基坑安全状态分级与应用

李 杰， 傅志峰， 罗晓辉， 熊朝辉

(1. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074；2. 武汉地铁集团有限公司， 湖北 武汉 430030；3. 中铁第四勘察设计院集团有限公司， 湖北 武汉 430063)

基坑安全是基坑设计与施工控制的关键问题。文献[1]在概率极限状态设计方法的基础之上，确定了“基坑侧壁安全等级及重要性系数”，对围护结构承载能力及基坑土体出现的可能破坏按承载能力极限状态计算，因而对荷载效应施加荷载分项系数(安全系数)[2]。例如，对于确定围护结构插入深度采用的荷载分项系数为1.2[1]，采用圆弧滑动稳定性分析方法则取安全系数为1.3[3～4]。基坑施工过程的安全控制则是通过位移、荷载、地下水位等相关监测[1，5～6]，一方面通过数值反分析预测可能发生的位移[7～8]，另一方面根据其对应的监测报警值[5～6]进行施工过程监控。由此可见，基坑围护结构设计中的安全控制与施工过程中的安全监控都是“单项控制”，即各个单项的安全控制是彼此无关的。现实基坑工程的安全性研究表明[9]，基坑工程失效(事故)发生存在有三种情况：(1) 多项监测项目中往往是某一个或几个监测值达到或超过报警值，并非所有监测项目同时达到报警值；(2) 某一个或几个监测值达到或超过报警值，但基坑并未出现整体破坏；(3) 相关监测报警值[5]缺乏预警过程，即基坑破坏时显示出“突然性”。另外，由于基坑环境因素的复杂性以及数值反演技术的局限性，还不可能将所有监测项目的监测数据作为已知量进行反演分析[10]，因而有必要在施工报警控制方面建立分级报警值制度，在单项安全控制的基础之上给出施工过程的整体安全描述与控制标准。

1 监测预警与预警分级

1.1 监测预警的设置

文献[5]、[6]规定了不同安全等级基坑的监测项目与预警值。以武汉地区的长江冲积一级阶地的地铁深基坑为例，其安全等级为一级，围护结构体系一般为钢管内支撑地下连续墙结构，因此根据文献[5]可得到本工程相关监测项目的预警值(表1)。

1.2 预警值的分级

监测预警值分级目的是：增加预警等级，进而增强施工组织与人员的安全意识；强化监控密度与预测分析；时时关注预警进程，减少事故的“突然性”。为此所采用的监测分级划分原则应包含如下内容：

(1)任何一个基坑施工项目部，在拟定施工方案时都应有基坑状态达到预警值时的抢险安全预案，因此预警值分级不宜过多。故将预警等级划分为红色、橙色和黄色三个等级；

(2)如果将规范所列监测预警值视为最高预警状态(红色预警)，那么次一级的预警值与前一级预警值的差异不宜过大。根据不同的监测项目对基坑安全影响程度，建议预警值级差幅度不大于25%；

(3)以规范的预警值为范围值时，次一级预警值按较小值确定；

(4)建筑基坑工程的环境安全采用类似的预警等级划分，预警等级形式见表2。

表1 安全等级一级、地下连续墙围护结构基坑的监测预警分级

注：h为基坑设计开挖深度；f为设计极限值。

表2 建筑基坑工程周边环境监测报警分级

注：H为建(构)筑物承重结构高度；第3项累计值取最大沉降和差异沉降两者的小值。

(5) 当有关预警值尚未达到红色预警值，但基坑出现渗漏、流砂、管涌、隆起或陷落等现象时，应视为基坑预警达到红色预警状态。

2 预警分级的应用

2.1 工程概况

表3 车站基坑地基土厚度与主要物理力学参数

图1 围护结构横剖面图

2.2 监测及反演的安全状态

2.2.1基于开挖进程描述的安全状态

由于实际监测期间未完全按照文献[5]、[6]的监测时限要求，因此给出图2、图3描述地连墙墙身最大水平位移随开挖进程的变化。由图2可见，墙身水平位移最大值随开挖深度增加所产生的变化大致可分为三个阶段：(1) 在开挖深度为8.0 m之前墙身水平位移最大值随开挖深度基本上呈直线型变化，开挖深度每增加1.0 m，墙身最大水平位移约增大1.37 mm；(2) 开挖深度在8.0～10.8 m之间时，开挖深度每增加1.0 m，墙身最大水平位移约增大1.04 mm；(3) 开挖深度在10.8 m之后，开挖深度每增加1.0 m，墙身最大水平位移约增大1.93 mm；(4)水平位移的近60%发生在第二道横撑设置后的开挖进程中。另外基坑浇注地下结构底板时墙身最大水平位移增加了2.78 mm，且总水平位移达到32.64 mm。由图3可见，Smax/h随开挖深度的变化与图2正好相反，开挖深度在10.8 m之后Smax/h最小，开挖完成时Smax/h仅有0.19%，而开挖深度为8.0 m之前时Smax/h最大，达到0.39。对照表1，开挖完成时实际水平位移最大值达到了32.64 mm，而相对基坑深度控制值仅为0.19%(要达到相对基坑深度控制值0.4%时水平位移最大值需达到70.4 mm)，由此可知水平位移最大绝对值与相对基坑深度控制值并非同步控制参数。应按墙体最大水平位移绝对值来判断预警状态：开挖深度小于12.6 m过程为黄色预警值(状态)；开挖深度12.6 ～17.6 m为橙色预警值(状态)；开挖完成至浇注地下结构底板期间达到红色预警值(状态)。

图2 开挖过程中的地连墙最大水平位移变化

图3 开挖过程中的Smax/h的变化

考虑到基坑周边近40.0 m范围内无大型建筑物，图4、图5描述了地连墙墙顶面及坑外6.0 m、12.6 m处的地面沉陷位移随开挖进程的变化。由图4可见，墙体顶面的沉陷随开挖深度不断增加，开挖深度达12.6 m之前每挖深1.0 m，墙顶面发生0.5 mm的沉陷，而此后则是每挖深1.0 m墙顶面发生1.69 mm的沉陷。在坑外6.0 m、12.6 m处地面沉陷与墙顶面沉陷位移规律正好相反(图5)，分别在挖深为10.8 m、12.6 m之前每挖深1.0 m，发生0.69 mm和0.22 mm的地面沉陷位移，此后相对沉陷梯度为0.40 mm/m和0.02 mm/m。图6描述了墙顶面、坑外6.0 m、12.6 m处的沉陷值与坑深的百分比，反映出墙顶面、坑外6.0 m的沉陷随挖深的增长性质，而坑外12.6 m处的沉陷在挖深10.8 m之后就趋于稳定了。由此可得出这样的推断：坑外受开挖影响的范围在12.6 m之内，且影响范围约为设计开挖深度的70%。因此可按坑外沉陷预警值上限(即60 mm)作为红色预警控制值。

图4 开挖过程中的墙顶顶面沉陷变化

图5 开挖过程中距墙体6.0 m、12.6 m处的地面沉陷变化

图6 相对基坑深度控制值(Δ/h)随开挖深度的变化

图7、图8为三道横撑力及其与设计值的百分比随开挖深度的变化。由图可见：(1) 由于横撑的初始设置内力为零，因此横撑力初始阶段变化较大，之后随挖深的增加而改变；(2)第一道横撑在挖深12.6 m之后基本不变，略微还有减小，第二、三道横撑作用力随挖深的变化不大，实际横撑力由设计值的53%增加至69%，由表1判断已达到红色预警值上限。

图7 开挖过程中的横撑力变化

图8 实测横撑力与设计横撑力比值的变化

2.2.2基于反演预测描述的安全状态

运用监测数据进行基坑土体本构参数反演分析，进而对后续开挖进程的位移场进行预测是基坑预警系统的重要环节[8]。方便起见，反演计算值不考虑位移监测数据的系列，只考虑当前监测的位移数据，因此将基坑土体假定为弹性体[10]，在图2～ 5、图7中均给出了经反演计算的有关预测值。上述图示与实测值的比较可见：(1) 在挖深12.6 m之后地连墙水平位移预测值显著小于实测值(图2、图3)；(2) 就沉陷而言，在挖深10.8 m之后墙顶面沉陷幅度预测值比实测要大(图4)；对于坑外6.0 m处的地面沉陷，在挖深14.8 m之前预测值较实测要小，而之后预测值则相比要大；对于坑外12.0 m处的地面沉陷，在挖深8.0 m之后预测值总体要大于实测值(图5)；由于预测值与实测值的差异主要体现在挖深10.8 m之后，因此就沉陷方面而言，预测值总体是高估了；(3) 就横撑力而言(图7)，因为考虑了每道横撑的预加力(约为设计横撑力的30%)，因此随挖深的增加横撑力的预测值均大于实测值。总结地连墙水平位移、墙顶及坑外地面沉陷、横撑力三方面的比较可见，其预测值均大于实测值(或在挖深大于10.8 m之后)，但就其预警分级而言与实测值是一致的。

3 结 论

(1) 文献[5]、[6]中所列的某项监测预警值，例如描述地连墙围护结构水平位移的三种预警值方法在实际应用中并不一定具有同步性。对于不同的监测项目，也不具有同步进程，均应考虑以优先达到者进行控制。

(2) 就水平位移而言，约60%发生在第二道横撑设置之后，且大约50%发生在开挖深度大于12.6 m之后，即开挖深度大于8.0 m即进入到预警状态，以后预警状态逐步提升。

(3) 由所分析的基坑，其坑外地面沉陷影响范围约为设计开挖深度的70%，且墙顶面、坑外地面沉陷均未达到黄色预警要求。

(4) 当横撑预加力设置为零时，横撑力达到红色预警状态的主要是第二、三道横撑，而第一道横撑仅为黄色预警状态。

(5) 基于监测数据的反演分析计算，其总体预警效果高于实测预警，因此这有利于对施工过程预警判断的超前要求。

[1] JGJ 120-99, 建筑基坑支护技术规程[S].

[2] 赵锡宏，陈志明，胡中雄. 高层建筑深基坑围护工程实践与分析[M]. 上海：同济大学出版社，1995.

[3] 姜洪伟，赵锡宏，张保良. 各向异性条件下软土深基坑抗隆起稳定性分析[J]. 岩土工程学报，1997，19(1):1-7.

[4] 王洪新，陈建军，刘冀山. 基坑抗隆起稳定安全系数实用计算分析与应用[J]. 岩石力学与工程学报，2007，26(s1):3223-3230.

[5] GB 50497-2009, 建筑基坑工程监测技术规范[S].

[6] DG/T J08-2001-2006, 上海市工程建设规范:基坑工程施工监测规程[S].

[7] 李惠强，吴贤国. 失败学与工程失败预警[J]. 土木工程学报，2003, 36(9):91-95 .

[8] 李惠强，吴 静. 深基坑支护结构安全预警系统研究[J]. 华中科技大学学报(城市科学版)，2002, 19(1):61-63.

[9] 唐业清，李启民，崔江余. 基坑工程事故分析与处理[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1999.

[10] 陈 斌. 岩土工程随机反演分析及工程应用[D].南京：河海大学, 2001.