某超深基坑施工过程监测及数据分析

向晓波 赵璧

摘要：结合某深基坑工程的施工过程，对基坑围护土体的变形及土压力进行监测，见证了基坑局部滑坡过程，对深基坑施工时土体变形的基本规律进行探索，以吸取经验教训，可供有关设计、施工人员参考。

关键词：深基坑工程; 变形监测; 土压力监测

中图分类号：TV551.4文献标识码：A文章编号：

Study on Monitoring Data of Extra Deep Excavation Engineering

Xiang Xiaobo

(Surveying Institute of Geophysics and Geochemics of Hu'nan Province, Shaoyang 422002,China)

Abstract: Combined with a case, the deformation and soil pressure of excavation engineering was monitored, and the process of partial collapsing was recorded. The base ruler of soil deformation was discussed during deep excavation construction in this paper. The experience can be used by the designer and constructor.

Key words: deep excavation engineering; deformation monitoring; soil pressure monitoring

1 引言

近年来，城市建筑的高速发展和地下空间的充分利用，促进了深基础的发展，由此带来在施工期间大量的深基坑开挖和支护的岩土工程问题。根据国内有关深基坑的研究，一般认为深度大于7m的基坑定义为深基坑[1]，大于15m的基坑称为超深基坑[2]。在深基坑施工过程中，基坑内外的土体将由原来的静止土压力状态向被动和主动土压力状态转变，应力状态的改变引起围护结构承受荷载并导致围护结构和土体的变形，围护结构的内力和变形中任一量值超过容许范围，将造成基坑的失稳破坏或对周围环境造成不利影响[3]。

基坑工程置于力学性质相当复杂的地层中，土压力等荷载存在较大的不确定性，设计时的简化和假定与工程实际也存在一定差异；另外，还存在时间和空间的延时，以及降雨、地面堆载、机械撞击等诸多偶然因素，当前的工程设计在相当程度上还是依耐经验。因此，进行基坑围护工程监测，实现信息化施工，是确保当前基坑施工的安全稳定的重要手段。

本文结合某超深基坑工程的监测与塌方事故分析，探索深基坑施工时土体变形的基本规律，以吸取经验教训，可供有关设计、施工人员参考。

2、工程背景

南京市某基坑工程，东西长约55m，南北宽约33m，设计m相当于绝对标高20.0m，现自然地面标高约为19.8m，地下构筑物板底设计标高为-16.8～-22.0m（图1）。基坑东侧距基坑约7.5m有一待建建筑，基础埋深6.0m，为桩基，其余地段场地较开阔。

由于该工程是临时支护，考虑经济因素，施工单位为了降低成本多次变更施工支护方案，主要采用土钉支护（图2），只有基坑东侧支护，因多种因素，该基坑工程在施工阶段出现几次滑坡事故。

图1基坑支护平面图 图2 一区土钉支护剖面图

3、监测项目与方法

3.1 变形监测

深基坑的变形监测主要包括基坑边坡的沉降观测、水平位移监测以及对周边建筑物、管线设备等[4]。本工程周围地段场地较为开阔，而且是临时支护，没有对基坑周围的沉降进行监测；本次变形监测主要内容为基坑支护深层水平位移测试，测试方法采用在支护面后0.5m土体处钻孔埋入测斜管。测斜孔钻孔直径为110mm，测斜管与水平方向保持垂直；测斜管有两对方向互相垂直的定向槽，其中一对要与基坑边线垂直；测斜管内径为43mm、壁厚5mm的PVC硬塑料管。设置测斜管时，用砂子填满钻孔和测斜管之间的缝隙，以使测斜管与土体粘结牢固。

测斜仪采用高精度的CX-3型伺服加速度式测斜仪，性能如下：测头尺寸为Ф32mm×660mm，量程0o±53o，位移方向为水平向，分辨力±0.02mm／500mm，精度±4mm／15mm,温度范围-10o～50oC。

3.2 土压力监测

土压力是基坑支护结构周围土体传递给挡土构筑物的压力，也称支护结构与土体的接触压力，或由自重及基坑开挖后土体中应力重分布引起的土体内部的应力。一般采用土压力传感器即土压力盒进行测试。本次监测土压力盒采用的是GYH-1型钢弦式传感器，测试仪器为GPC-1钢弦频率测定仪。

土压力盒和测斜管中心点距支护面的距离相等（0.5m）；为了防止测斜管对其周围的土压力大小产生影响，将土压力盒布置在距测斜管中心0.5m处。

图3 监测点布置示意图 图4 土压力竖向布置示意图

4施工过程监测及结果分析

由于多种原因监测人员进场较晚，进行测点布置时施工已到了制作压顶梁（见图2）阶段（-12.0m），测点位置受工程进度影响较大。监测点布置示意见图3（1号测斜管损坏），测斜管自压顶梁向下布置，5、6、7号测点同时布置测试了土压力，竖向布置示意见图4。以下介绍分析2、5、6号测试点情况。

4.1二号测点

2号点位于Ⅱ区（图1），9月16日自压顶梁底部向下开挖，并测得第一批数据，22日开挖至压顶梁下约8m处，发现水平位移过大，为防止破坏，随后采取一系列的工程措施：

a）9月26日至9月28日：将原挖出的土回填，回填深度至压顶梁下约3.5m处；

b）10月1日至3日：将压顶梁上部的土卸去3m（减少基坑上部荷载）；

c）10月7日至9日，施工方抽走了基坑内的积水；

d）10月9日至11日自压顶梁向下做混凝土搅拌桩；

10月21日，工程用建筑材料堆放在2号点处，11月6号开始第二步开挖，11月17日基坑在2号点位置局部滑坡。

图5土体深层位移曲线

图6 不同深度水平位移变化图

从2号点测试结果可以看出，-0.5m（取压顶梁底面为0）处最大水平位移达92mm，最大水平位移与基坑深度的比值为10.82‰，远大于3‰～5‰这一规范要求的报警值，最后失稳局部滑坡也说明本案例中的开挖及支护方式值得商榷。

发现位移过大（-0.5m位移31.525mm；-6.5m位移19.015mm）后采取的回填土、卸载（土）、降水、深层搅拌桩等几种工程补救措施中，从监测的土体变形看，回填土效果最为明显。在回填深度以下位置（-3.5、-5.0和-6.5m处）的水平位移值减少得较多，分别达到8.1mm、10.89mm和8.53mm，与变化前相比分别降低了21.3%、35.8%和42%；而在回填深度以上位置（-0.5m和-2.0m处）的水平位移值变化很小， -0.5m和-2.0m与变化前相比分别降低了0.1%和2.6%。这是因為土具有一定粘性，在荷载消失后位移会出现小幅度的回弹。在3.5m（回填深度）以下位置土体的水平位移并不能完全恢复。混凝土搅拌桩是控制基坑土体变形的有效方式，对深层土体效果尤为明显。

4.2 五、六号测点

5、6号点均是11月16日基坑发生滑坡后设置的观测点，11月24日开始记录数据，此时第一步开挖已经结束，开挖深度3.5m；12月1日开始第二步开挖，深度1.5m；其中5号点12月13日上部土体发生滑移，在-1.5m处测得的水平位移为1.179m；12月15日测斜管上部折断。

（1） 位移监测

图7水平位移——时间变化曲线

5号点监测结果表明，土体发生局部滑坡基坑水平位移变化有下列规律：

a）土体滑坡发生比较突然，在12h内水平位移增加了10到30倍；

b）混凝土搅拌桩能大大提高了土体破坏的延性，尽管5号测点有记录的最大水平位移达近1.2m，该点-1.5m以下位置却没有发生塌方； 12月30日开始做永久性支护，一直到支护工程结束，也未再次发生破坏。

c）土体的应力释放后，水平位移减低幅度很小，监测数据显示不超过最大位移的3%。

6号点监测结果表明，面层的水平位移沿深度范围有两次大的调整，第一次是在开挖阶段（12月10日至12月13日），调整后-2m处的水平位移大于-0.5m处的位移，第二次发生在12月22日，此时-4.5m处的水平位移大于-0.5m处的位移。从时间上来看第一次是扰动造成的，而第二次是混凝土搅拌桩对支护面位移作用的结果，最终的水平位移随时间变化曲线与典型的复合土钉支护位移变化曲线相似。

（2）土压力监测

图8土压力——时间变化曲线

由于此项土钉支护工程没有做支护面层，故可近似认为支护面的土压力（这里指距离支护面0.5米处的土压力）为零。

从土压力测试结果看，5号测点前期较为平稳，在12月5日产生震荡，后期由于仪表损坏无法测得数据； 6号测点在中期（12月6日到12月26日）产生震荡，而前期和后期较为平稳。土压力产生震荡的主要原因是土体受到扰动作用。在支护完成后，土压力值趋于稳定时情况；上部位置土压力值最小，而中部和下部的土压力值接近最大。

5、结论

（1）深基坑施工开挖是一项涉及结构工程、岩土工程、环境工程等多学科的复杂问题，具有时空效应，施工过程必须加强监测，并应根据监测结果及时调整开挖或支护方式，以确保施工安全，而不能因为是临时工程而降低工程措施要求，单一的土钉支护在深基坑支护中应谨慎采用。

（2）分步开挖的深度对支护面水平位移和支护的稳定影响明显。现场测试表明，一次开挖的深度过大会使支护面产生过大的水平位移，即使将原土重新回填大部分水平位移也不能恢复，说明土体结构的破坏不能在短时间恢复。

（3）减小基坑上部（卸土）和侧面荷载（回填）能减小水平位移增大的趋势；而增加上部荷载（堆放材料）和有瞬间荷载（上部土体扰动）出现，能加大支护面的水平位移。

（4）当出现荷载减小或加固等有利于支护体系稳定情况出现时，可能使支护面的水平位移减小，但一般降低幅度不大。

（5）土压力发生明显变化一般发生在开挖或采取工程措施阶段。支护完成后，土压力值趋于稳定时，支护面附近土压力分布是上部较小，中部和下部比较接近。

参考文献：

[1]刘建航，侯学渊．基坑工程手册．北京：中国建筑工业出版社，1997．

[2]夏明耀，曾进伦．地下工程设计施工手册．北京：中国建筑工业出版社，2001．

[3]夏才初，潘国荣等. 土木工程监测技术. 北京：中国建筑工业出版社，2001

[4]李爱民，关于深基坑水平位移监测方案的探讨,测绘学院学报，2000.03

注：文章內所有公式及图表请以PDF形式查看。