基坑开挖及桩基施工对围护结构变形的影响分析

刘青松 盛志战 王 勇

（北京市勘察设计研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

桩锚支护是北京地区深基坑常用的一种支护形式。采用桩锚支护的深基坑在基坑土方开挖卸荷、锚索拉力、护坡桩侧向位移和工程桩施工的共同作用下，基坑围护结构和周边环境的变形非常复杂。受地质条件和周边环境差异的影响，基坑开挖对围护结构的影响没有统一结论。杨建民等[1]、盛志强等[2]、奚家米等[3-4]研究认为基坑开挖坑底土体的回弹变形引发坑底桩基中产生拉应力，使桩身上浮。而俞建霖等[5]、李大鹏[6]、陈生东等[7]认为基坑开挖会造成基坑围护结构的下沉。因此，有必要深入了解深大基坑开挖和桩基施工对围护结构变形的影响，以便提出更好的减小变形的控制措施。

本文以北京通州台湖地区某深基坑为例，探讨了基坑开挖卸荷、基坑锚杆施工、基底CFG 桩和抗拔桩施工对基坑围护结构和周边环境的变形影响。

1 工程概况

北京某公租房项目位于通州区台湖镇站前街。拟建工程包括4 栋高层住宅楼、3 栋多层的商业楼和1 座地下地库，整体设5 层地下室。该项目基坑竖向投影面积约11563 m2，支护范围周长约584 m，开挖深度为19.77～20.17 m。基坑整体采用护坡桩+锚索的支护，基坑地下水控制采用桩后三轴搅拌桩帷幕止水（见图1）。

图1 基坑平面布置图

2 工程地质、水文地质条件

2.1 地层分布及岩性

根据勘察报告，拟建场地地面以下50 m 深度范围内的地层，按其成因年代划分为人工堆积层、新近沉积层及第四纪沉积层三大类，并按地层岩性及其物理力学指标划分为11 个大层及亚层，地层岩性为粉土、黏性土及砂层。典型地层剖面如图2 所示。

图2 场地典型地层剖面图

2.2 地下水情况

根据勘察报告，于勘探深度范围内实测到3 层地下水。第1 层地下水稳定水位标高为14.64～15.86 m（埋深为10.60～12.20 m），地下水类型为层间潜水；第2 层地下水稳定水位标高为9.86～10.54 m（埋深为16.30～16.60 m），地下水类型为层间水（具有承压性）；第3 层地下水稳定水位标高为2.64～3.56 m（埋深为22.90～24.20 m），地下水类型为承压水。

2.3 基坑开挖影响深度范围内地层的物理力学性质

拟建场地紧邻河北内陆平原Ⅲ区[8]，此区域相对于山前平原Ⅱ区，其沉积地层的物理力学参数偏低。基坑开挖深度范围内的主要地层的物理力学参数如表1 所示。基底以上地层以黏质粉土为主，所涉地层为②、③、④、⑤1层，黏聚力为15～30 kPa，内摩擦角10.5°～20.9°；基底以下地层同样以黏质粉土为主，所涉地层为⑥层，黏聚力为14～21 kPa，内摩擦角11.9°～18.4°。可见，基坑围护结构的主动土压力区和被动土压区的土层参数均较低。

表1 地层物理力学参数

3 基坑及坑内工程桩施工对基坑围护结构变形的

3.1 基坑监测布置

根据基坑安全等级、支护结构类型，结合周边建筑物、地下管线的分布情况，按相关规范要求布置基坑监测项目和监测点位，如图3 所示。由于基坑各区段监测项目数据变化规律具有相似性，本文仅以基坑东北侧的相关监测点的变化规律为例进行分析。

图3 基坑监测平面布置图

3.2 基坑开挖及锚索施工对护坡桩、周边地表沉降等监测指标的影响

本工程护坡桩桩径800 mm，间距1.4～1.5 m。设置5 道预应力锚索，锚索长度22～32 m。基坑地下水采用桩后三轴搅拌桩进行止水，三轴搅拌桩桩径为850 mm，间距600 mm。典型基坑支护剖面如图4 所示。

图4 典型基坑支护剖面图（单位：mm）

基坑东北侧Z1-Z5 段基坑土方开挖和锚索施工时间如表2 所示。根据第三方监测报告，基坑东北侧的桩顶竖向监测点Z1-Z5、地表沉降监测点D1-D3 和D6-D10 的变化情况如图5-图7 所示。在基坑大面积开挖卸荷条件下，槽底以下地层发生回弹变形，在地层回弹作用下，被动土压力区护坡桩受到向上摩擦力作用。坑外土体由于护坡桩的侧向变形产生竖向沉降，基坑深度范围内主动土压力区的护坡桩受到坑外土体向下的摩擦阻力。同时，护坡桩还受到自身重力、桩端土体支撑、锚索轴向拉力的竖向分力作用。基坑开挖期间，护坡桩在上述因素共同作用下竖向变形综合表现较为复杂。

表2 基坑土方开挖和锚索施工时间表

图5 基坑桩顶竖向位移监测图（Z1-Z5）

从表2 中的基坑开挖和锚索施工时间表以及图5 桩顶竖向位移监测图可以看出，2019 年2 月18日之前，即基坑开挖到-16.5 m 之前，基坑回弹作用于护坡桩上向上的作用力大于桩外土体下沉作用在护坡桩上向下的摩擦力和锚杆竖向分力之和，护坡桩桩顶位移表现为向上的变形，桩顶最大上浮位移为12.29 mm；2019 年2 月18 日之后，随着基坑开挖深度增加，加之第6 道锚索向下分力的施加，基坑回弹作用在护坡桩上向上的作用力逐渐小于桩外土体下沉作用在护坡桩上向下的摩擦力和锚杆竖向分力之和，护坡桩桩顶位移开始表现为向下的沉降。

基坑周边地表变形自土方开挖至第四道锚杆作业面标高开始由上浮转为沉降，春节停工期间逐渐趋于平稳；桩顶竖向位移在第四道锚杆完成后10 天开始由上浮转为沉降，春节停工期间又转为上浮。综合桩顶和基坑周边地表竖向位移监测数据来看，地表位移由上浮趋势转变为下降趋势的时间点要早于桩顶竖向位移。

如图6 和图7 所示，距离基坑10 m 之内的D1、D2、D6、D7，在土方开挖至第四道锚杆作业面标高时开始由整体上浮趋势转为整体沉降趋势，第五步土方开始施工后，沉降趋势加剧；距离基坑10 m 之外的D3、D8、D9、D10，在第三步土方开挖后开始由整体上浮趋势转为整体沉降趋势，且距离基坑越远，地表总沉降值越大，此时地表最大累计沉降量为-62 mm。同时可以看出，护坡桩的上浮对周围一定范围内的土体有一定的带动效应。

图6 基坑周边地表沉降监测图（D1-D3）

图7 基坑周边地表沉降监测图（D6-D10）

3.3 基坑降水和坑内工程桩施工对护坡桩及周边地表沉降的影响

1#增配商业楼采用CFG 桩复合地基，CFG 桩桩径400 mm，桩间距1.6 m×1.6 m，有效桩长24 m。2#增配商业楼基础采用抗拔桩，抗拔桩间距2.4 m×2.8 m，桩径400 mm，桩长12 m（局部15 m）。

由于第六步土方开挖显示土体含水量较大，因此于2019 年3 月15 日开始大规模启动应急井和疏干井进行坑外降水和槽内疏干。1#增配商业楼CFG桩施工时间为2019 年4 月7 日-2019 年4 月19 日，2#增配商业楼抗拔桩施工时间为2019 年4 月7 日-2019 年5 月2 日。

从桩顶竖向位移和基坑周边地表沉降监测图可以看出，受降水、CFG 桩和抗拔桩施工的影响，桩顶竖向位移和基坑周边地表沉降均呈二次急剧增加，并同时于2019 年5 月中旬趋于稳定，即在CFG 桩和抗拔桩施工完成后10 天左右趋于稳定。

从地层上分析，降水井和疏干井井底位于黏质粉土⑦1层，CFG 桩和抗拔桩的桩身均穿过了黏质粉土⑥层和黏质粉土⑦1层进入了中砂⑧层（该层赋存承压水，承压水水头距该含水层顶面约11 m）。地下水渗流和地下水位的降低导致基底土层的有效应力增加，土体产生固结沉降，进而带动护坡桩和基坑一定范围内的土体发生沉降。CFG 桩和抗拔桩施工一方面对中砂⑧层中的承压水有一定的卸压作用，另一方面钻进取土对基坑内被动土压力区产生扰动，削弱了原有的被动土压力，承压水头降低引发有效应力增加产生固结沉降，在基坑内外地下水渗流的联合作用下，护坡桩和基坑周边地表沉降二次加剧。基坑护坡桩桩顶最大沉降为26.6 mm。受护坡桩前期上浮的影响，基坑周边地表沉降随距护坡桩的距离增加而增大，沉降值范围为24.56～51.39 mm，最大沉降发生在距离基坑1～1.5 倍坑深范围内，此影响范围与刘熙媛等[9]、冯志先等[10]的研究成果吻合。

基坑护坡桩桩顶竖向位移和周围地表沉降在CFG 桩和抗拔桩施工完成12 天后趋于稳定，可见土体的固结稳定需要一定的时间，具有明显的滞后性。

3.4 北京东南地层偏软地区桩锚支护设计建议和坑内工程桩施工建议

本工程的桩顶竖向位移和基坑周边地表沉降较大，均超出了国家和北京市相关规范的监测控制标准，但本工程的护坡桩桩顶水平位移和锚索轴力均在设计和规范规定的范围之内，基坑整体处于稳定状态。

基于上述护坡桩和周边地表沉降过大的现象，对于北京东南地层偏软地区深基坑桩锚支护设计，建议增加护坡桩的嵌固深度，以减小护坡桩和周边地表的后期沉降。

在深基坑内被动区施工CFG 桩、抗拔桩等工程桩时，建议减缓施工速度，分条从基坑中心向四周采用跳打方式进行施工，以减小对被动区土体的扰动，从而减小护坡桩和周边地表的后期沉降。

4 结论

以北京东南区域某深基坑为例，探讨了该区域深大基坑降水、土方、锚杆及坑内工程桩施工对围护结构变形的影响，得出以下结论。

（1）基坑围护结构及周边地表随着基坑的开挖、锚索和坑内工程桩的施工出现典型的先上浮后沉降的变化趋势，应力重新分布现象明显。具体表现为：基坑开挖卸荷初期引发围护结构及基坑周边地表上浮，随着基坑开挖深度的增加，在基坑侧向位移和基坑锚索竖向分力作用下，围护结构及基坑周边地表开始下沉；在基坑槽底施工CFG 桩和抗拔桩削弱了护坡桩嵌固区被动土压力，基坑降水导致土体有效应力增加，产生附加固结沉降，在基坑地下水渗流的联合作用下，围护结构及基坑周边地表呈现二次加速沉降。

（2）基坑周边地表沉降随距护坡桩的距离呈先增大后减小的变化趋势，其最大沉降发生在距离基坑1～1.5 倍坑深范围内。

（3）护坡桩桩顶竖向位移和周围地表沉降在CFG 桩和抗拔桩施工完成12 天后趋于稳定，表明受工程桩施工扰动后的基坑土体完成固结稳定需要一定的时间，具有明显的滞后性。

（4）对于北京东南地层偏软地区深基坑桩锚支护设计，建议增加护坡桩的嵌固深度，以减小护坡桩和周边地表的后期沉降。在坑内被动区施工CFG 桩、抗拔桩等工程桩时，建议减缓施工速度，分条从基坑中心向四周采用跳打方式进行施工，以减小对被动区土体的扰动，从而减小护坡桩和周边地表的后期沉降。