復雜地質條件下深大基坑開挖時空響應特性監測分析

2025-11-15 00:00:00馮國鵬李昀徐澤楠

工程機械與維修 2025年9期

0 引言

隨著城市地下空間開發向縱深發展，深大基坑工程面臨復雜地質條件與密集周邊環境的雙重挑戰[]。尤其在沖積平原、軟土分布區等地質條件復雜區域，基坑開挖引發的圍護結構變形、土體應力重分布及周邊環境擾動等問題日益突出。傳統設計理論難以全面反映時空效應與地質條件的耦合作用，亟需通過系統化現場監測揭示開挖全過程的力學響應規律，為動態施工調控提供依據[2-3]。

一些學者針對深大基坑開挖時空響應特性進行了研究。熊一帆等[4利用有限元軟件和軟土蠕變模型，建立超深基坑的三維數值模型，分析了時空因素對坑外地表沉降的影響。并通過引入互補誤差函數和三折線模型，對既有互補誤差函數進行修正，提出了考慮時空效應的地表沉降快速分析方法。何合建[5探討了基坑監測技術及其數據分析方法，詳細論述了基坑穩定性判別的技術手段。并通過對基坑變形、支護結構內力、地下水位及周邊環境的監測數據進行綜合分析，提出了一套有效的基坑穩定性判別方法。黎興望等[闡述了5m低凈空工況下采取鉆孔灌注樁 +MJS 工法樁施作基坑圍護結構與低凈空基坑分區開挖的施工工藝，并通過實測分析了圍護結構變形、鄰近高架橋墩臺沉降、地表沉降變化、支撐軸力變化、水位變化的發展規律。湯東航[依據時空效應理論，分別從空間和時間維度分析探討基坑施工對周邊環境的影響。

本文以實際工程為依托，聚焦復雜地質條件下深基坑開挖的時空響應特性，通過布設多參數監測網絡，實時獲取支護結構水平位移、土層垂直應力、支撐軸力及地表沉降等關鍵數據，旨在解析復雜地質條件下深基坑變形的時空響應特性。所得研究成果可為類似地質條件下深基坑工程的風險預控與精細化施工提供實踐經驗，同時為支護結構設計參數的動態修正提供了數據支撐。

1工程概況

1.1 項目基本狀況

本工程為浙江省某地鐵樞紐站深基坑項目，基坑平面尺寸為 218m×36m ，最大開挖深度 26.5m ，采用明挖順作法施工。場地地質條件復雜，自上而下依次為雜填土、粉質黏土、淤泥質黏土、粉細砂及強風化泥巖。其中淤泥質黏土厚度達 10.2m ，天然含水量 48% ，壓縮模量僅3.8MPa ，高壓縮性特征顯著，是基坑變形的主控地層。

1.2周邊環境與風險控制

基坑周邊環境敏感，東側距既有地鐵隧道凈距15m，隧道結構沉降控制值要求 ?10mm 。南側緊鄰一棟百年磚混歷史保護建筑，其基礎為淺埋條形基礎（埋深3m），對差異沉降極為敏感。

針對上述問題，支護體系采用1.2m厚地下連續墻 + 四道混凝土支撐，連續墻深 48m ，嵌入強風化泥巖 2.5m 以增強抗傾覆穩定性。支撐標高分別為 -3m. -9m、-15m、 -21m ，其中第三道支撐位于淤泥質黏土層中部，設計軸力為3250kN，以平衡該層流變荷載。具體地層信息見表1。

表1地層信息

1.3施工難點與對策

1.3.1 軟土流變控制

針對淤泥質黏土高壓縮性，采用分區分層開挖，每層開挖厚度 ?3m ，并設置臨時排水溝降低孔隙水壓力；

1.3.2鄰近結構保護

在地鐵隧道側增設袖閥管注漿加固帶，歷史建筑側采用樹根樁 + 鋼支撐預頂技術，控制差異沉降 ?5mm

1.3.3支撐軸力優化

通過實時監測數據動態調整支撐預加力，避免軸力超限導致支護結構開裂。

2現場監測方案

2.1 監測項目與設備

監測系統涵蓋支護結構水平位移（采用全站儀，精度 ±0.5mm ）、支撐軸力（采用振弦式應力計）、地表沉降（采用電子水準儀，精度 ±0.3mm ）及地下水位（采用滲壓計）。共布設測點126個，其中連續墻位移測點間距 10m ，地表沉降測點沿基坑周邊按 5m×5m 網格布置。

2.2監測頻率與預警機制

開挖階段每日監測1次，遇暴雨或變形速率 >3mm/d 時加密至每日2次。支撐施工后每3日監測1次，直至變形速率 <1mm/d ；預警閾值如下：水平位移 >40mm F地表沉降 >30mm 或支撐軸力超設計值 10% 時啟動三級預警，并采取加固措施。

3現場監測時空響應特性分析

3.1支護結構時空響應特性

支護結構水平位移隨深度變化曲線如圖1所示。從圖1可知，隨著開挖深度增加，水平位移逐漸增大，在深度14m左右（游泥質黏土中部）達到最大值，最大水平位移為底板澆筑前 35.1mm 。隨后隨著深度的增加，水平位移逐漸減小，在深度25m左右逐漸減小到零。第一、二、三、四道支撐施工后，位移增量分別為 8.2mm /7.4mm、8.7mm、 9.3mm ，說明隨著開挖深度的增加。

雖然有混凝土支撐的存在，但下部軟弱土層對支護結構的水平位移變形影響更大，地質條件對支護結構的變形速率起決定性作用。位移最大值分布區域 (9～19m) ）與淤泥質黏土層分布高度吻合，該層12~15m區段位移量占總量 62% ，說明淤泥質黏性土這類高壓縮性土層對支護結構的變形起到關鍵作用。

3.2土層應力時空響應特性

各土層垂直應力隨開挖深度變化規律如圖2所示。從圖2可知，在雜填土層，垂直應力隨開挖深度線性遞減，由初始 44.5kPa 降至25m深時的 12.7kPa ，降幅達71.5% 。由于雜填土位于最表層，開挖導致上覆荷載快速釋放，應力減小顯著。

粉質黏土層2應力降幅次之，由初始 166.3kPa 降低到 77.6kPa ，降幅為 53.3% 。該層壓縮模量較高，卸荷過程中表現出一定彈性恢復，應力釋放較均勻。

淤泥質黏土層垂直應力下降最為劇烈，由初始的215.6kPa下降到 120.5kPa ，降幅 44.1% 。盡管降幅百分比小于上層，但其天然含水量高（ 48% 、壓縮模量低(3.8MPa) ，導致應力釋放集中于中下部 9～19m ，與支護結構最大位移區吻合。

粉細砂層應力降幅最小，由初始的310.2kPa降至247.4kPa，降幅 20.2% 。這是由于砂層剛度大（壓縮模量15.6MPa），應力傳遞效率高，開挖卸荷對其影響相對較弱。

3.3周邊地表沉降時空響應特性

周邊地表沉降隨基坑邊距離變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，當開挖至10m時，最大沉降 -12mm 出現在距基坑邊約8m處，沉降槽呈對稱拋物線形，影響范圍約 30m 。此時淺層土體應力釋放主導變形。

圖1支護結構水平位移隨深度變化

圖2土層垂直應力隨開挖深度變化

圖3周邊地表沉降隨基坑距離變化

開挖至20m后，最大沉降增至 -22mm 且位置外移至10m處，沉降槽寬度擴展至 40m 。這是由于隨著開挖深度的增加，土體卸荷范圍擴大，地層深處淤泥質黏土層壓縮性高，在開挖施工影響下，其沉降較淺層土更大。

最終沉降階段，在距基坑邊 12m 處達到最大沉降-25mm ，50m外仍存在微量沉降（ ?-3mm. ），說明土體固結與支護體系變形的共同持續作用下，地層沉降不會完全消失，支護結構水平位移傳遞引發了坑外土體牽引沉降。

3.4支撐軸力時空響應

支撐軸力隨時間變化曲線如圖4所示。從圖4可以看出，各支撐軸力均呈現隨時間先增加后減小最終趨于穩定的趨勢。第一道支撐軸力在開挖初期迅速攀升至2800kN，這與表層雜填土快速卸荷導致的應力釋放直接相關。由于該層土體松散、自穩性差，支撐需迅速承擔上部荷載以控制圍護結構變形，故軸力響應最為迅捷。隨著開挖深度增加至粉質黏土層，第一道支撐軸力趨于穩定，表明該階段上部土體應力釋放已基本完成，支撐與土體逐漸形成協同承載體系。

圖4支撐軸力隨時間變化

第二道支撐軸力自第20d起持續增長，至第40d達到3200kN，增速較第一道平緩。這一現象與開挖進入淤泥質黏土層的時間節點吻合。該層高壓縮性導致土體流變效應逐漸顯現，支撐需持續補償因土體蠕變產生的附加荷載。

第三道支撐軸力在第30~45d間陡增至 3850kN ，遠超設計值，其峰值強度為4道支撐之最。主要由下部淤泥質黏土層的流變特性引發。隨著開挖深度接近該層中部，土體卸荷速率加快，高含水量與低壓縮模量導致有效應力急劇下降，引發顯著塑性變形，迫使第三道支撐承受集中荷載。此外，該階段基坑東側地鐵隧道加固措施的實施可能間接增大了支護結構的不對稱受力，進一步加劇軸力上升。

第四道支撐軸力自第40d起緩慢增加至2200kN，其增幅與峰值均最小。原因在于該支撐位于基坑底部，鄰近剛度較大的粉細砂層，砂層較高的抗剪強度與自承能力可分擔部分荷載，同時坑底土體開挖后的及時換撐措施，有效減少了深層土體應力松弛對支撐的影響。

4結論

本文依托浙江省某地鐵樞紐站深基坑項目，通過現場監測，研究了復雜地質條件下深大基坑開挖時空響應特性，得到如下結論：

1）支護結構的水平位移隨深度變化呈現先增后減趨勢，最大值出現在14m深度，為 35.1mm ，其中淤泥質黏土層（ (9～19m) ）對位移貢獻最大，占比 62% ，為此施工過程中需重點關注下部軟弱土層的影響。

2）開挖深度每增加 5m ，淤泥質黏土層垂直應力平均下降19.0kPa，顯著高于其他土層，表明該層為應力敏感主控層，需優先控制其流變特性引發的荷載重分布。

3）地表沉降隨與基坑邊距離變化呈拋物線形，影響范圍約 40m 。在距基坑邊12m處達到最大沉降 -25mm 50m外仍存在微量沉降，說明地層沉降不會完全消失，支護結構水平位移傳遞引發坑外土體牽引沉降。

4）各支撐軸力均呈現隨時間先增加后減小最終趨于穩定的趨勢。第三道支撐軸力最大，達到 3850kN ，其壓縮性高導致荷載集中。

參考文獻

[1]史林肯.南京粉土地區深大基坑開挖施工時空效應實測分析[J].鐵道建筑技術，2024(4):55-61.

[2]張學明.基于時空效應的軟土地區深基坑施工監測與變形特征[J].磚瓦，2023(11):119-121.

[3]陳敦，李國玉，王順，等.高緯度多年凍土區機場跑道深基坑沉降時空規律分析[J].公路交通科技，2023，40(S1):163-172.

[4]熊一帆，應宏偉，張金紅，等.考慮時空效應的杭州軟黏土超深基坑地表沉降分析方法[J].上海交通大學學報，2025，59(1):48-59.