超深基坑工程周围地表沉降与围护结构稳定控制基准研究

马召林，李 竹，杨久坤

(1.中铁隧道集团有限公司技术中心，河南洛阳 471009;2.天津城投建设有限公司，天津 300381)

0 引言

目前我国在超深基坑技术上取得了很大进步，软土地区基坑开挖深度一再被刷新，如上海金茂大厦和恒隆广场基坑深度分别为19.65 m和18.20 m，上海外环路越江隧道浦西暗埋段基坑则深达30.40m，北京市经贸委大楼地下4层结构，基础埋置深度为30m，天津站交通枢纽工程基坑开挖最大深度则达31 m。近年来，在理论和实践上，我国深基坑开挖及支护技术进展都很大，但同时，由于对复杂地层中深大基坑开挖稳定机制认识不足、基坑设计不当、工程经验不足或施工质量控制不当造成基坑周围地表沉降过大及支护结构破坏、围护结构失稳等工程事故时有发生。监控基准值不仅是基坑设计计算的重要基础，同时也是确定合理施工流程、保护周围环境安全的主要依据［1］，因此，基坑周围地表与围护结构稳定控制基准值的准确制定至关重要。基准值的不准确，可能会产生2种情况［2］:一种是基准值较小，将安全状态预报为危险状态，势必会更改方案或采取措施，影响工期，使投资增加;另一种是基准值过大，险情已经发生才预报，这时已错过补救的良机，造成重大损失，而且严重延误工期。然而，目前限于技术发展，以及岩土工程环境的复杂区域性和保护要求的多样性，控制基准值无法统一［3］，现行有关基坑设计规范［4-6］，一般只给出一些原则性的指导意见或使用总位移量作为变形监控基准指标。因此，在深基坑施工过程中，如何通过工程类比、施工监测以及理论或数值计算确定基坑周围地表与围护结构稳定控制基准(以下简称控制基准)，从而保证工程结构与环境安全，成为工程施工安全控制中首要考虑的问题。

1 控制基准的影响因素分析

基坑工程的变形控制指标一般包括:1)支护结构主体水平位移及水平位移速率;2)支护结构主体的倾斜;3)支撑构件位移量及位移速率;4)基坑隆起量与隆起速率;5)地表下沉量及下沉速率;6)邻近建筑的沉降、倾斜等，常以1)、5)、6)作为重点控制指标。

基坑工程中的变形控制是在详细调查周围环境条件，研究和计算周围建筑物、构筑物、管线的允许变形的基础上，确定基坑支护开挖引起的地层位移及相应的基坑支挡结构的水平位移、周围地表沉降的允许值，以此作为设计基坑时的控制标准。选择何种控制标准进行设计要遵循安全、经济的原则，并做到因地制宜。

地表与围护结构稳定控制基准的影响因素主要有:

1)工程的保护等级。在建筑密集区开挖基坑时，除了满足基坑本身稳定性的要求外，还必须保证围护结构及地基土的变形不会对周边环境造成危害，由于环境条件的复杂性和保护要求的多样性，不同保护等级的基坑工程对围护结构的变形要求不同，对周围地表沉降和建筑物变形的要求也不同，因此，不同保护等级工程所采取的地表与围护结构稳定控制基准也不同。

2)基坑的开挖深度。工程实践和理论计算分析都表明，随着基坑深度的加大，围护体的侧移随深度成非线性增长，这导致即使基坑处于正常工作状态，其发生的相对侧移仍将超过现行规范的控制标准。另外在多数情况下，对房屋或管线构成危害的是不均匀沉降(地表角变位)和地表水平应变等。在较深基坑工程中，一般采用施加预应力的多道锚撑式支护结构，最大位移一般发生在下部，围护结构顶部位移往往很小，所以深度较大的基坑应允许有较大的总沉降和水平位移。

3)地层条件。地层条件差异是影响地表与围护结构稳定控制基准的最主要因素。首先，不同地区土体弹性模量存在一定差距，弹模大的土体其基底隆起和周围沉降变形小。其次，土体c，φ值不同，其引起的地表沉降和围护结构变形也不相同，另外由于各地层透水系数不同，造成地下水和承压水的分布区域不同，降水引起的渗流、地表沉降和围护结构变形也必然不同。因此，地层条件差异是引起地表与围护结构稳定控制基准不同的最大影响因素。

4)建、构筑物。不同基础和构造的建筑物其临界破坏模式不同，如多层和高层建筑物容易发生倾斜失稳，故存在一个允许倾斜值(随建筑物高度控制在1.15‰～4‰)。当建筑物相邻柱基间距大于一定值时，沉降对地下建筑物的影响除倾斜外，还应考虑承力梁、柱挠曲变形和墙体裂缝，应考虑一个以结构梁、板极限受拉应变和结构裂缝宽度来确定的地表沉降允许值。根据实际经验，总结地层差异沉降和相应建筑物的反应见表1。当基坑旁存在桥梁、道路等人工构筑物时，还要根据相应构筑物的临界标准来确定控制基准，因此，建、构筑物的存在与否、基础及内部构造的形式也是制定控制标准需要考虑的因素。

表1 地层差异沉降和相应建筑物的反应Table 1 Relationship between differential settlement of ground and corresponding structure displacement

5)围护结构型式。现阶段基坑围护结构已发展为多种型式，并且随科技的进步在不断增多，目前基坑围护结构型式主要分为放坡开挖及简易围护、悬臂式围护结构、重力式围护结构、內撑式围护结构、拉锚式围护结构、土钉墙结构及其他围护结构等。围护结构型式的不同，其施工方法和所需机械也不相同，导致施工引起的地表沉降和围护结构变形也不相同，同时对保持其自身稳定的要求也不相同。所以围护结构型式是影响地表和围护结构稳定控制基准的一个不容忽视的因素。

2 控制基准确定原则与采用情况

2.1 控制基准确定的基本原则

监测控制基准值是监测工作实施的前提，是为确保被监测对象安全而确定的允许最大值。在监测过程中，一旦监测数据超过控制基准值，监测部门应在报表中醒目地标注，并予以报警。控制基准一般参照以下原则确定:

1)监测控制基准值应在监测工作实施前，由建设、设计、监理、施工、市政、监测等相关部门共同确定，列入监测方案。

2)有关结构安全的监测控制基准值应满足设计计算中对强度和刚度的要求，一般应小于或等于设计值，并能保证结构安全和正常使用。

3)有关周边环境保护的控制基准值，应考虑被保护对象(如建筑物、地下工程、管线等)主管部门所提出的要求。

4)监测控制基准值的确定应具有工程施工可行性，在满足安全的前提下，应考虑提高施工进度和减少施工费用。

5)监测控制基准值应满足现行的相关设计、施工法规、规范和规程的要求。

6)对目前尚未明确规定控制基准值的监测项目，可参照国内外类似工程的监测资料确定。

其中，地表沉降控制基准值应综合考虑地表建筑物、地下管线及地层和结构稳定等因素，分别确定其允许地表沉降值，并取其中最小值作为控制基准值。在监测施工过程中，当某一监测值超过控制基准值时，除了及时报警外，还应与有关部门共同研究分析，必要时可对控制基准值进行调整。

2.2 国内地区相关变形控制基准

基坑工程监测的变形控制基准值是设定一个变形值，在其允许的范围之内认为工程是安全的，并对周围环境不产生有害影响，否则认为工程施工将对周围环境产生有害影响。因此，建立合理的基坑工程监测的变形控制基准值十分重要。

变形控制基准值的确定主要参照现行的相关规范和规程、经验类比以及结合工程特性的设计计算值。随着基坑工程经验的积累，各地区的工程管理部门陆续以地区规范、规程等形式对基坑工程变形控制基准值做了相关规定，其中，大多以最大允许位移或变形值为控制对象。

有关规范规程和文献［7-8］给出的基坑工程变形控制和监测标准如表2和表3所示。

表2 上海市和深圳市基坑变形控制基准值Table 2 Comparison and contrast between foundation pit deformation control standard adopted in Shanghai and that adopted in Shenzhen

表3 广州支护结构最大水平位移控制值Table 3 Control standard of maximum horizontal displacement of support structure adopted in Guangzhou

可见对于基坑开挖提出的变形控制指标有位移绝对值和位移与围护结构高度的相对比值2种表示形式。2种控制方法表示了不同的控制侧重点，前者侧重于将围护结构对相邻建筑物的影响控制在许可范围内;后者则从支护本身工作性能出发，侧重于将围护结构本身控制在安全工作状态，同时与安全系数相配合以保持围护结构的安全。

2.3 最新技术规范规定相关控制基准

2009年3月31日发布并于同年9月1日实施的GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》规定:对于无当地经验时，以地下连续墙作为围护结构的一级和二级基坑和支护结构位移的监测报警值按表4确定。

3 天津站枢纽超深基坑地表与围护结构稳定控制基准研究

3.1 天津站枢纽超深基坑工程概况

天津站交通枢纽工程是集普速铁路、京津城际高速铁路、城市轨道交通、公交和周边市政道路于一体的特大型综合项目。集中在以铁路天津站前后广场为核心，东至李公楼立交桥，西至五经路，南至海河，北至新开路区域范围内。工程范围包含站后交通广场、站前景观广场和相关市政交通工程。

天津站交通枢纽工程的主基坑工程位于后广场的新广路、华兴道、新兆路交口处，为地下3层(局部4层)多跨框架结构，部分基坑深度约25 m，最深处30 m，围护结构为地下连续墙，墙厚1.2 m，深42～53 m，基坑宽73～105m，为国内首见。基坑所处地质类型自上而下呈软弱-中硬场地土，其中第四系全新统人工填土层、第Ⅰ陆相层、第Ⅰ海相层工程性质较差，尤其是第Ⅰ海相层中的淤泥质粉质黏土层，属高压缩性土，而工程地下一层板正处于该土层上，施工时要充分考虑地基土回弹隆起造成的影响。基坑紧邻后广场公交站，车多人多动载大，基坑周围分布汇和家园、裕阳花园、惠森花园和在建的城市之光等住宅小区。因此，施工过程中必须保证基坑安全，尽可能减少施工对周边环境的影响。天津站交通枢纽深基坑工程平面示意图如图1所示。

表4 基坑及支护结构监测报警值Table 4 Alarm value in displacement of foundation pit and support structure

图1 天津站交通枢纽深基坑工程平面示意图Fig.1 Plan layout of deep foundation pit of Tianjin station

3.2 地表沉降的控制基准值

3.2.1 从地表建筑安全角度确定最大允许沉降值

本工程周边大楼一般为钢筋混凝土结构，为保证建筑物不出现裂缝，其容许倾斜ξ=0.2%。根据图2(a)地表沉降监测数据分析得到，变曲点i为8～10 m，建筑物距沉降最大点的最小距离l1为5 m，根据Smax=ξ×i2/(l1e(-l12/2i2))［9］，得最大允许地表沉降值 =31.2～44.1 mm。

3.2.2 从地下管线的安全角度确定最大允许沉降值

由于天津站基坑工程一标段、二标段都存在雨水管、污水管、上水管等网状布设的管线，因此该工程的施工必须考虑对地下管线的影响。而地下管线的材料多为混凝土结构(C25混凝土结构的允许拉应变ξ为1.78/28 000=0.000 063 6)，根据管线在地层沉降时产生的变形应小于(或等于)其允许应力的相应变形范围，并按管线走向垂直于地下工程纵向考虑，根据Smax=(i取8～10 m)，计算沉降允许值Smax=31.9～35.7 mm。

3.2.3 参照类似土层地区确定地表沉降基准值

由于天津地区的土层多为粉质黏土并夹杂部分粉土和砂土，地层情况偏软，与上海、深圳两地较相像，同类情况(一级)的工程在上海沉降控制标准为30 mm，因此，天津可以以此为参照取地表沉降控制基准值为30 mm。

3.2.4 根据施工监测数据与工程安全状况确定地表沉降基准值

天津站基坑工程地表监测最大沉降值接近30 mm，其中，代表最大的基坑周围地表累计沉降曲线如图2所示。

图2 天津站基坑2标段监测点的最大地表沉降曲线Fig.2 Curves of maximum ground surface settlement measured at monitoring points in the 2nd bid section of foundation pit of Tianjin station

根据天津站基坑工程地表累计沉降数据，并参考上述3种情况以及工程的安全状况，天津地区超深基坑施工地表沉降控制基准值的建议值为30～35 mm。

3.3 围护结构水平位移的控制基准值

3.3.1 参照类似土层地区确定变形控制基准值

天津地区的土质情况与上海，深圳两地较相像，同类情况(一级)的工程在上海的围护结构水平位移控制标准为60 mm，而在深圳，其围护结构水平位移控制基准为0.002 5 H，天津超深基坑最大深度按30 m计算，因此，参照上海与深圳两地标准及计算方法，天津地区深基坑的围护结构水平位移控制基准值可考虑取为60～75 mm。

3.3.2 参考数值计算确定结构变形控制基准值

数值计算可以参考刘润等［10］的研究成果，以实测数据为基础，建立起可靠的有限元分析方法，通过有限元法模拟基坑破坏过程，分析支护结构刚度、长度以及支撑轴力的大小对基坑整体稳定性的影响规律。提出通过控制基坑支护结构侧向变形来保证基坑的整体稳定性，控制变形量为基坑开挖深度的0.40%。

由于数值模拟过程中忽略了许多因素，并对其中的一些结构进行了简化，因此数值计算的结果用于实际工程施工中需进行一定安全系数的折减，取安全系数为1.5，故根据数值分析提出的围护结构的变形控制基准为0.002 7 H。

3.3.3 根据施工监测数据与工程安全状况确定变形控制基准值

天津站基坑工程连续墙最大监测水平位移值(发生在一标段)均未超过50 mm，其中，代表最大的连续墙位移曲线如图3所示。

图3 一标段连续墙最终最大位移变化曲线Fig.3 Curves of maximum displacement of diaphragm wall in the 1st bid section

以工程类比为主，天津地区超深基坑施工围护结构水平位移控制基准值的选择可以考虑比实际最大监测值大些，建议取60～75 mm。

3.4 支撑内力与土压力控制基准值

支撑一般属于杆状结构，其在工程使用中，发生失稳破坏的临界力要小于强度屈服破坏力，因此支撑内力控制基准的确定与支撑发生失稳破坏的临界力有着直接的关系。假设支撑与两端的连接关系定为铰接，根据两端铰支压杆的欧拉公式［9］:

式中:Fcr为临界力;EI为支撑的刚度(钢支撑的E为210 GPa，混凝土支撑的E为30 GPa;钢支撑的I取0.001 303 8 m4，混凝土支撑的I取0.012 72 m4);l为支撑的长度，本工程中取10～15 m。

将各值代入得最小临界力Fcr为12000kN，为保证基坑安全，选取稳定安全系数为1.5，则天津地区基坑的支撑内力控制基准为12000/1.5=8000kN，实际控制基准参考规范建议采用65%f(f为支撑轴力设计值)。

由于土压力控制基准值的确定涉及到土的抗拉强度、抗剪切强度等方面的内容，而目前土的本构模型相对复杂，且工程对土压力的控制要求较低。因此，依据基坑连续墙土压力监测数据，并参考GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术规范》中对基坑土压力的规定值，天津地区土压力基准值确定为60% ～70%f(f为荷载设计值)。

4 结论与讨论

由于过去超深基坑工程周围地表沉降与围护结构稳定控制基准的研究方法比较单一，得出的控制基准可能存在一定的局限性，因此，为尽可能反应实际工程的环境状况，本文参照现行相关规范和规程，采用工程类比法，并基于施工监测与工程安全状况分析，提出了天津站超深基坑工程的几条控制基准建议，相信该研究成果可为类似工程控制基准的制定提供参考。

4.1 结论

1)天津站枢纽工程超深基坑施工过程中的地表沉降控制基准值建议为30～35 mm。

2)天津站枢纽工程超深基坑施工过程中的围护结构水平位移控制基准值建议为60～75 mm。

3)天津站枢纽工程超深基坑施工过程中的支撑内力控制基准值建议采用65%f(f为支撑轴力设计值)。

4)天津站枢纽工程超深基坑施工中的土压力控制基准值建议为60% ～70%f(f为荷载设计值)。

4.2 讨论

1)基坑的围护结构控制基准包括围护结构水平位移及其变形速率、墙顶水平位移及其变形速率、墙顶竖向位移及其变形速率等，而本文仅对围护结构水平位移控制基准进行了研究。因此，如进一步研究该课题，可补充其他几项的控制基准。

2)基坑的工程环境往往是比较复杂的，它包括了地面道路、主体结构、地下管线、周边建构筑物等，本文也未能全面考虑这些工程环境影响。因此，下一步研究时可再多考虑一些环境因素，如考虑地面道路的安全。

［1］ 王洋，汤连生.谈基坑监测项目中监控报警值的确定［J］.施工技术，2002(6):34-35.(WANG Yang，TANG Liansheng.Talk about the alarm value in the monitor project of foundation excavation［J］.Construction Technology，2002(6):34-35.(in Chinese))

［2］ 张小平，胡明亮，吴庆令，等.南京地区典型失稳基坑分析及预警系统的探讨［J］.岩土工程学报，2006，28(S):1880-1884.(ZHANG Xiaoping，HU Mingliang，WU Qingling，et al.Analysis of typical failure foundation pits and their warning system［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28(S):1880-1884.(in Chinese))

［3］ 叶继权，高永，徐源，等.深基坑支护结构预警技术的探讨［J］.建筑科学，2009，25(11):15-18.(YE Jiquan，GAO Yong，XU Yuan，et al.Discussion of warning technology of deep pit supporting structures［J］.Building Science，2009，25(11):15-18.(in Chinese)

［4］ 《广州地区建筑基坑支护技术规定》编委会.广州地区建筑基坑支护技术规定［S］.广州:《广州地区建筑基坑支护技术规定》编委会，1998.(Editorial Committee of"Guangzhou technical regulations for supporting of building foundation".Guangzhou technical regulations for supporting of building foundation［S］.Guangzhou:Editorial Committee of"Guangzhou technical regulations for supporting of building foundation"，1998.(in Chinese))

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［7］ 李卫超，王伟，王瑞祥，等.上海基坑开挖引起地面沉降估算经验系数探讨［J］.岩土工程学报，2010，32(S2):73-76.(LI Weichao，WANG Wei，WANG Ruixiang，et al.Empirical coefficient for estimation of ground settlement caused by excavation in Shanghai［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2010，32(S2):73-76.(in Chinese))

［8］ 王翠.天津地区地铁深基坑变形及地表沉降研究［D］.天津:天津大学岩土工程，2005.(WANG Cui.Study on excavation induced deformation and ground settlement of deep subway foundation pitin Tianjin［D］.Tianjin:Geotechnical Engineering，Tianjin University，2005.(in Chinese))

［9］ 刘招伟.城市地下工程施工监测与信息反馈技术［M］.北京:科学技术出版社，2006.(LIUZhaowei.The construction monitoring and information feedback technology of underground engineering［M］.Beijing:Science press，2006.(in Chinese))

［10］ 刘润，闫澍旺，张启斌，等.天津地区地铁深基坑施工安全控制标准研究［J］.岩土力学，2007，28(7):1511-1517.(LIU Run，YANG Shuwang，ZHANG Qibin，et al.A study of control criterion for safe construction of deep foundation pit of underground in Tianjin area［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28(7):1511-1517.(in Chinese))