临地铁深基坑开挖中围护结构变形规律分析

代仲海，吴 磊

（1、深圳地质建设工程公司 深圳 510078；2、深圳市地质局 深圳 510078）

0 引言

目前，基坑开挖变形的研究主要集中在对监测资料的分析上。临地铁基坑开挖过程中，需要进行实时监测，以把握基坑变形情况并及时采取措施。对监测资料的分析可以帮助确定基坑变形的原因，评估基坑的稳定性，并制定相应的措施来处理变形问题。根据监测数据，掌握周边环境、围护结构体系和土体的动态，了解基坑的安全状态，判断支护设计是否合理，施工方法和工艺是否可行。同时对基坑进行全面、系统的监测，在出现异常情况时及时反馈，并采取必要的工程应急措施，保证工程的安全和避免对周围环境造成过大的影响，确保工程的顺利进行［1-4］。

叶强等人［5］探讨了深基坑支护结构的水平位移、深层水平位移、沉降与内力等变化规律，深入研究了水平位移的变形特性；刘动［6］以某内支撑支护结构形式基坑工程为例，介绍了深厚淤泥地层条件下，施工支护结构、开挖土方和拆换撑工况下监测项目的变形趋势；吴旭彬［7］以深圳地区深厚填土地层条件下某桩锚支护形式基坑工程为例，探讨施工全过程中，分析和总结支护结构水平位移、沉降位移、深层水平位移和锚索轴力等项目变化规律；陈宏东等人［8］分析了基坑变形中沉降监测及水平位移监测与基坑设计、施工速度、施工质量、周围建筑及水文地质情况的相互关系；李衍航等人［9］基于深圳某深基坑支护设计及地质条件，针对桩锚和双排桩支护体系，对基坑顶部、周边环境变化、支撑轴力及地下水位等监测数据进行分析；章丹峰等人［10］对混凝土支撑轴力监测进行探索，基于混凝土支撑轴力监测结果，开展监测值与设计值误差分析，并提出了支撑轴力计算方法优化修正建议。

本文以深圳前海某项目基坑支护工程作为背景，对基坑施工过程中现场实测的数据进行分析，针对围护结构测斜、竖向沉降和水平位移、内支撑轴力监测数据开展研究，对本工程开挖期间结构监测数据变化提出相应分析。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况和周边环境

前海某项目包含3 块地块，其中01#地块面积约9 350.00 m2，拟建办公楼高度约150.00 m；02#地块面积约4 190.00 m2，地面无建筑物；03#地块建设用地面积6 937.45 m2，塔楼32 层，总高度153.00 m，裙楼分别为3层和6层，总高度16.00 m和36.00 m。基坑开挖范围根据地下室外墙外放1.20 m确定，开挖面积19 280.50 m2，深度16.04～20.03 m，支护周长约748.00 m。

工程场地周边环境复杂，北侧为在建地铁9号线，东侧为在建地铁5号线，其它两侧为市政道路，周边环境复杂，破坏后果很严重，其支护安全等级为一级。基坑支护方案采用密排灌注桩+旋喷桩截水帷幕+三道内支撑，典型剖面如图1所示。

图1 基坑支护典型剖面Fig.1 Typical Profile of the Excavation Engineering （mm）

1.2 工程地质概况

根据勘察报告，场地分布的地层有：人工填土（Qml）、第四系全新统海陆交互相沉积层（Qmc）、第四系上更新统冲洪积层（Qal+pl）、第四系残积层（Qel）及燕山期花岗岩层（γ）。各土层物理力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数Tab.1 Physico-mechanical Parameters of Soil Layers

1.3 水文地质概况

本场地地下水主要为第四系孔隙潜水，其中填土（石）的透水性与填料成份有关，碎、块石含量较高地段透水性较强、粘性土含量较高地段透水性较弱，整体为强透水地层。含有机质中砂及粗砂层属强透水层，受上部隔水地层的影响，砂土层中地下水具微承压性。其余第四系地层为弱透水性地层。其次为基岩裂隙水，其透水性差，属弱透水层。

地下水接受大气降水、人工湖水及海水的补给，与地表水体存在密切的水力联系。勘察期间测得钻孔中混合稳定水位埋深0.80～7.20 m，标高-2.03～4.18 m，地下水位年变化幅度约为1.00～3.00 m。地下水水位受季节及潮汐作用影响。

2 基坑围护结构监测方案

基坑工程主要监测项目包括：①周边环境监测：周边建（构）筑物、道路的路面沉降监测；②围护桩顶的水平位移和沉降监测；③立柱的水平位移和沉降监测；④地下水位监测；⑤混凝土支撑的轴力监测；⑥支护桩应力监测；⑦深层水平位移监测。

其中，围护桩顶水平位移和沉降监测点32 个，周边道路及建筑物沉降监测点28个，支撑立柱桩顶水平位移和沉降监测点36个，支撑轴力监测点105个（每层支撑35个点，共计3层），围护桩深层水平位移监测点32个，围护桩内力监测点17个，地下水位监测点20个，主要分析监测点分布示意图如图2所示。

图2 基坑部分监测点分布Fig.2 Distribution of Monitoring Points in the Excavation Engineering

3 实测结果分析

3.1 桩顶水平位移分析

桩顶水平位移是反映基坑变形程度的重要指标。通过测量桩顶水平位移可以预测周围建筑物和管线的横向位移趋势，从而评估基坑变形对周围环境的影响。

依据现场实际情况，选取具有代表性的测点ZQ04、ZQ07、ZQ11、ZQ18、ZQ23 进 行 分 析。ZQ04、ZQ07、ZQ11测点位于基坑长边，ZQ18、ZQ32测点位于基坑短边，其桩顶水平位移随时间变化曲线如图3 所示。位移为正，桩顶变形朝向基坑内部；位移为负，则朝向基坑外侧。

图3 桩顶水平位移与时间关系曲线Fig.3 The Relationship Curve between Pile Top Horizontal Displacement with Time

由图3可知，在工程早期，桩顶水平位移增加较为平缓，说明在基坑开挖之前设置的冠梁和钢筋混凝土内支撑对灌注桩的桩顶位移产生了限制作用，因此桩顶位移没有发生明显的变化。随着施工的进行，主动土压力增大，该限制作用减弱。另一方面工程中期开挖对应土层为淤泥质土层和粉质粘土层，围护结构承担较大主动土压力，累计水平位移有明显增加趋势。因此在开挖中需针对软弱地层控制分层开挖的深度。2019 年9 月以后，工程进入后期，水平位移再次趋于平缓。桩顶水平位移的增加呈“先慢后快再慢”的趋势。最大桩顶水平位移为12.32 mm，此时基坑变形基本结束，监测点变形控制要求水平位移不大于0.3%H，且不能超过30 mm，实际最大值小于报警值。另外，各个测点累计水平位移曲线的大致趋势一致，但变化数值有差异，体现了基坑的时空效应。

3.2 桩顶竖向沉降分析

依据现场实际情况，选取具有代表性的测点ZQ06、ZQ10、ZQ15、ZQ22、ZQ25 进行分析。其中监测点ZQ15 位于基坑短边，监测点ZQ06、ZQ10、ZQ22 和ZQ25位于基坑长边。桩顶沉降监测数据如图4所示。由图4可知，随着各层内支撑施工完成，不同施工阶段的各监测点桩顶竖向位移增大，说明基坑工程时间越长，施工对土体的扰动越大。在2019 年11 月5 日以后，各测点累计竖向位移变化均趋于平缓，沉降不再增大，因为此时结构支护已经完成。桩顶最大沉降数值为15.99 mm，小于警报值，该值出现在2019年11月5 日，测点位置编号为ZQ22。各测点变化趋势大致相同，但数值有所差异，主要受到施工机械荷载的影响。

图4 桩顶沉降与时间关系曲线Fig.4 The Relationship Curve between Pile Top Settlement with Time

ZQ22 和ZQ25 监测点位置较近，累计沉降的变化趋势和数值均接近，其值较其他测点的位移量明显偏大，这是由于测点附近设置出土坡道，围护桩承受施工机械和渣土车竖向荷载。为了确保基坑施工的安全，必须严格控制基坑周围的荷载情况，并按照基坑设计的要求，控制围护桩桩底沉渣厚度。

3.3 深层水平位移分析

选取具有代表性的测点CX9、CX10、CX22进行分析，其测斜曲线如图5 所示，测斜位移为正，则朝向基坑内部；位移为负，则朝向基坑外侧。对比图5分析可得到以下规律：

图5 测斜曲线Fig.5 The Curve of the Lateral Displacement

⑴测斜管随围护桩钢筋笼安装，测点按1 次/m测量。深层水平位移最大值均为15 mm 左右，小于报警值，符合《建筑基坑工程监测技术标准：GB 50497—2019》要求。深层水平位移随时间增大而不断发展，且最大值出现的深度也随时间变化而改变，开挖到设计挖深后深层水平位移最大值变化才趋于稳定，后续的拆换撑施工中，围护墙的最大水平位移仍会发展，但最深处的水平位移会逐渐减小。

⑵围护桩深层水平位移均呈现先增大后减小的趋势，即曲线呈“两头小、中间大”的形状。深层水平位移最大值出现在深度为5 m左右处。一般工程在开挖阶段，所有的测点的最大位移量出现的深度都接近于挖深大小，最大位移量出现的深度可以近似于最危险点，分析其原因，主要是基坑中上部开挖地层主要为填土和淤泥，围护桩深层水平位移在开挖至第二道支撑面最大，随着深度增大，下部地层主要为残积层和燕山期花岗岩层，且支撑施工完成后，深层水平位移得到有效控制。

3.4 支撑轴力分析

项目采用三道内支撑支护形式，选取5 个具有代表性的轴力监测点ZCL-A01、ZCL-A11、ZCL-A16、ZCL-B13 和ZCL-C27，支撑轴力与时间关系曲线如图6所示（轴力为正，则内支撑受压；轴力为负，则内支撑受拉）。其中ZCL-A01、ZCL-A11、ZCL-A16 为第一道内支撑上的监测点，ZCL-B13 为第二道内支撑上的监测点，ZCL-C27为第三道内支撑上的监测点。

图6 支撑轴力和时间关系曲线Fig.6 The Relationship Curve of Support Axis Force with Time

由图6 可知，内支撑轴力随着基坑开挖的深度增加，总体呈现增大的趋势，轴力最大值为11 163.6 kN，三道支撑监测点轴力均小于报警值，符合设计要求。基坑一共布设三道内支撑，第二道和第三道内支撑布置完成后，第一道支撑监测点ZCL-A11、ZCL-A15、ZCL-A16的轴力明显下降，说明后两道支撑有效地承担土体主动压力。三道支撑布设完成后，土体的主要压力由三道支撑共同承担，轴力逐渐上升，在基坑深度接近开挖深度时，轴力变化曲线趋于平缓。第一道支撑的3 个测点的轴力曲线的变化趋势高度相似，尤其是ZCL-A11 和ZCL-A16 测点的曲线，但是测点位置不同，数值差异较大，ZCL-A01测点位于坑角处，其轴力明显较同一支撑的其他测点偏小。

4 结语

本文从实测的深基坑监测数据出发，对深基坑支护结构变形和轴力，做了较为全面的总结与分析，得出以下结论：

⑴在工程早期，桩顶水平位移增加较为平缓，基坑开挖之前设置的冠梁和第一道钢筋混凝土内支撑对灌注桩的桩顶位移产生了限制作用，随着施工的进行，主动土压力增大，该限制作用减弱。工程进入后期，水平位移再次趋于平缓。

⑵随着各层内支撑施工完成，土方开挖量增大，各种大型施工机械对围护桩的施工扰动明显，出土坡道位置围护桩沉降量较大，在施工过程中应严格控制桩底沉渣。

⑶深层水平位移最大值约为15 mm，小于报警值，满足《建筑基坑工程监测技术标准：GB 50497—2019》的要求，深层水平位移曲线呈“两头小，中间大”的形状。深度小的土层为软土，随着深度增大，土层物理力学指标较高，围护桩深层水平位移最大值出现深度不是在坑底部位。

⑷支撑轴力和时间关系曲线显示，基坑内支撑能够有效地分担土体的主动土压力，内支撑拐角处的轴力明显偏小，体现“坑角效应”。该深基坑项目采用的“密排灌注桩+旋喷桩截水帷幕+三道内支撑”支护结构能够有效地控制基坑的变形，保证基坑施工过程中的安全性和稳定性。