窄长类匝道基坑开挖变形监测数据统计分析*

孙廉威，张阿晋，吴小建

(上海建工集团股份有限公司 工程研究总院，上海 201114)

0 引言

随着城市经济的高速发展，地面以及地上交通已经很难满足人们的日常出行需求，向地下发展交通已成为当前的趋势，尤其伴随着超大直径盾构装备及施工技术的蓬勃发展，大断面市政道路隧道日渐增多。匝道作为地下交通与地面交通的重要连接方式，意义重大。现阶段往往采用明挖法修建匝道，其本质上为基坑的开挖，相较于一般民建类基坑工程甚至地铁车站基坑工程，匝道类基坑更窄更长，其相应变形特性及近邻扰动影响也有所不同，因此有必要针对窄长类匝道基坑的变形特性及近邻扰动展开研究，进一步增强对窄长类基坑工程的认识和理解。

关于基坑施工变形及近邻扰动，较多学者开展大量的研究，其中多数集中在民建类基坑，文献[1-4]通过数值模拟、现场监测和模型试验的方法针对某具体工程，分析基坑开挖过程中基坑变形性状和基坑开挖对邻近建筑的影响，这类分析往往只局限于单一工程；文献[5-7]利用统计学的思想，通过对大量基坑工程项目中围护结构变形及紧邻扰动数据的统计分析，进一步揭示上海、杭州、苏州等不同地区基坑变形特性及近邻扰动机制。对于窄长类基坑，也有部分学者展开一些研究，李少波[8]依托厦门轨道交通工程，采用数据统计分析的方法，针对基坑围护结构水平位移和墙后地表沉降变形进行分析和研究；李福林[9]针对某狭长型深基坑，采用数值方法，分析狭长基坑开挖过程紧邻土体深层位移发展规律；刘念武等[10]针对某地铁车站深基坑围护结构变形特性及近邻建筑变形特性，开展现场监测及数据分析。上述针对窄长类基坑开展的研究大多基于地铁车站基坑工程，其宽深比多在1以上，而对于宽深比小于0.5的匝道类基坑变形特性及近邻扰动的研究较少。

本文基于上海市某窄长类匝道基坑工程，对基坑开挖中围护结构变形数据、墙后地表沉降数据、近邻既有建筑变形数据进行统计分析，并与已有窄长类地铁车站基坑相关统计数据和一般民建类宽大类基坑相关统计数据进行比对，进一步揭示窄长类基坑与一般民建宽大类基坑在基坑变形特征以及近邻扰动影响上的异同点，其结果可为日后窄长类基坑设计与施工安全评价提供数据支撑和理论依据。

1 工程概况

某匝道基坑工程全长约120 m，采用明挖顺作法施工，共分为3个区域，如图1所示。其中Ⅰ区平均开挖深度(HⅠ)约为23 m，长度约为50 m，宽度为11～21.4 m，开挖时间段为2019年4月9日至2019年7月28日；Ⅱ区平均开挖深度(HⅡ)约为20 m，长度约为30 m，宽度约为8.6 m，开挖时间段为2019年4月9日至2019年6月28日；Ⅲ区平均开挖深度(HⅢ)约为18 m，长度约为40 m，宽度为8.6～12 m，开挖时间段为2019年4月9日至2019年6月1日。在Ⅱ区基坑北侧约6.0 m处有1临时建筑物，建筑物长约25.0 m，宽约6.0 m。基坑典型开挖断面参数详见表1～3。

表1 Ⅰ区基坑典型断面开挖参数

图1 某匝道基坑平面示意

工程场地位于长江三角洲入海口东南前缘，地貌单元属滨海平原，场地地势平坦，地貌形态单一，属古河道沉积区，根据岩土工程勘察资料显示：工程场地地基影响深度范围内的地层均属第四纪全新世至中更新世长江三角洲滨海平原型沉积土层，主要由黏性土、粉性土及砂土组成。本文工程基坑开挖深度内涉及的土层主要有：①1填土、②1褐黄～灰黄色黏土、③灰色淤泥质粉质黏土、④灰色淤泥质黏土、⑤1灰色粉质黏土。

表2 Ⅱ区基坑典型断面开挖参数

表3 Ⅲ区基坑典型断面开挖参数

结合设计单位提出的相关监测要求，在变形监测方面确立墙体测斜、墙顶变形、地表沉降和建筑物沉降4类监测内容，如图2所示。其中共布置10个墙体测斜点，编号为CX1～CX10；共布置16个墙顶变形监测点，编号为Q1～Q16；共布置5处地表沉降监测断面，编号为DB1～DB5，断面垂直于基坑边线，第1个测点距离地连墙2 m，后续测点间距5～10 m不等；针对II区北侧临时建筑，在建筑结构四角布置4个沉降监测点，编号为LF1～LF4。

图2 监测示意

2 监测结果分析

2.1 墙体测斜位移

不同开挖深度下围护结构最大侧向位移数据统计如图3所示。由图3可知，在本文工程中，围护结构最大侧向位移基本处于0.06%H(H为基坑开挖深度，m)至0.40%H范围内，其平均值约为0.21%H，为徐中华等[11]以民建基坑为主统计得出平均值0.42%H的50%(区间范围0.10%H～1.00%H)，较接近于丁勇春等[12]针对地铁基坑统计得出的平均值0.30%H(区间范围0.04%H～0.60%H)，与庄海洋等[13]针对上海某窄长类基坑统计得出的平均值0.22%基本一致(区间范围0.08%H～0.30%H)。进一步对比本文工程与徐中华等[11]、丁勇春等[12]和庄海洋等[13]文中围护结构最大侧向位移区间，可以发现，窄长类基坑(本文、丁勇春等[12]和庄海洋等[13])上限明显要小于民建类基坑(徐中华等[11])。对于区间下限，窄长类基坑主要由窄边处围护结构侧向位移所决定。本文工程开挖至坑底后CX8～CX10的侧向位移曲线如图4所示，由图4可知，窄边处围护结构侧向位移(CX10)明显小于长边处围护结构侧向位移(CX8，CX9)，这是由于CX8和CX9位于长边处，其临空开挖面更大，卸荷效应更为明显，而CX10处于窄边位置，支护刚度相对较大，且存在较为明显的空间效应。因此在面对窄长类基坑时，充分利用其空间效应，针对基坑长边合理布置支撑结构，可以有效控制基坑围护结构侧向变形。

图3 围护结构最大侧向位移与开挖深度的关系

图4 CX8～CX10侧向位移曲线

围护结构最大侧向位移深度Hw与开挖深度间的数据统计关系如图5所示。由图5可知，本文工程中最大侧向位移深度主要位于开挖深度以下4.5 m至开挖深度以上3.5 m的范围内，处于徐中华等[11]以民建类基坑为主统计得出的H-5.0 m～H+5.0 m区间内，且相差较小。同时从图5中可以看出，以15 m为界，基坑开挖深度在15 m范围内时，围护结构最大侧向位移主要出现在基坑开挖面下方，当基坑开挖深度超过15 m后，围护结构最大侧向位移位置逐渐移至基坑开挖面上方，这是由于在本文工程中，基坑开挖超过15 m后，坑底主要处于⑤1灰色粉质黏土，而在开挖③灰色淤泥质粉质黏土和④灰色淤泥质黏土时会在开挖面附近产生较大的变形，即在开挖至坑底前，较大的变形已经产生。这与冯虎等[14]、李琳等[15]的研究成果相吻合。因此对于窄长类超深基坑，应尤其注意在③和④层土开挖时对于变形的控制。

图5 最大侧移深度与开挖深度的关系

2.2 地表沉降分析

不同基坑开挖深度H下的地表沉降s统计图如图6所示。由图6可知，在本文工程中，地表沉降s的变化范围为0.04%H～0.35%H，平均值约为0.17%H，远小于王卫东等[16]统计上海软土地区以民建基坑为主的各类基坑所提出的平均值0.38%H(变化范围0.10%H～0.80%H)，同时也略小于庄海洋等[13]根据狭长类基坑变形特征所提出的0.22%H(变化范围0.10%H～0.30%H)，由此可见相较于民建基坑，同等开挖深度下，窄长类基坑能呈现出对地表更小的扰动，这是由于相较于民建基坑，窄长类基坑在整体围护刚度和变形控制方面更加优于民建基坑，因此呈现出对近邻更小的扰动。进一步对比本文数据与庄海洋等[13]中的地表沉降数据，地表沉降上、下限对比如图7所示。由图7可知，同为窄长类基坑，二者所引起的地表沉降变化范围有较好的相似性，但是上、下限略有不同。对于下限本文相对较小，这是由于本文中基坑宽度更窄，空间效应更为明显，因而相应基坑窄边所对应的地表沉降受基坑开挖的影响也越小。对于上限，由于本文工程中基坑开挖宽深比最大约为0.93，略大于庄海洋等[13]中所述基坑的0.80，根据徐芫蕾[17]的相关研究，宽深比越大，其坑边地表沉降越大，因此相对来说本文工程上限较庄海洋等[13]所述上限更大。

图6 地表沉降与基坑开挖深度的关系

图7 地表沉降上、下限对比

2.3 墙顶竖向变形分析

不同开挖阶段，不同基坑开挖区域，地连墙墙顶竖向位移如图8所示。由图8可知：1)不同基坑开挖区域所对应的地连墙墙顶最大竖向位移不同，这是由于不同基坑开挖区域的最大挖深不同所致，且地连墙最大竖向位移随最大开挖深度减小而减小；2)对于Ⅲ区，由于基坑空间效应及最大挖深较小，可以发现墙顶竖向位移相对于Ⅰ区和Ⅱ区较小，尤其窄边地连墙墙顶(Q16)的竖向变形基本不受基坑开挖的影响。地连墙墙顶竖向位移与基坑开挖深度间的统计关系如图9所示。由图9可知，在本文工程中，墙顶竖向位移主要落在0.01%H到0.10%H范围之内，平均值约为0.05%H，小于徐中华[6]针对以普通民建类基坑为主所提出的上海平均值0.07%H，由此可见，相较于普通民建类基坑，窄长类基坑由于其尺寸效应，在自身围护体系抗隆起方面有着较为明显的优势，应重点关注长边处墙顶竖向隆起。

图8 地连墙墙顶竖向位移

图9 墙顶竖向位移与基坑开挖深度的关系

2.4 建筑物沉降分析

不同开挖深度下临近既有建筑物的沉降曲线如图10所示。由图10可知：1)建筑物沉降随着开挖深度的逐渐增大而增大；2)开挖完成后，建筑物后部沉降(LF3，LF4)要大于建筑前部沉降(LF1，LF2)，根据Ou等[18]研究成果，墙后最大地表沉降发生位置的平均值约为0.5H，在本文工程中，建筑物后部(约墙后0.6H)比建筑前部(约墙后0.3H)更加接近于最大沉降发生位置，因此建筑后部沉降要大于建筑物前部沉降；3)建筑物西侧沉降(LF1，LF4)要大于建筑物东侧沉降(LF2，LF3)，这是由于建筑物西侧除受II区基坑开挖影响外，同时还受I区基坑开挖影响的原因；4)根据Burland等[19]对于倾斜量的定义，在本文工程中，建筑物的最大倾斜量约为0.002，与庄海洋等[13]针对窄长类基坑得到的0.001 4较为相近，相较于王卫东等[16]根据上海35个工程实例统计出的最大倾斜量区间0.001～0.017，则处于该区间的下限，由此可见在本文工程案例中，本文工程窄长类基坑开挖对临近既有建筑的影响相对较小。而对于其他窄长类基坑工程中，应该着重关注长边处近邻既有构筑物的变形，并及早采取加固保护措施，以免引起构筑物过大变形。由于尺寸效应，基坑开挖对短边处近邻构筑物影响较小。

图10 不同开挖深度下既有建筑沉降曲线

3 结论

1) 从数据统计来看，窄长类基坑围护结构最大侧向位移普遍远小于民建类宽大基坑，其最大侧向位移区间下限主要由窄边处围护结构最大侧向位移所决定。但从最大侧向位移发生位置来说，窄长类基坑与民建宽大类基坑差别不大。

2) 窄长类基坑相较于民建宽大类基坑，往往呈现出对地表更小的扰动，基于数据统计和对比分析，其扰动大小跟窄长类基坑的宽深比有一定的关系，宽深比越大，扰动越大。

3) 相较于民建宽大类基坑，窄长类基坑由于其尺寸效应，在自身围护结构抗隆起上有较为明显的优势，尤其在本文工程中，窄边处围护结构竖向隆起基本不受基坑开挖的影响。

4) 同民建宽大类基坑，窄长类基坑开挖同样会造成临近既有建筑一定的倾斜，但是其影响相较于民建宽大类基坑较弱，在本文工程中，建筑物倾斜量基本处于最大倾斜量统计区间的下限。