高敏感环境条件下基坑变形的精细化控制研究

顾国明 刘冬华 刘 星 吴联定 朱 亮

上海建工集团股份有限公司 上海 200080

1 研究背景

随着城市规模的不断发展壮大，城市的可利用土地越来越少，为了缓解土地供应紧张的状况，开发地下空间和高空空间都成为有效的手段之一，不论是开发地下空间还是利用高空空间，都离不开深基坑工程；更进一步，随着城市服务功能的日臻完善，各种线路和管网纵横交错、错综复杂，深基坑开挖过程中稍有不慎就可能会对周围保护目标造成严重的破坏，特别是在以上海为代表的软土地区，受软土地层不良地质条件的影响，深基坑施工更加困难。鉴于此，针对软土地区深大基坑变形及微变形控制技术的研究就更具有重要的理论和现实意义。

2 深大软土基坑的特点及其变形的原因分析

通过室内试验、数值分析以及工程实测，并结合近10年来以上海为代表的软土地区深大基坑的工程实践数据资料，对深大基坑卸荷变形的影响因素和影响区域特性以及变形机理进行了研究，对基坑卸荷变形的影响范围按变形特性进行分析和归纳[1-2]。

2.1 深大软土基坑的特点

1）差异性。在不同的城市，由于不同的地质结构和水文地质条件，深基坑工程差异非常大，即使是同一城市不同区域也有差异。地质普查和工程前期勘察都是针对区域内有限个具有代表性的土层进行的，所得结果离散性很大，虽然地下岩土的性质具有连续性，但是由于地下岩土性质和结构千变万化，其埋藏条件又非常复杂，使得地质普查和前期勘察情况难以代表整个区域土层的总体情况，而且受测量技术的局限，其测量精确度往往较低，达不到精确测量的要求。因此，深基坑开挖须实事求是、因地制宜，根据当地具体工程条件和地质条件，具体问题具体分析，不能机械地完全照搬其他工程的经验。

2）复杂性。深基坑工程的支护体系设计与施工和土方开挖一一对应，不同的支护设计往往意味着不同的挖土方式，影响它们的因素有很多，不仅与工程所在地的地质条件和水文条件有关，还与基坑周边建（构）筑物和地下管线的位置、走向、等级以及重要性等有关。在高敏感的中心城区，必须把确保被保护目标和基坑本身结构的安全放在同样重要的地位。由于基坑周围环境不同，保护要求不同，故很难对支护结构变形限值作统一规定。

3）综合性。深基坑工程包括岩土、结构、材料及施工等的相互交叉，牵涉面广，合理的支护体系设计和开挖施工组织是成功的先决条件，需要结合多方面因素综合考虑。目前，关于深基坑的理论存在一定的局限性，需要不断研究、不断完善。

4）环境效应。深基坑开挖时对原状土体平衡状态产生很大影响，一定会导致周围地基地下水位的变化和应力场的改变，进而引起周围地基土体发生变形，并对周围影响区的建（构）筑物和地下管线产生不同影响，严重的会带来安全隐患或事故。

2.2 软土深基坑的位移变形原因分析

大量的研究和实践表明，饱和软土深基坑施工更容易产生大的变形，主要原因有：

1）饱和软土特性。上海是一种典型的冲击平原，地下数十米范围内基本为软黏土，相比其他类型土，这些土层具有高黏粒含量、高含水量、大孔隙比和高压缩性，其抗剪强度更低，往往呈软塑或者流塑态，固结速率很慢，有效应力增长缓慢，地基强度增长也十分缓慢，当土体受到外界扰动后，需要更长的时间重新固结稳定。

2）土体微结构变化。当土体受到外界因素如应力、温度、振动、化学环境等变化的影响，相较于土体层理、裂隙等宏观特征，土体当中的微观结构率先发生变化，例如胶结物质破坏、土颗粒簇破碎等，土体结构性逐渐丧失，等这种变化累积到一定程度后，就会产生层理错位、裂隙扩大等宏观上的变化。

3）深大基坑的卸荷特性。大量的工程实践表明，与窄基坑相比，深大基坑更容易引起周围地表沉降，其影响范围和最大沉降量将显著增大，其影响的距离也成倍增大（图1），可见，深大基坑引起周围土体沉降的程度和范围都明显大于窄基坑。依据岩土深层滑移理论，在窄基坑中，由于开挖的宽度较小，无法形成完整的滑移带，其基坑开挖产生的影响较小；而在深大基坑中，随着开挖宽度和深度的扩大，其深层土体滑移带也随之发育，直到最终形成，其影响程度和范围也显著增大。

图1 深大基坑和窄基坑的卸荷变形曲线对比

4）基坑降水的影响。土体是由土颗粒、液气态水、空气等组成的混合物。水位较高环境下开挖施工基坑时，地下水流场被切断，在基坑四周都存在很大的水力梯度，地下水会不断地渗流入基坑，可能引起流砂、管涌和边坡失稳等现象，使现场施工条件变差，地基承载力下降。因此，为确保深基坑施工安全，必须采取有效的降水和排水措施。大量的深大基坑工程实践表明，如果基坑的降水和排水措施不当，会对基坑周边环境产生很大影响。

2.3 精细化变形控制技术

大量的工程实践和研究结果告诉我们，在软土地区，受深大基坑结构降水、开挖施工等活动扰动的坑周土体，从最初变形到最终固结稳定一般需要经过2年甚至更长的时间；而且，受扰动产生的变形越大，最终固结稳定的时间也越长。随着中心城区的环境越来越复杂，敏感目标越来越多，基坑施工对周边产生的影响要求也愈发严苛。如：为了保障地铁营运安全，上海就对地铁沿线的基坑施工提出了综合绝对变形量（沉降、隆起、水平位移）小于10 mm的毫米级控制要求，有些特殊场合变形要求更高。基于上述要求，本文提出了深大软土基坑精细化微变形控制技术，通过设计新的施工工艺，开发新的精细化变形控制技术装备，在确保基坑本身结构安全的同时，尽量减少对周围保护目标和周边环境的不利影响。

3 深大基坑微变形控制关键技术

3.1 分区、分块施工工艺

根据岩土深层滑移理论和大量工程实践结果，针对深大基坑深层滑移带产生、发育、最终形成特点，处于敏感地区的深大基坑，在充分考虑场地条件和被保护目标布局的情况下，可将其分成一个较大基坑和若干个小基坑。其中，较大基坑一般远离保护目标、位于中心位置，根据需要还可以进一步细分（图2）；而小基坑紧邻周边保护目标且被设计成窄条形，其宽度一般控制在20 m之内。通常远离被保护目标的较大基坑最先开挖，尽可能使坑周被保护目标处在较大基坑开挖影响范围之外，避免被保护目标受到扰动；紧邻周边被保护目标的小基坑后开挖，小基坑较小的尺寸可以限制深层土体滑移带的发育和形成，同时辅以分层分段开挖、快速形成支撑等有效的变形控制措施来满足基坑围护结构的变形要求。

3.2 基于软土流变特性的土体加固和精准开挖支撑施工工艺

针对软土的软塑和流塑特性，依据工程勘察资料和实际工程实践经验，借鉴隧道开挖提前注浆加固的方法，基坑开挖前，在需要临时加固的区域采用提前注浆等加固方法，提高坑周土体的密实度和稳定性。与此同时，根据软土的塑流变特性和时空效应机理，对基坑采取分层分块、快速开挖、开挖一段支撑一段的措施，减少基坑暴露时间，缩短基坑平衡力系建立时间，控制基坑的变形（图3）。每分段长度通常按1～2个同层水平支撑间距确定，为3～8 m；每层厚度通常按支撑竖向间距确定，为3～4 m，每段开挖和支撑形成时间严格限制，一般控制在12 h内。

图2 上海某工程基坑分区示意

图3 狭窄基坑开挖纵剖面示意

3.3 基坑钢支撑轴力实时补偿系统

随着外界环境的变化和基坑开挖的进行，基坑钢支撑轴力一直处在动态变化的状态中，为了克服传统钢支撑存在的技术缺陷，借鉴自动控制理论，将液压自动伺服控制系统应用于深基坑钢支撑的轴力控制中。通过实时监测系统内压力并比较设定压力的差值，通过既定压力和支撑轴力之间的响应关系，对钢支撑轴力进行诊断，并根据诊断结果作出相对应的轴力调节，实现主动加压调控变形，确保深基坑边所需保护建（构）筑物的安全[3-4]。

3.4 基于深基坑围护结构变形和支撑轴力的微变形控制系统

由于地质条件错综复杂，截至目前，都没有一种成熟理论能够解释所有的基坑变形，基坑围护结构位移变形与支撑轴力之间的响应关系也是非线性的，很难通过支撑轴力对基坑围护结构进行精确控制。本系统是在基坑钢支撑轴力实时补偿系统的基础发展而来，通过成串的探头组成基坑围护结构实时监测系统（图4）。该实时监测系统可以对基坑围护结构的水平位移进行实时监测，运用曲线、曲面拟合，分析围护结构的实时变形状态和发展趋势，同时将变形状态与规范或者变形控制要求进行比对，再将比对结果反馈给中央处理器。若围护结构的变形已经超过控制要求或者有超过的趋势，中央处理器给支撑轴力补偿系统发出轴力调整信号，控制围护结构变形或者阻止变形趋势进一步发展，同时实时监测系统监测围护结构变形，验证基坑变形的控制效果，从而实现对基坑围护结构变形的闭环控制，使得变形始终处于安全合理的范围之内，达到基坑变形小于5 mm的毫米级微变形控制要求（图5）。

图4 实时监测系统工作原理

图5 基于深基坑围护结构变形的微变形控制系统原理

3.5 深基坑微变形远程智能可视化管理平台

为了实现深基坑工程多任务、多目标、多层级的实时监控目标，确保深基坑工程本身结构的安全和周围敏感目标的正常使用，本系统在传统现场单一控制的基础上，研发了一套多任务、多终端的远程综合管理平台。该平台系统可以同时管理多个项目，并可以对已完成的监测数据进行大数据分析，为后续类似工程提供科学参考（图6）。

4 工程应用

4.1 工程概况

上海静安区312街坊33丘地块项目北邻上海马戏城、南邻大宁路、西邻东方明珠大宁公寓、东邻共和新路，基坑1区、2-1区、2-2区、3-1区、4-1区中间连成一个整体，其中3-2区、4-2区、4-3区距离建筑物边线只有约10 m，5区、6区、7区、8区的基坑长度近200 m，距离运行地铁线平均约7.5 m（图7）。为确保建筑物和运行地铁生命线的安全，项目采用基坑微变形控制技术，工程需对3-2区72根、4-2区66根、4-3区66根、5区36根、6区30根、7区36根、8区30根以及临时钢管换撑136根等共计472根支撑使用基坑微变形控制技术，从而对基坑及基坑群的施工进行微变形的精准控制，确保地铁生命线及建筑物的安全。

图6 深基坑微变形远程管理平台

图7 工程基坑平面示意

4.2 实施效果

通过采用分区、分块施工以及部分逆作法施工工艺，运用基于深基坑围护结构变形的微变形控制系统，经第三方监测机构检测，深基坑围护体结构的最大位移变形小于10 mm，基坑边保护建筑的位移均控制在5 mm之内，实现对基坑施工及保护建筑的双毫米级高精度微变形控制（图8、图9）[5-6]。

图8 基坑围护结构的水平位移

图9 基坑周围主要监测点的沉降量

5 结语

随着城市的发展，建（构）筑物的基础向深而大的方向发展，而且基坑边的环境日趋复杂，对基坑工程施工提出了更为严格的要求。本文是基于多年来上海地区数十个工程实践经验，从理论研究出发，以施工工艺为先导，以重大技术装备和关键技术创新为核心，形成了一整套软土地区敏感环境下深大基坑变形控制技术体系，包括2套施工工艺和2套变形控制系统。施工工艺分别是分区、分块施工工艺和基于软土流变特性的土体加固和精准开挖支撑施工工艺；控制系统分别是基坑钢支撑轴力实时补偿系统和基于深基坑围护结构变形的微变形控制系统。通过在数个工程中的应用，证明了在软土地区采用深大基坑微变形控制技术体系能够有效控制基坑的变形，很好地保证了基坑周边保证目标和周围环境的安全。