考虑时空效应软土地区深基坑开挖变形分析

陈 涛 宋 静 翟 超

（1.天津市勘察院，天津 300191；2.昆山市财政局，江苏昆山 215300）

0 引言

随着城市建设的快速发展，基坑工程日渐增多，且规模越来越大，在深度、面积上不断有新的增长，伴随着基坑体积的增大，其周边环境也日益复杂[1-2]，这就要求在基坑施工过程中，需要密切关注基坑的变形情况[3]，将基坑施工的安全状况摆在首要位置。通过基坑变形的现场监测数据，及时对围护结构及周边环境的变形状况进行了解并对其变形规律进行研究[4-5]，可以有效地指导现场施工。目前，许多学者针对基坑施工过程中围护结构以及周边环境的变形进行了相关研究。李镜培等[6]以上海五坊园基坑工程为例，对基坑开挖过程中所具有的空间效应进行研究，分析了基坑围护结构、支撑轴力等的变化规律。归浩杰[7]通过现场监测数据，对基坑围护墙体变形、周边地表沉降等进行了归纳总结。章 新等[8]以南京某基坑工程为例，采用数值模拟方法对基坑围护结构变形进行计算，并与现场监测数据进行对比，总结了开口环形基坑围护结构变形的规律。周冠南[9]依托宁波地铁1号线东门口站深基坑工程，结合现场监测数据，对逆作开挖基坑的时空效应进行研究。

本文以天津软土地区某深基坑工程为背景，对其开挖施工过程中支护桩深层水平位移、支护桩顶部竖向位移、周边建筑竖向位移以及周边地表竖向位移的现场监测数据进行统计分析，总结其变形规律，并结合数据分析基坑不同位置监测点所受到的时空效应的影响，为类似工程提供参考和借鉴。

1 工程概况

天津市区某深基坑工程，总用地面积约108775 m2，总建筑面积约309000 m2，基坑开挖面积约95285 m2，周长约1232 m。项目整体分为住宅部分和商业部分，均为地下二层，基坑最大开挖深度约11.7 m，采用明挖顺做法施工。基坑东侧为现有道路，南侧邻近海河，西侧紧邻居民区，北侧为现状空地。由于西侧紧邻居民小区建筑群，基坑开挖施工过程中，需要对邻近建筑的沉降进行重点监测。基坑平面分区见图1，场地内土层参数见表1。

表1 土层参数表

2 施工方案及监测点布设

基坑整体施工顺序为由南向北依次进行开挖，采用钻孔灌注桩与局部放坡相结合的支护方式，在基坑东南角和西南角分别设置一道钢筋混凝土角撑，支撑中心标高为-3.400 m，基坑土方共分三步进行开挖，各步土方分别开挖至-3.8 m、-8.3 m、-12.5 m，基坑平面图见图1（含监测点布设），基坑支护剖面图见图2。根据现场施工进度，将基坑施工分为五种工况，具体工况说明见表2。在基坑开挖施工过程中，围护结构及周边环境的位移能够直接反应出基坑的安全稳定状况，文中选取支护桩深层水平位移、支护桩顶部竖向位移、周边建筑竖向位移以及周边地表竖向位移的现场监测数据进行分析，根据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497—2009）[10]，各监测项目所使用仪器及监测报警值见表3。

图1 基坑平面及监测点布置图

图2 基坑支护剖面图（单位：mm）

表2 施工工况

表3 监测项目一览表

3 监测结果分析

根据基坑现场实际情况，基坑南侧邻近海河，西侧紧邻既有居民区建筑，因而重点对基坑南侧和西侧监测点的位移变化情况进行分析研究，其中，支护桩深层水平位移，正值表示向基坑内侧，负值表示向基坑外侧；支护桩顶部、周边建筑、周边地表竖向位移，正值表示上升，负值表示下降。

3.1 支护桩深层水平位移

选取基坑具有代表性的监测点CX9、CX11、CX14的监测数据进行分析，具体结果见图3。

由图3可以看出，随着基坑开挖施工的进行，支护桩深层水平位移逐渐增大，方向为向基坑内侧，最大水平位移点逐渐下移，基本出现在开挖面附近，整体呈中间大、两端小的“鼓肚”状变化。

CX9位于基坑南侧中点，由于基坑施工采用由南向北的土方开挖顺序，因而南侧支护桩的变形所受到的时间、空间效应影响最明显，其水平位移也最大，工况1—工况5下水平位移最大值分别为15.24 mm、27.51 mm、43.11 mm、54.82 mm、57.73 mm，在工况3时，水平位移已接近报警值，工况4、5时，水平位移最大值已超过报警值。至工况5地下主体结构施工完成时，最大水平位移值与基坑开挖深度的相对比值约为0.49%。CX14位于基坑西侧基坑最长边的中点，与南侧相比，其长度较长，空间效应明显，但受开挖顺序的影响，其时间效应较CX9弱，从现场监测数据来看，其时空效应的综合影响比CX9弱，至地下结构施工完成时，其最大水平位移为36.51 mm，未超过报警值，与开挖深度相对比值约为0.31%。CX11位于基坑西南角，各工况下，其水平位移值均较小，空间拱角效应明显，至地下结构施工完成时，其水平位移最大值为29.04 mm，未超过报警值，与基坑开挖深度相对比值约为0.25%。

图3 支护桩深层水平位移曲线

由图3还可以看出，工况3时支护桩水平位移增量较大，主要是因为基坑第三方土方开挖时，其深度较深，并且施工工期较长，因而水平位移增量也较大。在基坑底板施工完成后，因底板对支护桩具有一定的约束作用，所以水平位移增量较小。

3.2 支护桩顶部竖向位移

选取基坑南侧和西侧典型支护桩顶部竖向位移监测点JC13、JC17、JC21、JC26、JC33的监测数据进行分析，结果见图4。

图4 支护桩顶部竖向位移曲线

由图4可以看出，随着土方开挖的进行，支护桩顶部竖向位移逐渐增大，至基坑底板施工完成后，位移增量变小，趋于稳定，开挖卸荷过程中，支护桩产生向上的回弹。基坑采用由南向北的开挖顺序，各监测点具有明显的时空效应。基坑南侧中点JC17时间、空间效应最明显，其回弹量也最大，至工况4、5时，其竖向位移最大值分别为23.3 mm、24.5 mm，已超出报警值。西侧JC26监测点位于基坑最大边长中点处，其空间效应较明显，综合而言，其空间效应较JC17弱，因而其竖向位移较JC17小，至工况5地下结构施工完毕时，支护桩竖向位移为19.2 mm，已接近报警值。JC13、JC21分别位于基坑东南角和西南角，其所受到的空间拱角效应较明显，因而竖向位移值也较小。JC33位于基坑西北角，由于基坑由南向北开挖，同时受拱角效应影响，其所受时空效应影响最弱，竖向位移也最小，至工况5地下结构施工完毕时，其竖向位移最大值为10.7 mm，未超过报警值。

3.3 周边建筑竖向位移

选取具有代表性的建筑1#、5#及12#楼竖向位移监测数据进行分析，结果见图5。

由图5基坑周边1#和5#楼竖向位移现场监测数据可以看出，1#楼位于基坑西南角，受拱角效应影响，其受到的空间效应影响较弱，竖向位移值较小，根据布点图所示布点位置，监测点似对称性，因而图5所示竖向位移值也具有大概的对称性，与基坑距离最近的C1--3、C1--4的位移值最大，工况5时，分别为-20.6 mm、-19.8 mm，距离基坑最远的C1--1、C1--6位移值最小，工况5时，分别为-12.5 mm、-11.6 mm，均未超过报警值。5#楼位置对应于基坑西侧中点处，其受到的空间效应影响比1#楼大，其竖向位移值也较大，与1#楼类似，距离基坑最近的C5--5、C5--6位置值最大，工况5时，分别为-26.4 mm、-25.9 mm，距离基坑最远的C5--1、C5--10的位移值最小，工况5时，分别为-15.4 mm、-14.8 mm，均未超过报警值。12#楼位于基坑北侧，受土方开挖顺序影响，各层土方开挖时，北侧均为最后开挖，其受到的时空效应影响最小，位移也最小，至基坑底板施工完成时，其位移最大值为-11.5 mm，未超过报警值。

图5 周边建筑竖向位移曲线

3.4 周边地表竖向位移

选取西侧典型断面DB1、DB2及DB6监测点的监测数据进行统计分析，其中，每个断面共5个监测点，第1～5个监测点距离基坑边距离分别为1 m、2 m、3 m、5 m和7 m，结果见图6。

周边地表DB1、DB2断面监测点的位置分别与1#楼和5#楼邻近，根据图6所示监测数据可以看出，在基坑施工过程中，均呈现出下降的趋势，且随着基坑施工的进行，位移值逐渐增大，至基坑底板施工完成后，位移值趋于稳定。受空间位置及开挖顺序的影响，DB1时空效应的影响整体小于DB2，至基坑底板施工完成时，DB1断面中，竖向位移最大值出现在DB1--3监测点，即距离基坑边6 m处，约为0.51H（H为基坑开挖深度，本工程H=11.7 m），至地下结构施工完毕时，其竖向位移值为-18.3 mm，约为0.16H%；DB2断面中，竖向位移最大值出现在DB2--3监测点，也是距离基坑边6 m处，至地下结构施工完毕时，其竖向位移值为-22.7 mm，约为0.19H%。DB6位于基坑北侧，基坑土方开挖顺序为由南向北，北侧最后开挖，DB6监测点所受到的时空效应的影响最小，故位移也最小，位移最大值出现在距离基坑边6 m处，至工况5时，DB6--3最大位移值为-11.2 mm，约为0.10H%。

4 支护结构优化措施

根据支护桩深层水平位移现场监测数据，CX9最大水平位移值已超过报警值，分析认为与基坑支护形式有密切关系，基坑东南角、西南角的局部角撑结合灌注桩的支护方式在设计上有所不足，未充分考虑基坑开挖方式、土体暴露时间等因素的影响，且当桩体水平位移较大时，未采取适当措施抑制此位移的继续发展，因此需对原设计支护结构进行优化，考虑到基坑开挖时间长，施工面积大，且开挖顺序为由南向北，其西侧紧邻居民建筑群，结合现场工程地质情况，建议在基坑南侧和西侧采用桩锚支护结构，此种支护形式可以在一定程度上起到基坑内支撑的作用，同时给予桩体锚拉力以减小支护桩体的位移。

5 结论

本文以天津某深基坑工程为背景，对基坑开挖过程中支护桩深层水平位移、支护桩顶部竖向位移、周边建筑竖向位移以及周边地表竖向位移的变化情况进行总结，对其所受时空效应的影响进行分析，主要得出以下结论：

1）基坑开挖对支护桩位移、周边环境位移受空间效应影响显著，基坑边长中点的位移较大，角点的位移由于具有明显的空间拱角效应，位移较小。

2）基坑施工过程中，支护桩以及周边环境位移具有明显的时间效应，基坑开挖顺序为由南向北，南侧土体最先开挖，因而南侧支护桩及周边环境的位移较大，北侧较小，施工过程中，因注意较大变形部位位移的变化情况。

（3）周边地表竖向位移随着基坑开挖深度的增加而逐渐增大，时空效应明显，各断面监测点位移变化曲线基本呈盆状，最大值出现在距离基坑边6 m处，约为0.51H，地下结构施工完成时，DB1、DB2、DB6位移最大值分别为0.16H%、0.19H%、0.10H%。

（4）CX9监测点位于基坑南侧中点，且南侧最先开挖，在工况3时，最大水平位移已接近报警值，工况4、5时，已超过报警值，这与基坑的支护形式、开挖顺序以及开挖后土体的暴露时间有直接关系，提出对原设计支护结构进行优化，建议在基坑南侧和西侧采用桩锚支护结构以减小桩体水平位移，为类似工程设计方案的优化提供参考。