深厚填土区深基坑施工全过程监测与分析

吴旭彬

（1、深圳市岩土综合勘察设计有限公司 深圳518172；2、深圳市龙岗地质勘查局 深圳518172）

0 引言

深基坑工程作为危险性较大的分部分项工程，在开挖过程中事故频发，基坑失稳与倾覆往往会对周边建筑造成严重破坏并形成重大安全事故，如何保证深基坑的安全和稳定是工程中的重要课题。对于存在深厚软弱土、深厚填土等不利地质条件的深基坑工程，除采取稳妥的基坑支护方案、严格控制施工质量外，利用科学合理的监测手段，形成及时有效的反馈机制，也是保证深基坑安全稳定的重要途径。国内外学者针对各地区不利地质条件下遇到的深基坑工程，深入分析基坑开挖监测数据，及时预警险情、处理问题，既保证了工程的安全又得到了很多有益的成果［1-4］。吴锋波等人［5］对多地的基坑工程监测问题进行总结，提出了针对监测控制值的建议；丁智等人［6］对浙江软弱土地区37 个深基坑的监测数据进行了归纳分析，提出了一种预测基坑侧移曲线的方法；叶任寒等人［7］结合温州地区一软土基坑，探讨了基坑开挖对周边建筑物、道路沉降、支撑轴力以及地下水位等的影响。胡静等人［8］针对天津某软弱土地层条件下的深基坑工程，利用基坑监测数据验证了SMW 工法在此地区的适用性。肖荣军［9］针对一软弱土基坑工程，提出了一种钢管斜撑改进设计方法，结合现场监测数据验证了改进方法的工程实用性。吴乾坤等人［10］利用某软弱土地区深大基坑开挖全过程的监测数据，深入分析了基坑开挖不同阶段的变形规律。本研究的背景是深圳地区一人工填土区域的基坑工程，基坑开挖深度为14～16 m 且开挖范围内几乎全部为素填土，支护采取的形式主要为桩锚支护，针对如此深厚填土区域的深基坑进行监测分析在国内外鲜有相关的经验。

本文结合深圳地区某开挖范围几乎全为填土的深基坑工程，介绍了针对其桩锚支护方式的基坑监测方案，对支护结构的水平位移、沉降、测斜以及锚杆拉力等监测指标进行了深入分析，揭示了基坑工程监测指标在施工全过程中的变化趋势，为基坑的安全工作提供了保证，可为类似基坑工程提供参考。

1 工程简介

1.1 工程概况

某基坑项目位于深圳市龙岗区大运片区，周长约350 m，开挖面积约8 100 m2，场地东侧、北侧现为空地，西侧为市政道路，南侧为大运中心停车场。场地规划拟建包括1 栋20 层办公楼（高度为100 m）、1 栋16 层办公楼（高度为82.5 m）、1 栋14 层公寓（高度为56.7 m）以及商业裙房（高2 层），设整体地下室3 层。高层住宅结构型式拟采用框架-核心筒、框架-剪力墙，基础拟采用桩基础。基坑开挖范围内的地质情况主要为素填土（填土的堆填时间推测为8～10 年）、砂质黏性土、全风化砂岩以及强风化砂岩，其物理力学指标如表1所示。

表1 土层物理力学指标Tab.1 Physical and Mechanical Indexes of Soil Layer

1.2 支护设计方案

本项目周边环境条件较为有利，基坑周边无重要的建筑物，对变形控制指标要求较低。经建设方与周边地块沟通，柔性支护结构可不受用地红线限制，存在锚索施工的有利条件。但本项目开挖范围内几乎全部为素填土，锚索抗拔性能由于不利的地质条件必然会受到影响。经过多组锚索基本试验验证，最终确定了桩+锚索的支护方案（从上至下3 道锚索），选取基坑支护的典型剖面如图1所示。

图1 基坑支护典型剖面Fig.1 Typical Profile of Supporting

本基坑的主要设计方案如下：①基坑支护的最大深度为16 m 左右，周边环境较为简单，除一侧分部有市政管线外，周边无重要建（构）筑物，开挖范围内存在深厚填土，地质条件较差，依据开挖深度及周边环境的破坏后果，将基坑支护的安全等级确定为二级；②支护方案为桩+锚索的形式，支护桩桩径为1.2 m，支护桩间距为1.8 m，锚索设置3 道，支护桩长在满足基坑整体稳定和抗倾覆要求的前提下，根据地质条件有所区别，由上至下设置3道预应力锚索，锚索抗拔力根据基本试验和计算要求综合设置；③鉴于填土具有较强透水性，且基坑周边存在市政管线及地面停车场，基坑设置全封闭止水帷幕，帷幕采用在2根支护桩中间设置1 根3 管旋喷桩的形式（桩径为1.0 m），帷幕深度要求穿透填土地层不小于3 m以达到封闭止水的效果。④基坑布置临时排水系统，包括基坑顶部及底部的排水沟和集水井等设施。

2 监测方案设计

2.1 监测项目

本基坑设置的具体监测项目如表2 所示，主要包括支护桩的水平、竖向位移、测斜值、锚索应力、地下水位以及周边地表和管线的沉降等，监测点的具体位置如图2所示。

表2 监测项目Tab.2 Monitoring Program

图2 监测点平面布置Fig.2 Layout Chart of Monitoring Point

2.2 监测频率及预警值设置

监测频率和和监测预警值是基坑监测的重要指标，一般需要结合周边环境、地质情况以及基坑安全等级综合设置。基坑的监测频率在不同的施工阶段有所不同，基坑未开挖之前一般只监测周边环境及管线情况，待基坑开挖阶段开始对所设置的所有监测项目展开监测工作，随着开挖深度的增加，监测的密度逐渐增加，等开挖至基坑底并浇筑底板后，监测频率会稍有降低，如有内支撑的情况，在拆撑的过程中又需要加密监测频率。在施工过程中如遇暴雨等恶劣天气或出现变形较大超过预警值等危险情况应加密监测，并提供处理建议。结合本项目工程设计，监测频率如表3所示，监测项目累计允许值如表4所示。

表3 监测频率Tab.3 Monitoring Frequency

表4 监测项目累计值Tab.4 Aggregate-value of Monitoring Program

2.3 监测工作完成情况

本项目于2016 年10 月正式开始进场施工，2016年10月～2017年1月为支护结构施工阶段，2017年2 月开始布置监测点并采集监测初始值，2017 年2 月～2019 年4 月共对基坑支护结构进行了497 次变形监测（包括竖向沉降及水平位移），地表沉降共进行了500 次监测，对基坑周边管线及道路进行了493 次变形监测，对预应力锚索进行了493次变形监测，对水位观测492 次，对深层水平位移进行了490 次变形监测，基坑于2019 年4 月回填，监测工作结束。本项目监测工作共持续2 年多，各项监测指标在监测期间未出现超过预警值的情况，按时提供了监测报告并及时提供了施工建议。

3 监测结果及分析

3.1 水平位移监测

水平位移监测一般包括支护结构顶部水平位移和测斜值监测，本项目共选取了14个支护结构顶部水平位移监测点和8 个测斜监测点进行水平位移监测。图3列举了6个桩顶水平位移在整个基坑开挖过程中的变化过程，图4 列举了一个典型的支护桩深层水平位移在不同施工阶段过程中的变化趋势。

图3的6个监测数据显示所有的桩顶水平位移都是随着开挖进度逐步增大的，在基坑开挖至基坑底附近时，位移逐渐趋于稳定，后期位移数据基本保持不变。经分析监测数据发现，桩顶水平位移最大为25 mm，整个施工过程中未出现超过预警值的情况（预警值为40 mm×80%=32 mm）。对于深厚填土条件下的深基坑施工，控制桩顶水平位移是非常重要的，在此种条件下，采用桩锚支护体系对于变形的控制效果远远不如桩撑支护体系，开挖深度大于10 m 的填土区域基坑，出现20～30 mm 的变形是较为正常的现象。对于支护结构顶部有重要的建筑物或存在对变形较为敏感的管线等情况，深厚填土区域开挖基坑应尽量选择桩撑支护体系，以达到对支护结构变形的有效控制。

图3 水平位移监测变化趋势图Fig.3 Typical Variation Trend of Horizontal Displacement of Pile Top

从图4 分析得出，支护结构在顶部的水平位移是最大的，随着深度加大水平位移有逐渐减小的趋势，这种发展趋势在不同的施工阶段基本是相似的，并且随着时间的推移这种趋势越发的明显。值得注意的是，支护桩深层水平位移并非都是呈上部大、下部小的变化趋势，其变化趋势与支护结构的支护形式有密切的关系，如典型的有多道锚索的桩锚支护结构其变形一般会呈上大下小，而采用多道内支撑的深基坑支护结构则会出现中间大两头小的葫芦型变化趋势，并不能一概而论。

图4 深层水平位移变化趋势图Fig.4 Typical Deep Horizontal Displacement of Support Pile

3.2 沉降位移监测

沉降监测点主要包括支护结构沉降监测点、地表沉降监测点以及道路沉降监测点，本项目共设置支护结构沉降位移监测点14 个，地表沉降位移监测点14个，以及道路路面沉降位移监测点7 个。选取了典型的沉降位移监测数据进行分析，图5 列举了典型的支护桩沉降位移随时间的变化趋势，图6 列举了典型的地表沉降位移随基坑开挖全过程的变化趋势。

图5中6个监测点体现出的支护桩沉降位移变化趋势基本一致，随着基坑开挖过程的推移，沉降逐渐增大，在基坑开挖到底后，沉降位移趋于稳定，直到基坑回填未有继续增大的趋势。在整个基坑开挖过程中，支护桩的沉降位移数值一直较小，最大不超过15 mm，这与支护桩端部埋深较大有密切的关系。深基坑的支护桩嵌固深度一般较大，部分甚至会进入中、微风化岩层，因此支护桩的沉降位移一般较小。而相应的，支护桩后侧的地面沉降往往数值较大，从图6可以看出，支护结构后侧的地面沉降随着开挖过程同样逐渐增大，在后期保持稳定，并一直持续至基坑回填，最大沉降位移约25 mm。通过对比图5 与图6 可发现，即使在同一位置，地面沉降位移相比支护桩沉降位移会大很多，因此在深基坑工程中往往会出现支护结构后侧地面与支护桩脱离，甚至出现支护结构后侧地面开裂的情况。目前，深基坑支护项目周边环境越发复杂，在支护结构顶部往往埋藏有大量的市政管线，在这种情况下，需要评估支护结构后侧的地面沉降对市政管线的影响，并做好相应的处理措施，避免导致事故的发生。道路沉降观测点的沉降数据变化趋势与地表沉降基本一致，且数值较小，此处不再赘述。

图5 典型支护桩沉降位移随时间变化趋势Fig.5 Typical Variation Trend of Settlement Displacement of Pile

图6 典型地表沉降位移随时间变化趋势Fig.6 Typical Variation Trend of Ground Settlement

3.3 锚索应力监测

本项目共设有锚索应力监测点7 个，每个监测点在每层锚索均进行了应力监测，由于本基坑项目施工速度较快，锚索受荷时间约为1年半，根据监测数据显示锚索应力损失较小，锚索应力减少量基本在10%～15%以内。在锚索应力监测中出现应力损失是常见的，但也经常会出现应力突增的情况，这与锚索的受力状态息息相关。一般支护桩的侧向位移过大往往会导致锚索的应力出现增加的趋势，而应力损失，则经常是由于雨水浸泡土体导致锚索注浆体与土体之间锚固力的损失。

3.4 地下水位监测

本项目共布置了6 个水位观测点，选取了2 个水位观测点进行分析，如图7所示，可以看出地下水位是逐渐下降的，累计下降值随着基坑开挖是逐渐增大的，开挖到基坑底附近时，地下水位逐渐趋于稳定，后期施工阶段变化不大。6个水位监测点显示地下水位累计变化值最大约2 m，未超过预警值。地下水的下降与地面沉降往往是相关的，基于二者的变化关系可以得出，地下水的下降与地面沉降都是随着基坑开挖逐渐增加，到后期逐渐趋于稳定一直保持到基坑回填为止。为防止地下水位下降导致地面沉降过大，基坑周边往往会预留回灌井进行地下水的回灌处理，回灌井可借用水位观测井也可重新设置，但即使采取回灌措施，在基坑开挖较深的情况下，地下水位的下降往往也是不可避免的。深基坑开挖应做好地下水位下降导致地面沉降较大的应急预案，并对基坑顶部的管线、浅基础建筑物等做好相应的评估和保护工作。

图7 地下水位累计变化值随时间变化的趋势Fig.7 Typica Variation Trend of Underground Water Level

4 结论

⑴深厚填土条件下进行基坑开挖，控制支护结构顶部水平位移非常重要，随着基坑施工的进行，支护结构顶部水平位移逐渐增加，并且水平位移从顶部到底部有逐渐减小的趋势。分析认为在深厚填土区采用桩锚支护体系，对于变形的控制效果远远不如桩撑支护体系。

⑵支护桩沉降位移随着基坑开挖过程的推移逐渐增大，在基坑开挖到底后，沉降位移趋于稳定，而地面沉降位移相比支护桩沉降位移会大很多，因而在深厚填土区需评估支护结构后侧的地面沉降对市政管线的影响，并做好相应的处理措施。

⑶在锚索受荷载作用的1年半时间内，锚索应力损失较小，应力减少量基本在10%～15%以内。锚索应力可能会出现应力损失的情况，也会出现应力突增的情况，这与锚索的受力状态息息相关。

⑷在施工过程中，地下水位逐渐下降，累计下降值随着基坑的开挖逐渐增大，开挖到基坑底附近时，地下水位趋于稳定。在深厚填土区开挖深基坑，地下水位的下降不可避免，因此需做好地下水位下降导致地面沉降较大的应急预案，并对基坑顶部的管线、浅基础建筑物等设施做好相应的评估和保护工作。