软土区域基坑开挖围护结构变形规律分析

郑艳，金鑫

（1.广东工贸职业技术学院 测绘遥感信息学院，广东 广州 510510；2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101）

0 引言

现阶段我国各大中城市都处在轨道交通建设的高峰期。由于大量的基坑工程位于繁华的市中心，基坑的开挖对围护结构和对周边土体产生扰动并造成其结构发生变化，这种变化对基坑的围护结构和周边地表不可避免地造成影响。基坑工程施工引发的环境影响问题已经日益成为城市地下工程关注的热点问题[1-2]。

1 项目概况

该车站基坑场地地貌属海陆交互相冲洪积平原地带，地形平坦。地面高程为3.6～4.2 m之间，周边现状为农田、水塘，周边无建构筑物且无管线。车站采用明挖顺做法施工。

2 监测数据分析

2.1 基坑开挖阶段的划分及监测典型断面的选取

该地铁车站基坑底板浇筑完成后，监测数据变形速率稳定，选取有代表性并且累计变形较大的监测断面ZQT-02、ZQT-31，并选取相对应的最大累计监测点进行分析。根据该地铁车站基坑的围护结构阶段性变形监测数据进行整理后得出：

（1）土方开挖是围护结构变形主要影响因素，占据了42-62%基坑开始土方开挖后，围护结构墙体便开始受力变形。基坑内侧卸去原有的土压力，在基坑围护结构外侧则受到主动土压力；由于总是开挖在前，支撑在后，所以在安装支撑以前已发生一定的先期变形，土方开挖造成的变形量为总变形量的42-62%，可以看出土方开挖是变形主要影响因素；另外基坑开挖期间的周边荷载特别是土方车的动载在一定程度上增加了墙后的土体压力，加大了变形量。

（2）内支撑施工时间的及时性对变形控制有一定的影响，占据了变形量5-13%车站基坑第一、二道支撑为混凝土支撑，第三道支撑为钢管支撑。支撑施工的及时性、钢支撑的预应力是否能达到设计要求等因素对变形的发展控制有一定的影响。

（3）基坑土方开挖过程中停工导致基坑暴露造成的变形占据了10-14%左右基坑土方开挖过程中，即使架设支撑后并且基坑内外侧土压力基本重新达到平稳状态，但只要基坑底部没有封闭，围护结构深层水平位移的变形仍在缓慢发展。

（4）牛腿、地梁施工变形占据17-28%当基坑开挖至设计标高后，因设计需要施工牛腿，且牛腿结构施工的位置在连续墙结构的内侧，底板不能及时封闭，造成基坑较长时间的暴露。

2.2 同一监测断面地表沉降点数据分析

监测结果显示在工序1即第一层土方开挖，工序6即第四层土方开挖，工序7即牛腿、地梁施工，工序8即底板浇筑完成，两地表点沉降较大均达到25 mm左右，其中工序7在施工时DBC14-06沉降值达到28.73 mm。由此可见，引起基坑周边地表沉降的主要因素主要来自于土方开挖。另外在第四层土方开挖后进行牛腿和地梁的施工，加大了基坑开挖深度，延长了开挖面的暴露时间，致使在基坑施工牛腿和地梁时地表沉降值最大达到了28.73 mm，超出设计控制值。

关于地表沉降变形数据分析[3]：

（1）因为本区域地质条件为深厚的软土层，浅层土体是农田及鱼塘回填土，回填土密实度不够，加上施工现场土方车等重型施工的碾压，导致在开挖第二层土方时基坑周边的地表就产生较大变形。由于软土区域的深基坑不仅在施工阶段因地层损失引起基坑周边地层移动，而且由于地层移动使基坑周围土体受到扰动，因此施工的后期即使在基坑底板结构封闭后，地表沉降变化量的速率仍然比较大。

（2）在基坑土方开挖时周边地表会出现沉降量增大的现象，且沉降变化量随开挖面暴露时间、周边荷载呈现正相关关系，但是当支撑架设完成和底板浇筑完成后，地表沉降能得到有效控制，地表沉降量回落到正常值以内。

3 基坑围护结构变形理论模型计算与分析

3.1 监测数据对比分析

本车站基坑共布设32根测斜管，在所有底板浇完后仅有ZQT-15、ZQT-16两处测点未超出设计控制值40 mm（原设计控制值为29.9 mm，后经过监测预警分析会调整为40 mm），典型监测断面ZQT-02、ZQT31在底板结构完成后变形量达到80-100 mm。

3.2 车站围护结构变形量计算模型

车站标准段围护结构变形量计算采用典型断面的土层，该断面土层主要有人工填土、淤泥质粉细砂、淤泥、微风化砂岩。围护结构整体稳定计算采用瑞典条分法，应力状态为总应力法，条分法中的土条宽度0.40 m。经计算围护结构在基坑底的嵌固深度在 24.72 m，计算最大水平位移29.97 mm，最大弯矩标准值1392.19 KN·m。支撑轴力计轴力（标准值）为：第一道 N=2725 kN，第二道 N=5108 kN，第三道 N=4201 kN。计算结果表明，整体稳定安全系数 Ks = 1.484＞1.35，满足规范要求。最大水平位移 29.97 mm＜0.2% H=33.16 mm，且小于30 mm，围护桩变形满足规范要求。

借助于数值模拟与实际监测结果相结合的方法，可以对深基坑工程整体结构进行比较系统的分析。根据基坑围护结构变形理论计算与实际变形值差异分析，围护结构的最大侧向变形位置与土质情况、围护体刚度、支撑系统刚度、基坑开挖深度等因素有关，围护墙体厚度的选取和支撑的布置是关键。

在该基坑实例中，通过围护结构理论模型计算，墙体水平位移呈现“弓”形，围护墙最大水平位移位于围护结构顶部向下13～15米处，最大水平位移29.97 mm。在实际监测过程中发现围护墙深层水平位移曲线趋势与理论模型一致，整体水平位移呈现“弓”字形，最大水平位移点发生在围护墙中部左右位置[4-5]。

根据现场实际监测数据，基坑开挖过程中围护墙体水平位移最大值远大于设计计算预设值，通过分析，实际情况与理论计算值出现数值区别的原因主要来自以下几个方面：

（1）理论计算中的围护结构各项岩土参数与现实情况不符，尤其是软土的水平向反力系数的比例系数，也就是m值选取不合理；而m值的取值对围护结构的变形计算影响大，如果采用勘察报告里m值系数为4，而相关规范和经验的取值为1～1.5；两个取值分别计算出来围护结构变形量相差在一倍以上[6]。

（2）基坑开挖施工过程中坑内降水没有按照相关的规范及方案执行，没有按照随挖随降，而是在开挖之前就“一降到底”，地下水的抽排没有达到设计效果，水土合算条件下主动土压力增大，从而无法准确地预估基坑施工的真实环境。按照目前的监测经验，软土区域的围护结构在土方开挖前仅降水就有接近20 mm的变形。

（3）设计方案中采取的软基三轴加固要达到0.8-1.2兆帕的强度。但在实施过程中三轴加固在淤泥质土中加固效果一般，往往达不到设计方案中的强度要求，也不能达到控制围护结构变形的目的。

4 结语

（1）由于施工顺序总是土方开挖在前支撑在后，如果在土方开挖后没有及时架设支撑导致开挖面暴露的时间过长，在支撑架设并且加载后围护墙体的变形已经接近完成，此时的围护墙的水平位移数值已经较大并且趋于稳定，就会使支撑的作用仅为阻止围护墙体的进一步变形，无法达到控制基坑围护结构变形的效果，施工单位应该合理安排工序，及时架设支撑，达到控制围护结构变形的目的。

（2）施工单位在基坑开挖前的坑内降水，要严格按照降水方案，随挖随降，杜绝一降到底；在基坑开挖前坑内降水的环节减少围护结构的变形量。

（3）基坑土方开挖时造成的围护结构变形和周边地表沉降占据了全部变形量的一半左右，开挖方式的选择，应遵循“沿规定的开挖次序逐段开挖；每个开挖段中分层分小段开挖、随挖随撑、及时施加预应力”，严禁进行大面积开挖。

（4）基坑开挖施工期间，严格控制基坑周边荷载的超载，控制临近基坑周边物资的堆放等。在土方车等重型施工机械频繁通过的地段应铺设走道板或者进行地基加固。

（5）基坑土方开挖过程中的停工以及达到设计标高后施工牛腿等造成的基坑长时间暴露占据了30%～40%左右的变形量，建议后期在软土区域内的各基坑设计方案及施工方案应以缩短基坑暴露时间为原则，减小围护结构墙体及周边地表的变形。

（6）设计单位在总结以往的工程经验基础上，应合理选择设计参数。尤其是软土区域的基坑设计要对软土的水平反力系数的比例系数（m）值的取值更加合理，从而给出合理的围护结构变形设计控制值。

（7）基坑围护结构变形、地表沉降以及坑内基底隆起三项数据往往有密切的相关性，应在有条件情况下增加坑底隆起的监测项目，更全面地分析基坑开挖施工期间的周围岩土体的变形情况。