地下超深基坑開挖工況下的周圍土體沉降控制技術研究

摘要：為保證施工安全，提出多層地下室深基坑開挖施工下的周圍土體沉降控制研究。從事先、事中和事后3個階段構建土體沉降控制整體結構；結合工程施工要求和周圍環境情況，分析目標工程的土壓力類型，根據土壓力設置錨樁支護體系，控制土體沉降；通過錨桿結構調節抗力，提高支護結構穩定性；將數據監測作為事中控制的主要內容，采用土體損失理論監測最大沉降量，按照沉降量調整支護體系結構；以周圍建筑傾斜率作為事后反饋的主要數據，達到事后預警控制的目的。試驗結果表明，控制后的土體沉降量明顯小于控制前，且周圍建筑的傾斜率低于預警值，對建筑造成的危害較小。

關鍵詞：多層地下室；基坑開挖施工；土體沉降控制；錨樁支護結構；土體損失理論

中圖分類號：TU753.1文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2024）10-0157-04

Study on the settlement control technology of surroundingsoil under the excavation condition of underground"ultra-deep foundation pit

CHU Xinyu，WANG Xueqian，YAN Xiuying，GUO Xin，LIN Jinlong

（Shanxi Metallurgical Geotechnical Engineering Exploration Co.，Ltd.，Taiyuan 030002，China）

Abstract：In order to ensure construction safety，a study on the settlement control of surrounding soil under the ex?cavation of deep foundation pits in multi-storey basements was proposed. The overall structure of soil settlement con?trol was constructed from three stages： before， during and after the event. Combined with the the construction re?quirements of the project and the surrounding environment，the type of earth pressure of the target project was ana?lyzed， and the anchor pile support system was set up according to the earth pressure to control the soil settlement.The resistance was adjusted through the bolt structure to improve the stability of the supporting structure. The datamonitoring was taken as the main content of the control， the soil loss theory was used to monitor the maximum settle?ment， and the support structure was adjusted according to the settlement. The inclination rate of surrounding build?ings was used as the main data for post event feedback to achieve the purpose of post event early warning control.The test results showed that the soil settlement after control was significantly smaller than before，and the slope rateof surrounding buildings was lower than the warning value，causing less harm to the buildings.

Key words：multi-storey basement；foundation pit excavation construction；soil settlement control；anchor pile sup?"porting structure；soil loss theory

深基坑開挖工程施工過程中必須做好技術監督，特別是要重視土體沉降控制工作，土體沉降是安全事故發生的根源，只有通過有效的控制工作才能減少損失，滿足施工安全需求。為此，相關學者也提出了一些控制方法。綜合探究不同施工階段的圍欄結構，再通過結構優化提高控制措施的合理性，減少土體沉降位移[1]。利用有限元軟件監測現場數據，研究每個基坑開挖階段的土體變形規律，結合該規律設置圍護欄結構[2]。基坑支護技術是土體沉降控制的首選技術，但由于基坑開挖具有時空多變性，不同的建筑工程具體情況也不同，需要及時調整支護方案[3]。為此，研究從事先預控、事中控制和事后反饋3個環節全面制定控制方案。

1基坑開挖施工下的周圍土體沉降控制

1. 1周圍土體沉降控制模型構建

結合基坑開挖工程特征，將控制過程分為事先、事中和事后3個部分，控制模型整體結構如圖1所示。

1. 2事先預控

1. 2. 1土壓力計算

（1）土壓力種類：支護結構通常受到土壓力與水壓力的作用，其中，土壓力是主要作用力。土壓力就是自身結構重力和施加在支護結構上的側壓力。不同狀態下的土壓力類型不同，如表1所示。

在其他因素相同情況下，上述壓力之間關系按大小順序為：Ep、Ea、E0。

（2）土壓力計算：通過庫倫土壓力相關理論來計算主動與被動土壓力大小[4]。主動土壓力表達式如下：

式中：r代表基坑周圍土體重度；H2表示支護結構高度；Ka是被動壓力系數。其表達式如下：

式中：α為支護結構傾斜角；β代表土面和水平面之間夾角；δ為支護結構與土面存在的摩擦角。

被動土壓力計算公式為：

式中：ta支護結構埋在土中的深度；Kp被動壓力系數。

1. 2. 2錨樁支護結構建立

（1）排樁結構：排樁的主要作用是遮擋土體，通常包括主動與被動端，其利用自身結構優勢，將主動端土體移動到穩定土層中[5]。按照工藝方式的不同，可將排樁分為連續樁和分離樁。由于土體位置不同，排樁對土體產生的約束作用也存在差異，則不同方位的土體形成的位移也不同，再加上摩擦角度和粘聚力的影響，土體之間形成阻力，進而達到控制土體沉降的作用，即樁間拱效應；

（2）錨桿結構：錨桿能夠為排樁提供水平力，避免排樁變形，減少其受力，確保整體支護結構穩定。在設計錨桿過程中，應注意的參數包括層數、垂直距離、錨桿長度以及傾斜角等[6]。基坑的被動土壓力與錨桿的拉力共同生成橫向抗力，若在錨桿結構上施加預應力，可起到調節抗力的作用。

在土壓力作用下，腰梁承受主要壓力，自由段將力傳輸到錨固段。錨固段再將軸力和摩擦力傳輸到土體。抗拔承載力應滿足如下公式：

式中：Kt代表安全系數；Nk為軸向拉力；Rk表示極限承載力。

自由端長度計算公式為：

式中：a1和a2分別表示錨桿到基坑底面和外側的距離；θm是摩擦角均值；d代表擋土構件尺寸；φ是錨桿傾斜角度。

1. 3事中控制

事中控制過程中，主要監測的數據就是土體沉降量。基坑開挖會引起周圍土體損失，造成地表下降，進而使附近的建筑物沉降；另一方面，基坑降水過程會增加土體應力，也會造成沉降。基坑工程一般包括開挖與降水2個階段，二者都會生成沉降作用。因此，結合土體損失理論預測沉降量[7-8]。

土體損失相關原理不但能反映基坑工程對土體沉降造成的影響，也可以計算具體沉降量。在事先預控下，結合錨桿受力情況和土壓力，利用下述公式計算支護結構后x點的沉降量：

式中：c代表沉降槽寬度；Smax為土體最大沉降量[9-11]。

最大沉降量Smax由支護結構變形導致的沉降Sw1和基坑自身原因造成的沉降Sw2共同組成，Sw2的計算公式如下：

式中：B為基坑寬度j。則Sw1的表達式為：

式中：A、C和D是回歸系數。

1. 4事后反饋控制

通過事中控制的監測數據反饋調整防護結構，以明確調整后的控制方案是否合理。在研究中，將周圍建筑傾斜率作為反饋數據[12-13]，并將其作為預警值，利用上述3個控制步驟即可實現對多層地下室深基坑開挖土體沉降的控制。

2試驗過程與結果分析

2. 1研究區域概況

研究區域為某建筑面積為8 500 m2的大廈，該建筑為筒體結構，總高度168.7 m，地下室層數共6層。建筑功能包括商業、酒店和寫字樓等。地下室深度在30 m左右，共包括3個基坑，2號基坑比1號和3號基坑深3 m。基坑開挖示意圖如圖2所示。該建筑地下巖層土質類型如表2所示。

2. 2試驗流程和設計

施工過程中，整個控制過程需要在系統上顯現，該系統的工作流程如圖3所示。試驗系統主要監測的內容：

（1）土體沉降監測。在基坑縱向埋設6個斷面，斷面間距較為平均，每個斷面設置3個監測點。在地面放置沉降標志，每開挖5 m，輸入一次監測結果；

（2）支護結構位移監測。在基坑監測斷面處埋入6根測斜管，便于監測支護結構的移動情況。

2. 3試驗結果分析

在上述試驗條件下，引入所提控制策略，分別分析3個基坑周圍土體沉降情況，控制前、后的沉降量結果分別如圖4和圖5所示。

由圖4和圖5可知，控制方法使用之前，在距離基坑較近區域內的土體沉降量較大，且基坑2的沉降量最大。這是因為基坑2位于中間，當3個基坑同時開挖時，中間基坑也會受到兩側工程影響，導致沉降的土體更多。控制策略引入后，3個工況下的土體沉降量明顯減少，基坑2和其他基坑的差距也縮小；當距離基坑12 m時，沉降量基本可以忽略不計。這說明所提控制方法有效。

3結語

近年來，基坑開挖工程大量涌現，施工過程容易導致周圍土體沉降，危害附近建筑安全。針對這一問題，提出了一種沉降控制策略。該策略包括事先、事中和事后控制3個階段，設計樁錨型支護結構，根據對土體沉降量的預測，實時優化防護結構，并計算建筑傾斜的預警值，若高于該值，則進行對應的事后補救措施。試驗結果表明，所提研究有效減少沉降量，能降低工程對周圍建筑造成的安全危害。但基坑開挖不僅要確保工程自身的穩定，還要保護周圍建筑安全，在今后的研究中，應從支護結構剛度、開挖順序等方面著手，尋求更優的施工方案。

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