚴重，未能及時進行有效封堵，造成基坑外側水位下降嚴重。

3.6地表下沉

地表下沉主要有3個原因：基坑外周邊水位下降，原生土體受到支護樁成形過程中的施工荷載作用而破壞，導致土體結構穩定性下降；隨著土方的持續開挖，場內外水頭差不斷增大，導致了地下水夾雜著土體發生流砂現象；該地區為沖積平原，且原多為魚塘、水田，土質較差，時間長了出現自然下沉。

3.7支撐結構立柱、圍護樁向上位移

由于基坑外側土體下降增大了基坑下部土體的壓應力，同時隨著基坑土方的不斷開挖，水壓力不斷增大，兩者的共同作用導致支護樁產生了向上的豎向位移。

3.8支撐梁拉壓力

支撐梁一般而言是承受壓力的，因其要支撐基坑外側土體傳來的主動土壓力。

第1道支撐梁出現拉力，主要是因為支護樁底部坑內土質較差，無法承受坑外土體傳來的土壓力，造成支護樁底部向坑內傾斜，支護樁頂部向坑外傾斜的“踢腳”現象，最終導致支撐梁承受拉力。

3.9支護樁體裂縫

支護樁裂縫大多出現在第2道板撐與底板底之間的中下部位，這是因為第2道板撐與底板底土體相當于支護樁的支座，支護樁相當于連續梁，基坑外側土方梯形壓力作用于支護樁上，且底板底土體較差，實際起支座作用的位置應在底板底下方，所以支護樁裂縫會出現在第2道板撐與底板底之間的中下部位。

4 后險情應對措施

在險情初期，實施相應的應急搶險措施后，根據險情的發展情況，為確保基坑的安全，參建各方采取了一系列的保障措施，包括加強監測、分區塊施工、坑外注漿止水和增加基坑拋撐等。

4.1加強監測及數據處理

調整和完善監測方案，提高監測頻率，每天兩測。

5月份出現基坑險情后，施工現場人員及時在支護樁底堆載了沙袋及袋裝水泥，并停止樁周邊的土方開挖。但之前累積的監測數據顯示基坑周邊地表、管線、水位沉降、支護結構變形均較大，持續超出報警值和控制值。為此，項目組織專家進行研判，專家認為采取應急措施后基坑數據較穩定，變形數據可歸零重新累積，但需保留歸零前數據，因此監測數據從7月23日起歸零重新計算。

從7月23日起，陸續開展樁底反壓區以外的土方開挖及底板澆筑，基坑的監測數據開始出現較大的變形值，多處監測值超出報警值及控制值，至10月完成鋼拋撐施工后，基坑監測數據較為穩定。為此，項目組織專家進行研判，并從11月20日起將變形數據歸零重新累積。

4.2分區塊施工

將地下室底板劃分為若干塊，各相鄰分塊間隔施工，即施工某一分塊時，相鄰兩塊不得施工。

4.3基坑外注漿止水

對滲水嚴重的基坑側壁，在基坑外側引孔高壓注漿，修復原旋噴樁止水帷幕。

4.4增加基坑拋撐

在基坑支護樁開裂較嚴重的8/9座區域，增加鋼拋撐以加固支護樁，防止繼續開裂。

5 結語

通過上文的論述及分析，對基坑的安全管控需要注意以下幾點：

1）在了解到基坑地質條件差（場地開挖范圍內含有淤泥質土且場地液化等級為“嚴重”）的條件下，應對特殊部位加密勘探，并采取有效的應對措施來降低對支護結構的土壓力。

2）在深基坑支護結構設計和施工過程中，應盡量避免出現結構突變情況，以免出現應力集中，影響支護結構安全性，需加強基坑支護的施工質量管控。

3）在基坑支護結構產生裂縫后，采用了反壓堆載和基底封灌等處理措施，有效地阻止了險情的進一步發展，對軟弱土質條件下的深基坑施工和險情處理具有十分重要的指導作用。

4）險情穩定后，采取了加強監測、分區分塊施工、基坑外注漿止水和增加基坑拋撐等保障措施，進一步提高了基坑險情發生后的安全保障。在今后深基坑施工前還需做好應急預案，備好應急物資，密切監測基坑安全并及時響應。