基于側向位移特性的長大基坑空間效應分析

金 鑫，藍軍劍，孔紫雯，廖紅雨，孫苗苗，吳 熙

（1.杭州交通投資建設管理集團有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙大城市學院，浙江 杭州 310015；3.城市基礎設施智能化浙江省工程研究中心，浙江 杭州 310015）

0 引 言

基坑是一個三維的空間結構，由于基坑本身的幾何尺寸和開挖卸荷順序的設置，將導致其施工時應力應變產生較大的變化[1]。有研究表明，當基坑長寬比為1 到3 之間時，隨著長寬比的增大，基坑長邊會因土體分步分區開挖卸荷的作用，導致其空間結構產生變形，這種由于空間結構引起的變形情況就叫做空間效應[2]。

目前國內外采用不同的變形指標對長大基坑的空間效應特性開展了大量研究。俞強[3]系統分析了不同施工階段的基坑變形特性，利用實測數據表明了地鐵隧道的位移曲線與基坑周圍土層、圍護結構的位移曲線發展趨勢具有良好的一致性，均表現出顯著的空間效應。趙文等[4]通過研究某砂土深基坑的樁頂水平位移、樁體水平位移及變形，發現圍護樁樁頂水平位移結構時間效應并不顯著，但空間效應特征明顯。奚家米等[5，6]重點分析了基坑地表沉降、基坑外潛水水位、砼支撐軸力及圍護樁深層水平位移在不同時空條件下的表現形式與內在聯系，發現基坑的空間效應影響程度沿遠離坑角方向衰減，且基坑長深比越大，空間效應表現得越明顯。樓春暉等人[7]則研究了圍護結構側向變形和地表沉降值的實測值，給出了空間效應對這兩個指標的影響范圍。俞曉和宋雷[8]通過數值模擬，利用圍護結構水平位移和探討了長大深基坑開挖過程中圍護樁的受力與變形情況及其空間分布規律，發現內支撐對基坑空間效應存在抑制作用。實際上，眾多的文獻[9-13]已經結合開挖后土體位移、圍護結構位移與基坑范圍存在的對應關系，證實了在基坑設計和施工時應充分重視基坑的空間效應。

值得注意的是，上述文獻中對基坑開挖空間效應的變形指標不盡相同，然而采用基坑圍護結構側向位移和土體側向位移作為空間效應的變形指標研究還有待深入。如何采用有效且合理的指標確定、預測和控制長大基坑在開挖期間的空間效應影響因素，對保障長大基坑工程的正常施工具有重要的意義。

本項目以砂土地區的長大基坑工程為研究對象，重點基于側向位移特性來分析長大隧道基坑空間效應，考察長大基坑變形的發展趨勢，為復雜地層條件下基坑安全建設的統籌規劃、基坑工程優化設計、保障基坑施工安全提供理論基礎。

1 工程概況

本工程位于杭州某經濟技術開發區12號路，該路段為杭州市東西向交通要道，車流量大，交通繁忙，地下各類管線眾多，錯綜復雜，且一般為主干管，對勘察、設計、施工影響較大。項目道路全長約7.47 km。以其中一段長大基坑作為工程案例進行研究分析，起止樁號為K0+700 至K1+075，全長375 m，寬29.9 m，開挖深度達到12.556～15.878 m，采用圍護形式為800 mm 連續墻+四（三）道內支撐，屬于一級基坑等級，見圖1。

圖1 基坑平面及周邊環境示意圖

根據場地巖土工程勘察報告，該工程地形地貌簡單，自然地面平坦，地面標高在5.80～7.00 m，屬沖海積平原地貌單位。該基坑為砂性土地區，表1 為基坑土層物理力學參數，在基坑開挖范圍內，土層主要為土質松散雜填土，含少量礫碎石、稍密的砂質粉土、中密的粉砂，含云母碎石。考慮地質條件和周邊環境，基坑工程采用800 mm 厚地下連續墻加內支撐的圍護體系，第一道支撐采用鋼筋混凝土，其余為鋼支撐，圖2 為基坑圍護結構的典型橫斷面示意圖。

表1 基坑土層物理力學參數

圖2 基坑圍護結構的典型橫斷面示意圖（單位：mm）

2 監測數據分析

2.1 施工監測與工況

2.2.1 施工監測

基坑圍護監測方案重點包括墻體側向位移以及坑外土體水平位移監測，對該基坑設置如圖3 所示的監測點。

圖3 基坑平面監測點布置圖

在地下連續墻內每隔20～25 m 布設一個測斜管，編號ZQT16-ZQT41，同樣沿基坑周邊等間距布設土體測斜監測點，編號TST16-TST41，為了方便對比分析，每個土體測斜孔均與墻體測斜孔對應。

2.2.1 施工監測

結合現場施工開挖狀況，基坑開挖分為A、B、C三個區域，依次進行開挖，在每個區域內分若干區段，見圖4。

圖4 基坑施工工序

基坑于2020 年8 月在K0+800～K0+940（A 區域）開始開挖，A 區域基坑分A1、A2、A3 以及A4 四個分塊。同理B 區域（K0+940～K1+075）設置為B1、B2 以及B3 三個分塊，C 區域（K0+700～K0+800）設置C1、C2 以及C3 三個分塊。基坑施工順序為：A 區域基坑（A1→A4）→B 區域基坑（B1→B3）→C 區域基坑（C1→C3）。每個分塊按a ～ j 從上至下的順序開挖土體，具體施工步驟見表2。

表2 基坑施工工況

2.2 墻體側移變形分析

根據基坑開挖步驟設置10 個工況，分析各工況在不同深度、不同位置的墻體側移累計值變化。

圖5 為各工況墻體側移變形曲線圖，從圖中可以看出，墻體側移曲線的變化與開挖工序的進行有關，基坑先開挖A 區域，B、C 區域分別在A、B 區域地下結構封頂后開挖，可以看出基坑變形隨著開挖分區域發展。具體表現為：

圖5 墻體側移累積位移曲線圖

圖5 墻體側移累積位移曲線圖

由圖5 基坑一側的曲線變化可見，開挖A 區域期間，隨著開挖工序的進行，最大側移累計值位于工況1、2 的30、32 測點，分別為14.08 mm、14.56 mm，工況3、4 的28、26 測點，分別為17.34 mm、20.98 mm，同時隨著開挖工序的進行，各測點的累計值逐漸增大。開挖B、C 區域期間，A 區域數值變化不大，說明分段開挖和支撐架設能夠有效減小對已開挖區域的位移變形。隨著開挖的進行，墻體側移累計值的變化范圍不斷向基坑中部擴大，區別于普通基坑分層開挖表現的總體均勻變化趨勢，表明基坑分段分區開挖存在空間效應影響。

隨著A 區域主體結構建設完成，B 區域開始開挖，由圖5 工況5～7 可見，B 區域內36-40 測點墻體側移值隨著開挖工序進行逐漸增大，且B 區域范圍內最大值位于38 測點，但整體基坑墻體最大側移始終位于24 測點，最大變形為29.6 mm。同理，由工況8～10 可見，C 區域開始開挖，16～22 測點墻體側移值隨著開挖進行逐漸增大，最大側移值位于20 測點，最大變形為22.27 mm。表明基坑在不同位置對墻體的限制效應不一致，基坑坑角處對側移值限制最大，說明長大基坑存在明顯的坑角效應。

由此可知，受開挖方式的影響，墻體側移沿基坑長邊具有一定的空間分布規律，主要體現在坑角效應上，即墻體側移的最小值出現在基坑端部，并隨著側點向基坑中部的移動而不斷增大。由于這種效應的作用，使得基坑短邊中部側移值總是比長邊中部側移值小。

由工況8 至工況10 可以發現，位于基坑中部的A 區域變形值基本處于穩定狀態，側移值大約為15.56 mm 至20.36 mm。基坑開挖完成后，最大變形區域位于B、C 區域，最大累計值分別為21.77 mm、22.27 mm，大于A 區域側移值。考慮到長大基坑具有明顯的空間效應，如果采取從一端開挖至另一端的施工方案，基坑中部會產生較大的水平位移。本項目采取從基坑中部分區分段開挖的施工方案，原因在于，中部基坑主體結構建設完成后，對于中部基坑的側移發展有一定的限制作用，可以達到減小基坑中部的側移的目的，從而保障基坑的安全性。

由表3 數據可知，基坑墻體最大側移基本介于0.10%He 和0.19%He 之間，其中He 為基坑開挖深度。與Wang[23]得出的結論（0.10%He～1.00%He）要小得多，造成這種差別原因一方面由于Wang[23]所統計的300 多各深基坑使用不同的支護方式，導致結果離散性較大；另一方面可能存在最大側移發生深度位于含水量少、壓縮性低的砂質粉土土層，受土質條件約束導致墻體側移值與開挖深度的比值較小；最主要是由于本項目對長大基坑分區分段進行開挖，順應了基坑的空間效應發展，一定程度上減小了圍護結構的變形。

表3 監測最大累積值及發生深度

為分析深度對墻體側向位移分布的影響，選取3個典型工況，增加6 m、16 m 的深度繪制墻體側移變形曲線見圖6。在6m 至12 m 深度范圍內，墻體側向累計值隨著深度增加而增加。工況1、5、8 最大增加量分別為9.80 mm、12.37 mm、10.58 mm。在12 m至16 m 深度，累計值隨著深度的增加卻在減小。工況1、5、8 最大減小值分別為3.38 mm、8.24 mm、5.24 mm。

圖6 增加6 m、16 m 深度墻體側移累計值變形曲線

可見，墻體的側向側移在橫向上具有一定的空間分布規律，且不受開挖方式的影響，在數值上，隨著深度的增加而增加，超過12 m 深度時會隨著開挖深度增加而減小。主要由于在12 m 位置處，墻體受到上方較大的土體自重，自身抵抗變形的能力也在不斷增加，因此基坑墻體側移隨著深度的增加，圍護墻體更為穩定，自身產生水平位移受到約束。因此，在開挖至12～13.5 m 范圍內存在墻體側移累計值較大的情況，需要采取合理的監測以及有效減小基坑側移變形的施工措施。

2.3 土體側移變形分析

圖7 為根據土體側移監測數據，繪制的土體側移累計值變形曲線。各工況最大側移累計值及其發生深度見表3。

圖7 土體側移累計值曲線圖

圖7 土體側移累計值曲線圖

由圖5 變化曲線可以可看出，開挖A 區域期間，最大側移累計值位于工況1、2 的30、32 測點，分別為12.52 mm、13.68 mm，工況3、4 的26 測點，分別為15.96 mm、20.28 mm，同時隨著開挖工序的進行，各測點的累計值逐漸增大。開挖B 區域期間，最大累計值位于24 測點，開挖C 區域期間，位于20 測點。可以看出土體側移與墻體側移受基坑空間效應的影響有相同的變化規律，均隨著開挖的進行，影響范圍不斷向中部擴大。也可以看出，基坑開挖過程中，基坑側移變化曲線分布形狀表現為，已施工范圍變化小，施工范圍變化大，未施工范圍幾乎不變，體現了開挖卸載的空間效應，即受開挖施工影響最大的為開挖面附近的局部區域。

分析土體側移曲線工況1 至工況4 可以發現，A區域開挖期間，24 測點與34 測點皆小于中部測點累計值，表現出兩端小，中間大的變化規律，這與墻體側移的變形規律基本符合，均表現出顯著的基坑空間效應。基坑開挖深度的增加使得基坑具有明顯的空間效應，且土體與墻體側移沿基坑長邊表現的空間分布規律在總體上是一致的。原因在于，在土體開挖過程中，支撐的架設總是滯后于土體的開挖，使得墻體在支撐架設前就存在位移，而當墻體發生位移時，坑外土體的原始平衡狀態被破壞，引起土體發生相應的位移，并伴隨著墻體位移的發展而不斷變化。由表3 可見，墻體側移與土體側移的最大累計值數值與發生深度基本相同，由于土體側移的發展與墻體側移的發展具有緊密相關的聯系，所以根據圍護結構側向變形預測土體產生的側移變形，從而評價基坑開挖對周圍環境的影響具有重要意義。

2.3 墻體側移和土體側移特性分析

選取典型工況1、5、8、10，合并墻體側移與土體側移變形曲線見圖8。

圖8 典型工況墻體與土體側移合并曲線分析圖

工況1、5、8、10 的墻體與土體側移累計曲線，在變形趨勢、數值上均保持一致性，反映出土體會隨著墻體變形的性質。但是在個別位置存在差異，有工況5 測點24、35 平均差值為6.69 mm、10.98 mm；工況8的B 區域，土體比墻體側移累計值平均大4.98 mm；工況10 測點34、35 平均差值為3.91 mm。可以發現，出現差值的區域均發生在B 區域，且均表現為土體側移大于墻體側移。原因在于B 區域施工時未及時將開挖土方運出，而是堆積在基坑邊緣，從而導致坑外土體受荷過大，使得土體發生塑性變形，加之墻體發生回彈，將無法與墻體位移保持一致。

3 結 論

以杭州某長大基坑工程為研究對象，通過實測數據研究基坑施工過程中的空間效應，提出以基坑安全性的保障措施。具體結論如下：

（1）由于長大基坑采取分區分段開挖，在空間效應的影響下，其變形規律是有別于整體開挖基坑變形規律的，即不同開挖位置的基坑變形存在不同的變化，如長大基坑坑角位移明顯小于基坑中部，由于這種空間效應的作用，使得基坑短邊中部側移值總是比長邊中部側移值小。

（2）由墻體側移與土體側移變形曲線具有的一致性可以看出，墻體側移的發展與土體側移的發展緊密相關，且均受到相同的空間效應影響。在基坑開挖過程中，圍護墻體兩側土壓力不平衡導致圍護結構產生相應的水平位移，從而帶動土體產生水平位移，并且圍護墻體的位移狀態直接影響坑外土體的位移狀態，表現在土體最大側移累計值與同深度的墻體最大側移累計值基本保持一致。

（3）由于基坑采取分區分段開挖施工，先開挖中部基坑，中部結構的建造對基坑整體變形有一定約束作用，從而減小基坑變形的風險。可通過加大支撐剛度、進行合理坑底加固等措施，保障基坑安全。