软土深基坑开挖超大变形预警与应急处置分析★

吴 刚，杨志浩

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

随着我国城市建设步伐的不断加快，土地资源供应与城市发展需求之间矛盾越来越突出，新建工程向地下方向垂直发展已成为未来城市发展的趋势［1－2］。随着交通、电力、民建等领域深基坑工程规模不断扩大，深基坑工程施工面临艰巨的挑战，特别是在沿江、沿海等软土地区，地质环境极其敏感脆弱，施工建设难度剧增，基坑事故频发［3－5］。目前，相关研究局限于设计时通过数值模拟手段，进行基坑变形分析，以期优化深基坑设计方案［6－7］，或基坑事故发生后开展基坑大变形破坏分析［8］。关于深基坑开挖过程中超大变形险情的相关研究尚属空白。

本文以长江下游软土地区某深基坑为研究对象，基坑尺寸140 m（长） ×20．1 m（宽） ×15．5 m（深） ，基坑采用1 000 mm@800 mm 咬合桩+1 道混凝土支撑+3 道钢支撑的围护结构，通过分析基坑开挖期间出现的围护结构超大变形和周边较大地表沉降等发展变化规律，总结基坑大变形诱因，提出应急处置方案，并持续开展基坑监测，验证基坑处置效果，实现监测动态指导施工。

1 工程概况

1．1 地层条件

依托长江下游地区某综合型交通和电力枢纽地下构筑物深基坑，根据地勘报告，拟建场属长江漫滩地貌。基坑开挖深度范围主要土层为①－1杂填土、②－1b2－3粉质黏土、②－2b3－4淤泥质粉质黏土、②－3b2－3粉质黏土、②－2c2－3粉质黏土、③－1b1－2粉质黏土及③－2b2粉质黏土，如图1 所示。

图1 基坑土层分布图

1．2 基坑支护与监测方案

本站为地下二层框架结构，基坑深度约15．5 m，围护结构采用1 000 mm@800 mm 钻孔咬合桩，插入比为0．7 ～0． 82； 竖向设置四道支撑，第一道为800 mm ×800 mm 混凝土支撑，支撑水平间距为9 m，其余为609 mm×16 mm 钢支撑，支撑水平间距为3 m。对坑内潜水采用管井降水辅以明沟排水方式处理； 基坑标准段围护剖面如图2 所示。

图2 基坑标准段围护结构示意图

基坑监测项目包括围护结构侧向位移、围护桩桩顶位移、支撑轴力、坑外水位、坑外地表沉降、管线沉降、周边建筑物沉降等，本文着重分析围护结构水平位移及坑外土体沉降。围护桩体水平位移测点布设于围护桩体内，测点水平间距约10 m； 坑外土体沉降测点沿基坑周边2 倍～3 倍开挖深度布置，各断面水平间距15 m，断面地表监测点与基坑的距离为2 m，5 m，5 m，10 m，10 m，部分监测点布置如图3 所示，桩体变形和沉降变形控制值均为40 mm。

图3 基坑部分监测点布置图

2 基坑超大变形预警分析

2．1 基坑开挖全过程主要监测信息分析

图4 为位于同一断面的ZQT08 和ZQT32 测点处桩体水平位移曲线。由该图可以看出，桩体水平位移呈现出中间大、两头小的“弓形”变形形态，基本符合Clough［9］提出的组合变形模式。两测点最终水平变形均超控制值的430%。

图4 围护结构侧向位移

基坑8 个地表监测断面的地表沉降监测数据如图5所示，数据显示地表沉降槽呈两端小、中间大的形态，符合“凹槽形”变形特征［10］。从图5 可以看出，基坑沉降包络曲线包含区域大，明显超出Hsieh 和Ou［11］提出的沉降预测曲线。根据施工监测方案，基坑周边地表沉降监测范围为（2 m ～2．5 m） 基坑深度。然而监测数据显示实际基坑开挖的影响范围远超过2 倍基坑深度。

图5 地表沉降影响范围

2．2 超大变形预警

基坑采用竖向分层、横向分段的施工方式进行施工，按原施工计划基坑横向分为6 个施工段，竖向分为4 层开挖。基坑从5 月开始开挖，至8 月初，变形都较为稳定，个别监测点超过预警值。到8 月中下旬，第五施工段出现大变形预警，此时本基坑土方开挖已完成设计开挖土方总量的87%；第二道钢支撑架设至16 轴，第三道钢支撑架设至14 轴，第四道钢支撑架设至13 轴。具体施工进度，如图6 所示。

图6 一期基坑8 月中下旬施工进度示意图

根据现场实时监测数据，8 月20 日，桩体测点ZQT08和ZQT32 累计侧向变形分别达到了150 mm 和130 mm，近3 d 侧向位移变化速率均超过10 mm/d，最大变化速率达15 mm/d； 地表测点DB34 －03 和DB09 －03 累计沉降分别达到了120 mm 和90 mm，近3 d 沉降量变化速率均超过5 mm/d，最大变化速率达10 mm/d。由此判定基坑处于不稳定状态，基坑整体发生超大变形。

2．3 超大变形诱因分析

根据基坑监测数据和现场施工情况，对基坑超大变形诱因进行分析。主要影响因素包含以下3 点：

1） 地质因素。

根据地勘报告，基坑上部处于②－2b3－4淤泥质粉质黏土层，该层土强度低、灵敏度高，对基坑变形影响较大。基坑第五段处于②－2b3－4淤泥质粉质黏土层平均厚度7 m以上的位置，易出现围护结构及地表超大变形，且第三道及第四道支撑完全处于淤泥质粉质黏土层中。由图4 可知，第五段基坑开挖时，围护结构最大水平位移出现于第三道和第四道支撑之间。因此地质条件对基坑的变形影响不容忽视。

2） 长期降雨。

7 月和8 月基坑所处地区降雨频繁，一方面，长期降雨导致土体有效应力降低，土体参数弱化，抗剪强度降低，土体出现大变形趋势；另一方面，受降雨影响，基坑施工停滞时间长，基坑超挖后，现场未能及时架撑，基坑暴露时间长，土体的蠕变作用加深，从而导致围护结构及地表出现超大变形。

3） 成桩质量不佳。

基坑围护结构选用钻孔咬合桩，因第五到第六施工段淤泥质黏土层较厚，在咬合桩灌注混凝土的过程中，混凝土侵入桩体范围外的土体，桩体充盈系数增大，“鼓肚”现象明显，局部需凿除侵限部分混凝土以满足设计限界，削弱了咬合桩的整体刚度，咬合桩支护作用减弱。

3 应急处置方案

3．1 应急处置措施

1） 附加临时支撑。

基坑超大变形发生后，施工方立即停止了土方开挖作业，紧急采取基坑围护体系加固措施。针对第五段桩体变形最大部位（13 轴～14 轴） 的第三、四道钢支撑处，附加临时支撑，将钢支撑水平间距由原方案的3 m 改为现方案的1．5 m，如图7 所示。由于后续施工段测点已产生较大变形，且后续施工段的淤泥质粉质黏土层厚度仍然较大，因此后续施工段的第三、四道钢支撑的水平间距均调整为1．5 m。

图7 附加钢支撑示意图

2） 开槽支撑，先撑后挖。

为保证后续施工段的施工，在后续施工中严抓施工规范，严格执行开槽支撑、先撑后挖、绝不超挖的方案，采用长臂挖机和小挖机进行后续的土方开挖。

3） 优化施工段划分。

原方案第四、第五施工段结构长度分别为25．3 m 和26 m。为加快分段封底速度，将原2 个较大施工段重新划分为3 个较小的施工段，如图8 所示。

图8 施工段优化划分示意图

3．2 应急处置效果

采取应急处置措施后，围护结构侧移变形速率如图9 所示，从图9 中可以看出，ZQT32 和ZQT08 测点水平位移速率明显放缓，最终两测点水平位移均控制在了200 mm 以内。同时，监测数据出现明显的波动，表明该基坑软土地基灵敏度高，受扰动后极易发生变形。

图9 围护结构侧移变形速率

由图10 可知，在采取合理应急处置措施后，围护结构最大侧向位移值如图10 所示，可以看出后续第六和第七段基坑开挖时的变形速率均控制在控制值以内，最终围护结构水平位移均控制在1．3%H以内，有效控制了第五施工段超大变形对后续开挖的影响。

图10 围护结构最大侧向位移值

4 结论

1） 施工监测是基坑施工安全的重要保障，应当充分发挥施工监控对工程设计验证及修正作用。完整的施工监测资料是基坑工程地质条件和支护形式在施工过程中的真实反映，是各种复杂因素影响下基坑系统的综合体现。

2） 本基坑处于软土地区，历经几十年难遇的超强雨季，基坑围护结构深层水平位移和地表沉降均远超控制值。在基坑出现过大的变形时，应加强巡视、加密监测，并及时采取应急措施，通过即时架设临时钢支撑、优化施工段划分等方式，增强基坑支护体系作用、减少基坑暴露时间，有效降低基坑变形速率，增强基坑稳定性。

3） 地质因素、外部气象条件因素及施工因素导致基坑的过大变形不可忽视。从地质条件、外部气象条件上来看，设计、施工阶段应对工程场区地质条件、外部气象条件充分掌握，从源头采取可靠措施以应对；从现场施工情况看，施工中施工质量不达标、超挖、钢支撑架设不及时等现象屡见不鲜，基坑施工时，必须充分遵循相关的规范及准则。同时基坑超大变形不是以上单因素的简单叠加，而是单因素引起的连锁反应，因此软土深基坑建设要提高工程质量，必须考虑周全，严格把关，将工程风险降至最低。