富水深基坑边坡变形规律分析

李凌云

(安徽建筑大学 建筑结构与地下工程安徽省重点实验室，安徽 合肥 230601)

近年来，随着国家高速铁路的不断发展，高铁车站日益增多，伴随而来的是各种复杂条件下的基坑施工，特别对于水系发达地区的富水深基坑施工，基坑开挖往往会引起支护结构变形破坏、地表沉降、地下水突涌等工程事故。针对富水深基坑开挖引起的边坡变形规律，国内外学者开展了大量研究[1-6]。刘兴旺等[1]结合上海、杭州等软弱地区基坑施工案例，对基坑开挖产生的结构最大侧位移、侧移变形位置、邻近建筑物沉降及变形时间效应进行了有效分析研究；李焕焕等[2]对厚软土地区深基坑预应力锚桩、钢支撑和 SMW 工法桩的应用效果进行了分析;任望东[3]以北京某基坑为研究背景，介绍了钢管桩结合预应力锚杆的组合支护形式在基坑中的成功应用；徐菁[4]探索了软土地区深大基坑工程施工对基坑周围环境的扰动影响;黄春娥、龚晓南[5]等在深入探讨地下水渗流对基坑边坡稳定作用的基础上，提出有限元与条分法相结合的新方法；Long[6]根据296个基坑案例，研究了各种基坑在不同条件下的变形规律，得出了一些基坑变形的规律性结论。

本文以某高铁站站前广场基坑开挖项目为研究背景，结合现场监测数据分析了基坑周边的地表沉降、边坡水平位移和地下水位变化，得出开挖工序与各监测项目变形之间的基本规律，给类似工程条件下基坑开挖提供指导。

1 工程概况

本站前广场结构净尺寸为225 m×256 m，占地面积约57 000 m2，地下3层框架结构+桩基础，其中地下1层为社会停车场、出租车停车场及公交车站，设计高度6.0 m，地下2层及地下3层均为社会车场，设计高度4.2 m；设计使用年限为50 a，建筑结构安全等级为二级，抗震设防烈度7度。

本工程基坑开挖面积约为58 936 m2，开挖深度15.9 m，局部开挖深度18.9 m，分三层开挖，地面覆土1.5 m。基坑共设置两道混凝土撑，基坑围护呈环形布置，支护周长约1 005 m，下部采用格构柱作为支撑柱，格构柱共484根。基坑平面布置如图1所示。

图1 基坑平面布置示意

2 工程地质和水文地质条件

根据工程地质勘察报告，本工程场地所属地貌分区为徐淮黄泛平原区，地貌单元为冲积扇三角洲，地势平坦，地面坡度小于8°，地貌类型单一，现为农田，区间穿越京沪高速公路和在建高铁东站站场，场地标高7.70～9.40 m，覆盖层均为第四纪松散沉积物，地层分布见表1。

表1 地层分布

根据勘察报告，对工程有影响的地下水按其埋藏条件可分为潜水和承压水。潜水主要埋藏于2-1层砂质粉土中，潜水水位随着降水面变化；承压水主要埋藏于3-3层粉砂、3-1和3-4层粉砂和粉质黏土中，主要接受侧向径流补给，径流以侧向为主，排泄方式以径流为主，局部人工开采。

3 支护方案

本工程支护周长约1 005 m，围护结构东侧和北侧采用地连墙，每幅墙体长度约为6 m，深度为50 m，接头位置均采用工字钢接头+高压旋喷桩方式进行施工；西侧和南侧TRD工法墙+围护桩，TRD墙体长度为425.6 m，深度为50 m，围护桩采用Φ1150钻孔灌注桩进行施工，共计282根。

3.1 地连墙施工

3.1.1 施工顺序

导线施工→泥浆制备→成槽施工→钢筋笼制作→钢筋笼吊装→水下混凝土灌注→地下连续墙检测。

3.1.2 地连墙施工控制重点

根据场地条件、地质条件及基坑特征，每相邻两幅地连墙接缝位置均设置两根桩径1 000 mm高压旋喷桩，搭接500 mm，确保地连墙接缝位置止水效果，防止开挖过程中出现渗漏水情况，如图2所示。旋喷桩采用跳打方式进行施工，施工前需进行工艺性试验，确定各项施工参数，水泥浆水灰比为0.8～1.5，每米水泥用量600 kg，钻杆钻机过程中旋转速度为10～15 r/min，提升速度为5～15 cm/min，喷浆压力为28～30 MPa。

图2 地连墙连接缝处理示意

3.2 TRD工法墙+围护桩

3.2.1 施工顺序

(1)TRD工法墙

建立试成墙→测量放线→开挖沟槽→吊放预埋箱→桩机就位→切割箱与主机连接→安装测斜仪→TRD工法成墙→拔出切割箱。

(2)围护桩施工顺序

施工准备→场地平整→测量放线→护筒埋设→钻机就位→泥浆制备与管理→钻进成孔→钢筋笼制作与安装→钢筋笼吊放入孔→水下灌注→成桩检测。

3.2.2 TRD工法墙+围护桩施工控制重点

(1)TRD工法墙施工时必须保持TRD工法桩机底盘的水平和导杆的垂直，施工前采用测量仪器进行轴线引测，使TRD工法桩机正确就位，并校验桩机立柱导向架垂直度偏差小于1/250。

(2)对于当天成型墙体应搭接已成型墙体不小于50 cm，搭接施工时间间隔不得大于24 h，若因长时间无法搭接或搭接质量无法保证，应作为冷缝，后期采用高压旋喷桩进行处理，如图3所示。

图3 TRD工法墙搭接施工示意图

(3)围护桩施工时，采用正循环钻施工。按施工开孔之距离(桩中心距离)不小于4倍的要求，以“跳四钻一”循环进行施工，即每隔四根钻孔桩施工一根钻孔桩，如图4所示。

图4 围护桩施工顺序示意

4 基坑监测

4.1 监测方案

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》要求，对基坑周边0.7H范围内进行重点监测，H为基坑深度。主要监测内容有：地表沉降、基坑边坡水平位移和坑外水位变化。地表沉降每个监测剖面布设4个监测点，共48个；桩顶水平位移监测沿基坑边布设38个监测点；坑外水位沿基坑共布设24个。监测时间从2019年3月5日开始，到2019年10月10日截止，共220 d，具体测点布设位置如图5所示。

图5 测点布设示意图

4.2 监测结果分析

4.2.1 地表沉降

根据两种不同的支护方式，分别选取监测点DB01～DB04和DB21～DB24进行分析，地表沉降变化曲线如图6所示。

图6 地表沉降变化曲线

从图6可知：地表沉降值随着基坑的开挖，沉降量不断增大，最终趋于稳定。在基坑刚开挖60 d内，即基坑第一层开挖时，基坑周围地表沉降位移曲线变化平缓，表明开挖初期对地表影响很小；60～130 d时间段，即基坑第二层开挖阶段，曲线变化大并呈连续降低的趋势，最大沉降值达13 mm，表明该阶段土石开挖的速度过快，导致基坑周围地表变形变大；随着基坑第三层开挖，垫层和底板浇筑的竣工，支护结构稳定性得到提高，变化曲线趋于水平，地表沉降也随之稳定。DB01和DB21的地表沉降值明显高于其他点，且表现出离基坑越远，地表沉降量越小的趋势。

4.2.2 基坑边坡水平位移

从基坑四个方位边坡监测点中分别选取SP06、SP18、SP28和SP36四个监测点，其监测数据如图7所示。

图7 边坡水平位移曲线

从图7可知：边坡围护结构的水平位移与基坑的施工过程密切相关。当基坑开挖深度在第二层时，监测点水平位移均达到最大变形量，分别为12 mm、13.2 mm、11 mm和9.5 mm，满足设计变形要求。基坑深度与其最大水平位移值在一定范围内呈正相关，超出一定范围转为负相关。从变化曲线来看，其最大水平位移均发生在基坑深度的2/3左右。

4.2.3 坑外水位变化

从坑外水位监测点中，沿基坑四周各取两个水位监测点，共8个点(SW02、SW04、SW08、SW10、SW14、SW16、SW20、SW22)进行分析，如图8所示。

图8 地下水位变化曲线

从图8可知：在整个开挖阶段，监测点 SW02、SW04、SW10、SW14和SW22的水位值变动较小，处于-215～1 230 mm；SW08、SW16和SW20的水位变化幅度较大，位于-530～2 710 mm。基坑在整个施工开挖过程中，须采用信息施工法进行施工及设定监测预警系统，当监测数据显示已触及报警值应及时向业主和施工方说明情况并采取相应措施[7-10]。结合本工程的地下水位报警值的设计标准，其监测值没有触及报警值。

5 结论

(1)基坑开挖打破原始地应力平衡，造成地表沉降变形，基坑边坡水平位移，水位变化等不利影响。

(2)随着基坑的开挖，基坑周边地表沉降逐渐变大，最终趋于稳定；基坑边坡的水平位移在一定范围内与基坑开挖深度呈正相关趋势，最大位移发生在基坑深度的2/3处。

(3)工程所在地的徐淮黄泛平原区地下水位丰富，基坑开挖会引起水位发生较大浮动。

(4)对于富水深基坑，以地连墙和TRD工法墙加钻孔灌注桩的组合围护体系可以起到良好的支护效果，能够有效控制变形，可为类似工程条件下基坑开挖提供借鉴。