復雜環境下深基坑施工及監測分析

文／李園 揚州市市政建設處 江蘇揚州 225002

引言：

揚州江平東路快速化改造三期工程二標段雷塘路隧道工程，北側并行寧啟鐵路，南側沿線有220KV 高壓線，施工環境復雜，安全壓力大；受地下管線遷改、房屋征遷及新冠疫情等因素影響，工期要求緊張。現場監測作為確保基坑工程施工安全可靠進行的必要和有效手段,對于驗證原設計方案、局部調整施工參數以及改進和提高設計水平等具有現實的指導意義。

1、工程概況

1.1 基坑概況

揚州江平東路快速化改造三期工程二標段位于揚州市邗江區，呈東西走向，隧道全長838m（暗埋段4 26m，敞口段412 米），基坑寬28.5m，基坑挖深2.1～11.1m，泵房處達到14.4m。因隧道臨近寧啟鐵路以及220KV 高壓線，且基坑深度較深，基坑工程安全等級均按一級設計。

1.2 環境概況

基坑周邊環境復雜，隧道由東向西分別下穿雷塘路、雙塘路、北側鄰近寧啟鐵路，基坑邊緣與鐵路坡腳最近距離為15.3m；南側鄰近220kv 高壓線，基坑邊緣距高壓塔約9.5m，與高壓線水平距離最近處約5.6m。基坑兩側綜合管線有：天然氣管道、自來水管道、通訊管線、鐵路貫通線、10KV 供電線遷改等。

1.3 現場條件

（1）工程地質條件

本工程隧道結構底板主要位于③黏土、④層粉質黏土，地質條件良好。

（2）水文地質特征

區內下水主要分為孔隙型潛水，孔隙型潛水賦存于全新統表土、粉質黏土層中，水位埋深淺，富水性弱，受大氣降水補給及河流側向補給，排泄方式主要為自然蒸發等。勘察期間測得孔隙型潛水穩定水位埋深 1.10 ～1.70m。地下水水位相對穩定。正常條件下，地下水水位隨季節變化有所升降。據調查，地下水水位變化幅度約為埋深0.50 ～2.50m，高值一般出現在 7 ～9月汛期，低值多出現在 11 ～12月旱季，場地歷史最高水位及近3 ～5年最高水位均接近代表。

1.4 支護結構設計

（1）圍護結構

本基坑圍護結構采用Φ800@1000、Φ1000@1200的鉆孔灌注樁,北側為Ф850@600 三軸攪拌樁止水措施，隧道南側（鄰近220KV 高壓線）止水帷幕采用2排Φ600@400 高壓旋噴樁，帷幕底部深入基底以下約6.0m,隔斷坑內外潛水水力聯系。

（2）水平支撐體系

東U2-東U4、西U2-西U3 基坑共有1 道支撐，為混凝土撐，東U1、西U1 基坑共有2 道支撐，第1 道為混凝土撐，第2 道為鋼支撐，JD1-JD9 共有3 道支撐，第1 道為混凝土撐，第2、3 道為鋼支撐，其中JD7（泵房處）基坑共有4 道支撐，第1 道為混凝土撐，第2、3、4 道為鋼支撐。鋼筋混凝土支撐混凝土強度等級均為C30，鋼管支撐為φ 609 mm×16 mm 鋼管。

2、監測數據分析

本基坑在開挖過程中進行了大量的監測，監測內容主要包含有周邊建（構）筑物垂直位移、水平位移及居民區房屋傾斜，周邊管線垂直、水平位移，圍護結構變形、坑內外地下水位變化、坑外地表沉降等。

2.1 基坑周邊環境監測數據分析

2.1.1 基坑周邊建筑物沉降監測數據分析

本項目周邊建筑物在隧道基坑南側，距離基坑邊約20m 左右，建筑物累計變化歷時曲線如下圖1：

由上圖1 可以看出，基坑施工過程中，建筑物受施工影響總體呈現下沉趨勢，最終趨于穩定狀態，對圖中數據說明如下：

圖1

建筑物沉降測點與基坑位置關系：測點F01、F07、F08 正對著基坑，距離基坑最近，其他測點依次環繞在建筑物周圍。

該監測科目在整體監測過程中，各測點最終累計變化量在-1.25mm ～-3.90mm 之間，累計變化量未發生報警（報警值：20mm）。

可以看出，在整個基坑施工期間，建筑物受基坑施工影響沉降較小，最終最大累計沉降量是-3.90mm，測點是F01。

2.2 基坑本體監測數據分析

2.2.1 圍護體頂部沉降、水平位移監測數據分析

基坑開挖施工，坑內土體卸載，圍護體內外受力不平衡，導致圍護體頂部會產生豎向和水平方向的位移，基坑開挖期間，圍護體頂部豎向位移變化較明顯，總體呈上抬趨勢，圍護體整體處于穩定狀態，具體分析如下：

（1）測點位置關系：測點C1～C22-1位于基坑北側，C23 ～C46-3 位于基坑南側。

（2）該監測科目在整體監測期間，最終累計變化量在-2.37mm ～9.16mm 之間，累計變化未發生報警（報警值：20mm）；

（3）基坑開挖階段（2020年08月25日～2021年01月16日），圍護體頂部沉降呈上抬趨勢，測點C45上抬變化較大，由于該測點位于區段與區段交界處后續工序未能及時跟進，故數據變化相對明顯，該測點最終上抬量為9.16mm。

（4）基坑開挖階段，圍護體頂部沉降數據整體呈上抬趨勢，隨大底板澆筑逐步回落（2021年1月29日大底板全部澆筑），其后數據變化趨緩，至基坑出±0.00 后，圍護體頂部沉降數據變化基本穩定。

基坑開挖期間，圍護體頂部水平位移數據變化趨勢向坑內位移，底板澆筑之后數據變化基本趨于穩定，測點位置和數據分析如下：

（1）測點位置關系：測點S1～S22-1位于基坑北側，S23 ～S46 位于基坑南側。

（2）該監測科目在整體監測期間，最終累計變化量在0.20mm ～11.6mm 之間，累計變化未發生報警（報警值：30mm）；

（3）從上圖中可以看出，基坑開挖階段，圍護體頂部水平位移向坑內位移較為明顯，測點S13 向坑內位移變化較大，由于該測點位于基坑邊中間部位，且該位置基坑深度最深，故數據變化相對明顯，該測點最終位移量為11.6mm。

（4）基坑開挖階段，圍護體頂部水平位移數據整體向坑內位移，后續結構施工及二、三道鋼支撐拆除，圍護體頂部水平位移無異常變化，隨大底板澆筑后變化逐步趨緩（2021年1月29日大底板全部澆筑），至基坑出±0.00 后，圍護體頂部水平位移數據變化基本穩定。第一道砼支撐在基坑結構頂板以上約1.5m 左右處，拆除過程中無明顯變化。

2.2.2 圍護體測斜監測數據分析

基坑開挖施工，坑內土體卸載，圍護體內外受力不平衡，導致圍護體產生向基坑內的位移，下圖是變形較大圍護體測斜CX13 累計變化歷時曲線圖。

坑內土體卸載，圍護體在不同深度會產生水平方向的位移，上圖為基坑開挖至結構出±0.00m 期間，圍護體測斜CX13 累計變化曲線圖，具體分析如下：

（1）測點位置關系：圍護體測斜CX13 位于基坑北側邊線中部。

（2）該監測點在整個監測期間，累計變化量在4.5mm ～15.51mm 之間，未發生報警（報警值：30mm）；

（3）可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，圍護體測斜向坑內位移隨之增大，第一層土方開挖期間（2020年10月21日～2020年11月10日），測斜CX13 向坑內位移累計最大值是3.7mm，變化速率：0.19mm/天，第二層土方開挖期間（2020年11月12日～2020年11月20日），測斜CX13 向坑內位移累計值增加5.02mm，變化速率：0.63mm/天，第三層土方挖除結束（2020年11月22日～2020年12月10日），測斜CX13 向坑內位移累計值增加4.47mm，變化速率：0.25mm/天，底板施工期間（2020年12月17日該位置底板澆筑完成），測斜CX13 向坑內位移無明顯變化，第二、三道鋼支撐拆除期間，測斜CX13 向坑內位移累計量最大值分別是：1.83mm、1.63mm；變化速率分別是0.37mm/天、0.11mm/天，至結構出±0.00，測斜CX13變化基本穩定。第一道砼支撐在基坑結構頂板以上約1.5m 左右處，拆除過程中無明顯變化。

（4）基坑挖土期間圍護體向坑內變形較為明顯，鋼支撐體系的及時安裝對圍護體向坑內位移有良好的抑制效果，支撐體系拆除對圍護體產生一定的位移。

基坑開挖至結構出±0.00m 期間，圍護體測斜CX09、CX29 累計變化曲線圖，具體分析如下：

（1）測點位置關系：圍護體測斜CX09、CX29 分別位于基坑北側、南側基坑開挖深度較大處。

（2）點在整個監測期間，圍護體測斜CX09 累計變化量在4.74mm ～9.62mm 之間，圍護體測斜CX29累計變化量在0.76mm～12.18mm之間，未發生報警（報警值：30mm）；

（3）由上圖可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，圍護體測斜向坑內位移隨之增大。底板澆筑完成后，變形趨于穩定。

2.2.3 坑外土體測斜監測數據分析

坑內土體卸載，圍護體在不同深度會產生水平方向的位移，上圖為基坑開挖至結構出±0.00m 期間，坑外土體測斜TX31 累計變化曲線圖，具體分析如下：

（1）測點位置關系：土體測斜TX31 位于基坑南側泵房處，該處是整個基坑深度最大處。

（2）該監測點在整個監測期間，累計變化量在-0.4 mm ～22.19mm 之間，未發生報警（報警值：55mm）；

（3）隨著基坑開挖深度的增加，坑外土體向坑內位移隨之增大，第一層土方開挖期間（2020年11月2日～2020年12月10日），測斜TX31 向坑內位移累計最大值是3.08mm，變化速率：0.08mm/天，第二層土方開挖期間（2020年12月13日～2020年12月20日），測斜TX31 向坑內位移累計值增加6.97mm，變化速率：0.99mm/天，第三層土方挖除結束（2020年12月22日～2020年12月25日），測斜TX31 向坑內位移累計值增加4.68mm，變化速率：1.56mm/天，底板施工期間（2020年12月25日～2020年12月28日），測斜TX31 向坑內位移累計值增加2.33mm，變化速率：0.78mm/天，第二、三道鋼支撐拆除期間，測斜TX31 向坑內位移累計量最大值分別是：0.79mm、1.44mm；變化速率分別是0.27mm/天、0.72mm/天，至結構出±0.00，測斜TX31 變化基本穩定。第一道砼支撐在基坑結構頂板以上約1.5m 左右處，拆除過程中無明顯變化。

（4）第一層土方挖除，坑外土體向坑內位移變化速率不大，第二、三層土方挖除，坑外土體向坑內位移變化速率較大，鋼支撐體系的及時安裝對坑外土體向坑內位移有良好的抑制效果，支撐體系拆除對坑外土體向坑內產生一定的位移。

2.2.4 立柱沉降監測數據分析

基坑開挖施工，坑內土體卸載，圍護體內外受力不平衡，導致基坑內立柱樁會產生豎向的位移，下圖是立柱沉降累計變化歷時曲線圖（部分測點由于開挖時序不同，故監測時限不同）：

基坑開挖到大底板澆筑過程中，基坑內立柱樁垂直位移變化較明顯，呈上抬趨勢，底板澆筑完成后，數據變化基本穩定，具體分析如下：

（1）測點位置關系：測點LZ01 ～LZ26、LZ28 ～LZ43 位于基坑中部，LZ27 位于基坑南側泵房處。土方施工期間，由于部分測點被土方堆壓，未能連續提供數據。

（2）該監測科目在整體監測期間，各測點最終累計變化量在-1.74mm ～16.44mm 之間，累計量未超過報警值（報警值：35mm）。

（3）可以看出，基坑開挖階段（2020年08月25日～2021年01月16日），由于坑內土體卸載，立柱沉降一直呈上抬趨勢，變化較明顯，2021年01月29日大底板全部澆筑完成后，數據變化基本穩定。

2.2.5 支撐軸力監測數據分析

基坑開挖施工，坑內土體卸載，基坑支撐體系內力會發生一定程度的變化，基坑開挖過程中，支撐體系內力變化較明顯，具體分析如下：

（1）測點位置關系：測點Z1-1 ～Z19-1、Z21-1 ～Z31-1 位于基坑對撐上，測點Z20-1 位于基坑南側泵房處冠梁上。土方施工期間，由于部分測點被土方堆壓或受損，未能連續提供數據。

（2）該監測科目在整體監測期間，各測點軸力值變化在300kN ～2868kN 之間，未發生報警（報警值：4000kN）。

（3）可以看出，測點Z5-1 軸力值最大，3159kN，該測點在開挖期間被堆壓受損，造成監測數據不連續。測點Z16-1 位于隧道基坑長度中間部位，該部位是隧道基坑普遍區域開挖最深處，該位置第一層土方挖除后（2020年10月2日～2020年10月23日），測點Z16-1 的軸力值為1934kN，第二層土方挖除后（2020年10月25日～2020年10月31日），測點Z16-1 的軸力值為2276kN，軸力值增大342kN，第三層土方挖除后（2020年11月3日～2020年11月18日），測點Z16-1 的軸力值為2924kN，軸力值增大648kN，2020年11月25日該位置底板澆筑后，測點Z16-1 的軸力值為2329kN，軸力值減小-595kN，

2020年12月25日頂板澆筑，測點Z16-1 的軸力值為2001kN，軸力值減小-328kN，最終該測點的軸力值為1679kN。

（4）可以看出，基坑開挖期間（2020年08月25日～2021年01月16日），坑內土體的卸載，支撐體系受到的內力增大，隨著開挖深度的增大支撐內力也隨之增大，后續地下結構及時跟進，支撐軸力逐漸趨穩。

2.2.6 坑外地下水位監測數據分析

基坑施工過程中，地下水水位變化較明顯，具體分析如下：

（1）測點位置關系：測點W01～W26位于基坑北側，測點W27 ～W52 位于基坑南側。由于部分測點被長期堆壓受損，未能提供數據。

（2）該監測科目在整體監測期間，各測點最終水位變化量在2.0cm ～-91.9cm 之間，累計變化未發生報警（報警值：100cm）。

（3）從中可以看出，在基坑施工階段，坑外地下水位呈現下沉趨勢，但在一定范圍內水位基本保持穩定，最終累計量最大的測點是W35，累計量是-91.9cm，因該處圍護體有滲漏水情況發生，經封堵后滲漏水消失或減弱。

結語：

根據本項目施工過程中監測數據的分析可以得出以下幾點結論：

（1）基坑開挖程序必須嚴格按設計要求施工,采取分層、分塊、對稱、平衡的開挖方式，施工過程中應加強施工管理和監督，避免由于工序安排不當造成基坑變形過大甚至出現險情。

（2）本工程基坑施工過程中，基坑本體及周邊環境總體處于安全、穩定狀態。

（3）本工程基坑開挖過程中，由于坑內大量土體的卸載，坑底開挖面因自身受力的釋放，使得圍護體本身因縱向受力的變化而相應產生垂直向上的位移。同樣圍護體也會因坑內外受力不平衡而向坑內產生水平位移的變化，臨近基坑部位，高壓鐵塔及建筑物也發生明顯的變化，呈下沉趨勢，因此，基坑開挖對圍護體和周邊環境都會產生一定的影響。

（4）隨著基坑開挖深度以及施工位置的不同，基坑本體和周邊環境的變化也隨之改變。從各施工階段圍護體變形曲線來看，圍護體變形速率最大時均出現在挖土階段。

（5）施工中應嚴格控制軟土區開挖后的暴露時間，及時澆筑基礎底板,利用自重荷載使坑內土體反壓和支撐的剛度來降低開挖卸荷引起的土體側移和地表沉降。