滨海欠固结地层深基坑群围护结构侧移预警指标研究

2021-11-24翁承潘丁文其乔亚飞

施工技术(中英文) 2021年18期

黄俊，翁承潘，丁文其，乔亚飞，陈之

(1. 中国建筑第二工程局有限公司华南分公司，广东深圳 650021；2.同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092；3.岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092)

0 引言

我国东部沿海地区，如上海、杭州、宁波、温州、珠海等，分布着较厚的欠固结软弱土层。这些土层有以下特点：含水量高、触变性大、压缩性高、强度低、渗透性差、明显的流变性、易于发生塑性流动且固结沉降较大。在欠固结软弱地层的基坑围护结构常发生较大侧移变形，并且常常超过规范建议值，但实际工程却处于安全状态。因此需要结合具体工程确定合理的预警指标和预警值，以确保施工安全和施工进度的平衡。

目前已有众多学者对深基坑变形预警指标进行研究。贺勇等[1]结合基坑工程的特点以及监测分析，提出了基坑工程安全预警的一些量化指标。宋建学等[2]根据国内规范条文，结合地区经验，提出了基坑变形监测的预警指标。刘涛[3]选取了有代表性的30个地铁基坑工程的围护墙体实测变形数据，采用数据挖掘方法研究了基坑状态、工程风险、施工工况、保护等级和监测数据之间的关系，并在此基础上结合上海地铁工程实际情况提出了一套合理有效的基坑变形警戒值。叶俊能等[4]基于14个深基坑工程实测数据，对宁波地区软土深基坑的变形特性进行研究，建立了宁波地区深基坑监测过程中的预警指标体系。王烨晟等[5]运用概率统计的方法，对大量实测统计数据进行分析，提出了富水砂层深基坑的监控预警指标。薛彬[6]以佛山地铁文化站深基坑为例，对围护结构和坑外地表的监测数据进行整理分析，对围护结构在开挖过程中表现内凸型和坑外地表沉降表现出来的凹槽形特征，提出了相应的基坑变形预警指标和报警值。

综上，目前大多数的预警指标还是基于工程经验，预警指标适用的地域性很强。滨海欠固结地层的基坑工程不能简单照搬其他地区的预警指标。因此，对于滨海地区欠固结软弱地层，应在参考相关规范和类似工程经验的基础上，结合设计计算和有限元计算，建立对实际工程具有指导意义的预警指标和报警值，以确保基坑及周边环境在施工期的安全，并保障施工进度。

1 工程概况

横琴口岸及综合交通枢纽功能区项目位于珠海市横琴新区，其基坑群工程采用分区方式实施，分为A,B,C,D 4个分区，如图1所示。在施工过程中，每个分区的基坑按照设计和工期要求分步施工。A区基坑开挖深度在9.2～13.2m，开挖面积约21 000m2，南北两侧围护结构采用地下连续墙，东西两侧采用分离式排桩+止水帷幕作为围护结构；B区基坑开挖深度在9.2～13.2m，开挖面积约88 000m2，与邻近基坑工程相邻处借用既有的地下连续墙作为围护结构，其余区段采用分离式排桩+止水帷幕作为围护结构；C，D区基坑开挖深度约13.3m，开挖面积分别约为11 000，15 800m2，围护结构均采用分离式排桩+止水帷幕。

图1 横琴口岸基坑群分区和周边环境概况

2 工程地质条件

表1 土(岩)层的物理力学参数

3 横琴口岸基坑群的侧移预警指标

为了确定横琴口岸基坑群的监测预警指标，综合考虑以下因素：相关基坑工程规范的规定、基于国内类似工程调研的类比指标、横琴口岸基坑群工程设计计算结果和典型剖面有限元计算结果等。

3.1 相关规范建议的预警指标

横琴口岸基坑群采用挖孔桩作为围护结构，开挖深度主要为9.2,13.2,17.8m，局部深坑21.2m，距离围护结构较远，暂时不考虑其影响。据此可以估算，如果按照相对基坑深度控制值的标准，横琴口岸的墙顶水平位移需分别控制在18.4～27.6，26.4～39.6，35.6～53.4mm，墙顶竖向位移分别控制在9.2～18.4，13.2～26.4，17.8～35.6m，桩身深层水平位移分别控制在46.0～55.2，66～79.2，89.0～106.9mm。

综合考虑绝对值的限制，依据GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》，可确定横琴口岸基坑群的监控预警值，监测值的变化速率连续3d超过报警值的50%时应报警。参照DBJ/T 15—20—2016《建筑基坑工程技术规程》，结合横琴口岸基坑群的围护结构情况，确定横琴口岸基坑群不同开挖深度的监控预警值如表2所示。

表2 横琴口岸基坑群监测报警

对比表2可知，《建筑基坑工程技术规程》要求与《建筑基坑工程监测技术规范》的要求基本一致，但是对桩身深层水平位移的要求略高于全国规范。考虑基坑工程的区域性特征，在实际监测中应优先采用广东省的规范建议值。

3.2 基于类似工程调研的预警指标

调研上海[7]、杭州[8]、宁波[9]、温州[10]等主要滨海软土城市的基坑变形特性，统计得到各软土地区基坑围护结构侧移量如表3所示，从表中可以看出，软土地区基坑的最大侧移均较大，均值在0.4%H(H为开挖深度)以上，最大均值达到0.9%H，这比《建筑基坑工程监测技术规范》建议的0.5%H～0.6%H略大，比其规定的绝对值45～55mm更大。据此可知，规范给出的预警建议值是基于一定范围，多种地质条件工程经验和设计计算的统计结果。该结果仅能为深厚软土地层的监测预警值提供参考，而并不是工程实施最终确定的控制值。比如，温州地区由于深厚的淤泥和淤泥质土层，该地区基坑围护结构的深部最大水平位移均值在0.8%H，远大于规范的建议值，但是在实施过程中，多数基坑工程也均安全实施。

表3 部分滨海城市基坑围护结构变形情况调研

基于以上认识，为确定横琴口岸基坑群深部水平位移的监测预警值，对横琴岛范围内的数个基坑进行了调研分析[11]。统计结果表明，横琴岛内基坑围护结构深部水平位移为开挖深度的0.1%～0.45%。特别值得注意的是，0.45%H的统计值发生在灏怡财富基坑工程，与横琴口岸基坑群工程相毗邻，可以提供较好借鉴。为此，初步采用0.45%H作为横琴口岸基坑群的围护结构深层水平位移控制值。据此可知，开挖深度为9.2，13.2，17.8m处的深部水平位移控制为41.4，59.4，80.1mm。对比表2可知，基于工程实际的统计值略大于规范的建议值，这与其他地区的认识和规律相一致。

3.3 基于设计计算的预警指标

横琴口岸基坑群的工程规模和工序复杂程度远远超过横琴岛上其他工程，上述调研相似土层基坑类比确定的围护结构侧移预警指标仅能提供借鉴或参考。为进一步确定适用于横琴口岸基坑群围护结构的侧移预警指标，通过竖向弹性地基梁法，计算分析基坑开挖施工过程中围护结构的侧移。共选取图1中3，13，25a 3个剖面进行计算分析，得到围护结构最大水平位移分别为46.8，101.1，42.9mm。

围护桩的变形呈现中部侧移大，顶部和底部侧移小的规律，且变形值与开挖深度和土层分布有关；随着场地内淤泥层厚度的变化，围护结构的深层水平位移也会发生较大的波动。依据控制值不应超过设计计算值的准则，综合确定开挖深度为9.2，13.2m处的深部水平位移控制为46.8，43～101mm。考虑管廊深基坑距离B区外围围护结构较远，初步分析时假定其影响较小，暂不考虑。

3.4 基于地层结构有限元计算的预警指标

采用有限元软件对图1中的7，12，13和25a 4个剖面进行计算，得到横琴口岸基坑群工程的侧移位，如表4所示。由表4可见，由于深厚淤泥层的存在，围护结构侧移与坑外地表沉降均较大。围护结构最大侧移约为40～80mm，与开挖深度的比值约为0.3%～0.7%。最大侧移位置在坑底或坑底以下一定深度，淤泥层厚度越大，最大侧移所在位置也越深。

表4 典型剖面围护结构最大侧移计算结果

3.5 围护结构侧移预警指标及实施效果

统计汇总规范建议值、基于工程调研的预测值、设计计算值和有限元计算分析值，如表5所示。针对开挖深度为9.2m的区域，规范建议值、工程类比和设计计算的结果相接近，确定该区域的桩身深部水平位移控制值为45mm；对于开挖深度为13.2，17.8m的区域，规范建议值与工程类比和设计计算的较小值相接近，而与工程类比和计算的较大值差异较大，尤其是有限元的计算结果更大。考虑基坑工程的个性，以设计计算值为基准，同时考虑工程类比和有限元计算结果，确定该区域的桩身部水平位移控制值为100mm。值得注意的是，由于横琴口岸基坑群的规模大，场地范围欠固结土层的厚度波动较大，应进一步确定不同区域的深层水平位移控制值，而非采用统一的控制标准。

表5 横琴口岸基坑群桩身深部水平位移控制值 mm

在确定综合基坑工程预警指标后，考虑横琴口岸基坑群的规模和施工工序复杂程度，需要采用分级、分区、分阶段的控制指标。分阶段即将控制指标分配到每个施工工况阶段，严格控制每个施工阶段的变形值，避免前序工序过大变形带来的危害。分区即根据基坑的地层信息条件、周边环境环境条件和基坑的支护结构情况，明确不同区域的监控指标，避免较安全区域的控制指标过大而带来的不安全，以及控制指标较小带来的长期报警干扰。分级即将控制值划分到不同阶段，采用多级预警的方式，避免风险的发生。借鉴既有工程经验，拟定了用于横琴口岸基坑群围护结构侧移监测的分级标准，如表6所示。

表6 横琴口岸基坑群监测控制预警值分级

目前，横琴口岸基坑群已经安全施工完成，统计已有测点最大水平(向坑内)位移h与开挖深度H关系如图2所示。发现随开挖深度增大，最大水平位移逐渐增大。h/H平均值为0.18%，最大值为0.37%，最小值为0.04%。9.2m和13.2m深度处的最大侧移量分别为35，49mm，均小于预警控制值，表明了预警指标的合理性。