大型深基坑变形分析及综合控制技术

深圳市建筑工务署 深圳 518006

深基坑的稳定性研究和支护技术日趋成熟，行业规范和标准逐步完善[1-3]，但由于诸多因素的影响，深基坑位移变形时有发生，甚至于超出设计警告值，使得工程建设处于被动局面。根据深圳某工地的深基坑变形引起的灾害预警，根据机制分析，采取了应急对策和长效措施等综合技术，成功控制了深基坑的变形，为工程的顺利开展消除了隐患。

1 工程概况

背景工程位于深圳市滨海大道北面，白石路东侧，工程主体为44 层的外筒钢结构加内筒钢筋混凝土剪力墙结构，高度202 m。场地大致呈正方形，原为深圳湾后海海域，后经填海而成。地面标高4.00～6.00 m，场地南侧距离滨海大道十余米，西侧和北侧分别与其他在建项目基坑相通，东侧紧邻一市政道路。基坑开挖深度16 m，周长270 m，其中基坑中间布置有一个低于基坑坑底标高4 m的内坑（电梯基坑）。安全等级为一级，设计使用期限为12 个月，属于大型深基坑。

1.1 工程地质条件

地质报告揭示基坑深度范围内土层构成为：①人工杂填土，厚4.7～7.8 m，主要为黏土、石英质砂混碎块石、混凝土块、砖块等建筑垃圾及少量生活垃圾等；②第四系全新统海积层，厚0.5～2.4 m，淤泥呈灰黑、黑色含少量机质，局部含少量石英砂岩；③第四系全新统冲洪积层，厚1.5～3.0 m，砾砂主要成分为石英质，混少量黏性土；④第四系中更新统残积层，厚16～46 m，砾质黏性土，褐黄、灰白、褐红等色，由粗粒花岗岩风化残积而成，含20%～30%的石英砂砾，稍湿-湿，可-硬塑，遇水浸泡易软化，局部夹有强化岩块。场地内地下水有两种类型：一是松散土层空隙水，二是基岩裂隙水。

1.2 基坑支护方案

根据工程地质和水文地质条件，结合场地周边环境，本工程主要采取排桩与预应力锚索支护体系。桩间距2.0 m，支护桩径1.2 m，成孔方式为冲孔灌注桩；锚索3 道，长度约20～26 m，锚固体强度为30 MPa。锚索长度分别有23 m、24 m、26 m，设计承载力分别为500 kN、500 kN、350 kN。

1.3 水位控制对策

采用桩间旋喷桩止水帷幕与西侧北侧在建工程止水帷幕形成全封闭止水体系。三重管旋喷桩止水帷幕有效直径1.1 m，抗压强度不小于1 MPa，桩端入基坑底不小于2 m；明沟排水排出地表水及坑内积水，台风暴雨期间，有组织地表排水，安排足够排水设备对汇集的地表水进行抽排疏导，避免大量地表水汇入坑内。

2 基坑变形警报与变形分析

2.1 基坑变形警报

基坑支护工程于2011年5月份完工后进入服务期，项目开展基坑内的桩基工程施工。建设完成的基坑安全经历了深圳的第一个雨季年度。根据设计要求，基坑超期使用前应进行安全评估，加强了位移变形监测。2012年7月，台风“韦森特”袭击深圳，连续数日暴雨，基坑西南侧出现超过警报值40 mm的较大变形。

2012年7月22日对基坑进行加密监测。监测数据表明，各项监测数据变化量有增大的趋势（图1、图2）。在现场巡视过程中发现基坑西南方位的围墙上有宽约15 mm的裂缝竖向贯穿整个围墙。

图1 坡顶沉降变化曲线

图2 坡顶水平位移曲线

2012年7月25日上午对本项目进行加密监测。监测成果数据表明：本次观测位移量最大为22.22 mm（W6），最大变化速率7.41 mm/d；沉降最大变化量为－5.13 mm，最大变化速率为－1.71 mm/d。各项监测数据变化量在本次加密过程中有明显的增大趋势。其中位移监测点W6位移速率达到了7.41 mm/d，累计变化量达到43.13 mm，已经超过设计预警值40 mm。在现场巡视过程当中发现，平行于基坑西南方坡顶位置的裂缝有明显的增长和增大现象，裂缝最宽处达到了7～8 mm，长度达到25 m左右。位于基坑西南侧位移监测点W6附近处有一条平行于基坑长约21.6 m、最宽处达5 mm的裂缝，且连续几天有明显的增长和增大现象，锚索及锚杆孔隙一直在出水，第1排和第2排锚索由西往东数第20条和第7条有漏水现象且水量较大。

随后的监测数据继续随时间推移而增大，最大累计位移量达100.12 mm（W6）。

2.2 变形分析

2.2.1 基坑超期服务

基坑设计使用期限为12 个月，桩锚支护的设计参数按基坑的服务时限取值设计。该基坑于2011年5月份完工，至基坑发生超警报变形时，基坑已经超期服务。

2.2.2 地下水对混凝土结构和锚索的锈蚀使承载力大幅丧失

由于地下水和海水有水力联系，水质对混凝土结构具有微-弱腐蚀性、对混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性，对钢结构具微腐蚀性。至基坑服务期限，对锚索经过抽检，9 根锚索（占抽检总数的75%）检验抗拔力均不能达到设计抗拔力的1.2 倍，已不能满足设计要求。其中检验抗拔力最低者只能达到125 kN，为设计抗拔力的25%。由于钢绞线腐蚀严重，加载未达到设计抗拔力的1.2 倍之前，有5 根锚索出现锚索杆体拉断情况，其中锚索杆体拉力最低者（位于南侧第3排右3#）只能达到锚索杆体拉力标准值的25%；有4 根锚索杆体抗拉能力在375～500 kN之间，3 根为500 kN，仅达到锚索杆体拉力标准值的48%。在进行检测加载时，尚有4 根被拉出。在抽检的锚杆头过程中，有锚头松动，夹片缺失、钢绞线断丝、锚头严重腐蚀、钢绞线松散等现象。

2.2.3 台风暴雨的影响

台风暴雨首先使得基坑外侧土方含水量增大，荷载加大；另一方面，连续暴雨使基坑外侧土体部分液化、土粒丧失，水压增大导致止水帷幕出现大量出水现象，局部出现因土体掏空而坍塌的险情。两方面双重作用使已超期服务的基坑不堪重负而产生较大变形。

3 技术对策[4-8]

根据基坑变形特点和上述变形分析，采取应急对策和长期加固相措施结合的方案，达到稳坡目的。

3.1 应急对策

3.1.1 有组织疏排水

在桩间增加长1.5 m、Φ50 mm的PVC泄水管，泄水管中尾端约1.0 m做成花管，花管外包无纺土工布，泄水管水平间距为桩间距，竖向间距为2.0 m，泄水管尾端与地下室外墙之前应保持不小于30 cm的安全距离。桩面挂Φ6 mm钢筋网@200 mm×200 mm，喷射C20混凝土厚100 mm。

3.1.2 充填掏空区

西南角桩间已塌空的位置，采用砂袋填满，表面挂Φ6 mm钢筋网@200 mm×200 mm，喷射C20混凝土厚100 mm。对基坑顶部已塌空的位置，用C15素混凝土填充，素混凝土填充分层填充，西南侧回填土部分流空的位置用C15混凝土进行地面硬化，厚200 mm。

3.1.3 卸载加反压

西南侧坑底约30 m堆填土台进行反压，土台尺寸为高4 m、顶宽3 m、放坡坡率1∶1；南侧坑顶卸载，沿基坑卸土高2.0 m，宽6.0 m。

3.2 长效措施

长效措施控制基坑变形，基坑补强满足其服务时限，桩基验收和地下室尚未开展施工，基坑服务时限尚需延长。因此，在应急对策的基础上，确保基坑边坡的稳定性，必须对基坑进行补强加固。

3.2.1 对变形最大区段增加钢角撑

基坑变形最大测点在西南角，最大位移量超过设计控制值50 mm；最大沉降量超过设计预警值32 mm。在基坑西南角加1 道钢角撑，角撑分别支撑在相邻基坑支护桩冠梁和该基坑支护第1道腰梁上（图3）。钢管角撑材料采用Q235级钢，钢结构连接均采用现场焊接，角撑预加轴力采用2 只千斤顶同时进行，预顶力为180 kN，预加应力时，对支护桩进行变形监测，防止桩产生过大的向外位移造成腰梁的松脱，导致锚索预应力损失。

图3 钢角撑支护补强

3.2.2 增加锚索补强

根据实测变形监测的数据，结合基坑发生险情的区域，有针对性地对基坑进行补强设计，对1j-1j剖面，在原第3道锚索上1.5 m处加1 道锚索，锚索间距2.0 m，在原第3道锚索下2.0 m和原第2道锚索上1.5 m处各加1 道锚索，锚索间距4.0 m（图4）；对2j-2j剖面，在原第3道锚索上1.5 m处和下2.0 m处各加1 道锚索，锚索间距分别为2.0 m和4.0 m（图5）。对锚头松动和夹片缺失的锚杆进行重新张拉锁定。

图4 1j-1j剖面

3.3 变形控制效果

应急和长效综合对策同时进行，并在基坑西侧增加3 个监测点，南侧西部增加1 个监测点加强监测。应急措施完成后，基坑变形已经得到有效控制，9月30日测得的一周来的最大位移速率为0.091 mm/d。基坑西南侧的角撑施工完成后，监测数据已经显示基坑位移已经得到全面控制。基坑的锚索补强施工于11月份施工完成后，地下室主体工程开展施工，至2013年4月份3 层地下室主体施工完成，基坑一直处于安全稳定状态，几乎无变形。主体结构施工到10 层时，基坑回填于2013年7月份完成。

图5 2j-2j剖面

4 结语

深基坑的安全稳定性对于工程建设至关重要，该基坑的位移变形引起的安全隐患使该项目的施工建设非常被动。本次基坑经过监测报警后的变形机制分析，应急和长效措施，扭转了工程施工局面，使项目得以顺利进展。对于类似项目，首先应充分研究和论证基坑的服务时限，使之满足工程进展需要；其次要分析基坑稳定性的主控因素，全面考虑其影响因素，如台风暴雨、地下室的腐蚀性、地质条件和周边环境的关系等。该基坑的应对措施经验，取得了良好的社会效益与经济效益，可为同类工程提供借鉴。