深大基坑开挖支护施工及变形控制研究

朱正国，刘争国，范剑雄，翟朝娇，罗支贵，徐俊

(1.淮安高新控股有限公司，江苏 淮安 223001；2.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；3.安徽建筑大学土木工程学院，安徽 合肥 230601；4.中国铁路上海局集团有限公司，上海 200000；5.中铁四局集团第四工程有限公司，安徽 合肥 230012）

1 引言

随着社会经济的快速发展，地下空间的开发利用规模加大，使得基坑工程日益增多，且向更深更大的方向发展，特别是针对富水地区，其工程地质和水文地质条件较差，力学性能复杂，增加了基坑工程施工的难度。

针对深大基坑的开挖支护施工及变形控制效果研究，国内外学者做了大量研究[1-8]。何志勇等[1]以深圳某工程为例，结合数值模拟和现场监测，研究了深基坑在桩撑和桩锚的组合支护下结构的变形和受力特点。夏应学[2]等人结合实际工程，计算得出控制开挖长度和深度可以很好控制基坑的变形。胡琦等[3]人认为可以采用非线性三维实体模型来模拟基坑开挖问题，他从机理上研究了咬合桩的受力特点，对基坑的变形分析起到了基础作用。Wong[4]利用有限元软件分析了基坑施工阶段地下水位变化对基坑变形之间的关系，计算结果显示在基坑工程施工过程中地下水分布的变化对基坑变形影响很大，因此在实际工程中需要切实的关注地下水分布问题。

本文通过以淮安东站站前广场深基坑工程为实例，结合现场监测数据分析了深层土体位移、坑顶沉降位移、地下水位变化，探讨了各监测项目的变形规律，给类似工程条件下基坑开挖提供指导。

2 工程概况

本工程为淮安东站站前广场，广场位于在建连镇铁路东侧，场址为原连镇铁路淮安东制梁场用地，站前广场结构净尺寸长225m×宽256m，占地面积约5.7万m2，基坑开挖面积约为58936m2，局部开挖深度18.9m。地下三层采用框架结构＋桩基础，其中负一层为社会停车场出租车停车场和公交车站，设计高度6.0m，负二层及负三层均为社会车场，设计高度4.2m，设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为一级，抗震设防烈度7度。

图1 基坑现场施工图

3 开挖支护方法

3.1 开挖方案设计

基坑开挖遵循“分区、分层、限时、平衡、对称”的开挖原则，将基坑土方以环形支撑为界纵向分为3层，平面分为25块，采用两种开挖方法进行施工，第一道混凝土环撑以上土方开挖采用岛式开挖法，首先开挖环撑范围土方，分段进行环撑施工，环撑施工完成后开挖内部土方，等环撑达到设计强度要求后，转换开挖方法，采用盆式开挖法进行第一道环撑以下土方开挖，首先进行环撑内土方开挖，挖至第二道环撑下5cm，进行第二道混凝土环撑施工，达到设计强度后，继续采用盆式开挖法，由中心向四周开挖至基底上30cm，最后采用人工开挖进行清底。具体开挖流程如图2所示。

图2 开挖流程示意图

3.2 支护方案设计

围护结构支护周长约1005m，围护结构东侧和北侧采用地连墙，每幅墙体长度约为6m，深度为50m，接头位置均采用H型钢接头＋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425.6m，深度为50m，围护桩采用Φ1150钻孔灌注桩进行施工，设置2道混凝土撑，沿基坑围护呈环形布置，下部采用格构柱作为支撑柱，格构柱共484根，第一道混凝土支撑设置在原地面以下约1m，截面尺寸为2.6m×1m，第二道混凝土支撑设置在原地面以下约8m，截面尺寸为2.9m×1.5m。

4 监测分析

为确保施工安全，要对基坑及支护结构进行必要的监控量测，以及时调整开挖速度与位置，防止因围护结构变形过大造成安全隐患，影响施工进度。本文分析中，选取富水条件下地连墙段深层土体水平位移监测点CX3、围护桩沉降监测点SP4、SP6和水位监测点SW01、SW02、SW04和 SW06的监测数据进行规律性分析。

4.1 深层土体位移

图3 深层土体位移曲线

由图3可知，基坑开挖初期 (开挖1.3m)，土体出现坑内前倾的变化趋势，上部土体水平位移较大，越往深处，土体位移越小。随着第一道支撑的安装以及基坑的开挖至8.2m，深层土变形曲线由前倾逐渐变为“弓”形，土体最大水平位移发生部位也逐渐下移，约在土体深度6m处。第二道支撑安装完毕以及基坑开挖至15.8m处时，土体位移曲线仍表现为两头较小，中间较大的特征，最大水平位移发生位置下移至10m处。基坑的开挖至基底时，CX3处土体最大水平位移为26.3mm，未超出监测警戒值（35mm），且还有一定空间，说明维护结构满足基坑稳定性要求。

4.2 围护桩沉降位移

图4 围护桩沉降位移

由图4可知，在基坑开挖初期，受土体卸载作用，围护桩桩顶实测垂直位移有少量上浮，并在第十天出现峰值，最大值发生在SP6位置，为3.15mm。随着基坑开挖深度的增加，围护桩开始发生沉降，总体呈下降趋势，在开挖第36天至第42天，位移发生快速下降。SP6点在第69天出现最低值-6.25mm。第二层开挖中期至第三层开挖初期围护墙沉降曲线变化幅度较小，在第三层开挖时期趋于稳定。

4.3 地下水位

图5 地下水位时间变化图

由图5可知，在基坑开挖前期，水位波动明显，开挖至第二层中期时，水位总体呈缓慢下降趋势。四个监测点水位累计变化值均出现最低值，最小值在SW04点，为-920mm，并未超出设计报警值1000mm；在开挖第二层土方后期时，监测点均有快速上升的现象，造成这个现象的原因是此施工期间受到降雨影响，监测点附近有导水管，施工时抽水会影响水位变化，随着第二层开挖完成及混凝土支撑完成，地下水位得到控制。监测点水位总体平稳。

5 结论

①基坑开挖过程中，深层土的水平位移随开挖深度的增加而增加；开挖初期，最大水平位移发生在基坑上部区域，随着基坑的开挖支护完毕，深层土最大位移处下移至基坑中间位置，土体变形呈现两头小，中间大的形态。

②围护墙沉降位移在基坑开挖初期有小幅度上升过程，之后随基坑开挖的进度会慢慢下降，最后，逐渐趋于稳定状态。工程中，应该在围护墙下降阶段增加监测频率，保证结构的安全稳定。

③开挖前期水位波动明显，随着基坑开挖，水位缓缓下降，后期受到降雨影响，水位快速上升，最终趋于稳定，工程中，应该注意雨季施工范围的排水，并时刻关注支护结构是否有漏水漏砂现象。