深基坑开挖支护变形规律及控制措施研究

杨 磊

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深基坑开挖支护变形规律及控制措施研究

杨 磊

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随着社会的发展，基坑工程技术发生着日新月异的变化，近年来，我国大城市的大型地下空间发展十分迅速，技术复杂的基坑工程建设项目越来越多，基坑工程的规模越来越大，就会带来许多环境安全和基坑安全问题，基坑的变形控制成为基坑工程成败的关键，因此进一步加强对其的研究非常有必要，通过对基坑受力的变形规律研究，来提高深基坑工程实践的科学性。基于此本文分析了深基坑开挖支护变形规律及控制措施。

深基坑；开挖支护；变形规律；控制措施

1、深基坑工程的特征

1.1 受地质水文与市政环境影响大

深基坑工程对工程地质环境与水文条件的依赖性高，在不同土壤地质条件下，深基坑工程往往呈现不同特点，我们国家很多城市或同一城市的不同区域，土壤类别差异性较大，水土环境受气候影响也较大，因此对深基坑的作业要求也不均等，深基坑工程表现出较强的地域区别。在工程的勘察设计中，对土壤与水文环境的调查往往有很多不确定性，因此较难准确定位工程当地的总体情况，对于不同工程要根据其性质与所处的特定水文、地质环境考虑深基坑工程的开挖以及支护技术的采用类型。

1.2 复杂性与综合性

深基坑工程往往不是独立工作的，在地下空间开发、地上建筑物与构筑物工程、桥梁与隧道工程、市政与岩土工程中均是扮演了非常重要的角色。深基坑工程与结构工程、岩土工程与施工技术的关系密切，相互交叉，相互影响，深基坑工程影响其他工程的同时也会受到其他工程对其的干扰。在现实中，深基坑工程除了保证一定的稳定性与强度外，防止基坑变形与渗流也是工程技术人员重点考虑的问题，往往很多工程出现多种问题相互结合，相互矛盾，需要统一的协调与处理，体现出一定的综合性与复杂性，最终需要技术人员权衡矛盾寻求最优化的解决方案。

1.3 环境与时空效应明显

由于地质条件是时时变化的，有时深基坑开工前土壤地质条件适宜，基坑稳定性满足要求，但是随着时间的推移，基坑周围的主动土压力与被动土压力存在一定的变化，当这些变化长时间作用于基坑的时候，基坑尤其是深基坑的稳定性就会受到破坏。深基坑的工程环境效应体现在对周围环境的影响程度上。深基坑的施工开挖的时候，土方量的占地面积要干扰周围行人与机动车、非机动车的正常通行，深基坑的开挖与支护施工会对周围的建筑物、构筑物、市政管网造成稳定性的破坏，施工产生的噪音污染还会影响附近居住小区的正常生活，因此从环境角度而言，深基坑工程的环境影响效应表现显著。

2、加强基坑开挖支护变形的重要性

深基坑的开挖会带来基坑周边的地层朝着基坑的方向移动，进而在地层中形成被动土压力和主动土压力。在进行基坑的开挖施工时，基坑维护结构的任务技术为建筑物的主体结构提供干燥和安全稳定的作业空间，但同时也会产生基坑周边地表的沉降以及结构的变形。城市建设发展越来越迅速，城市地下空间的开发也在快速发展，所以，现代城市发展的地质问题和环境问题是因城市地下空间的开发利用而造成的城市地面的沉降，所以，在进行深基坑工程时，基坑的变形控制成为基坑工程成败的关键。

深基坑开挖过程中不仅要保障基坑的稳定和安全，而且还要控制好基坑附近地层的水平移动和沉降进而不破坏基坑附近的环境，尤其是处在城市的深基坑工程，基坑的施工空间比较小，附近的建筑物比较密集，控制好附近地层的位移显得十分重要。在地质条件比较好的地区，因为基坑开挖所带来较小的周围地层的变形，适当的控制不会影响基坑周围的环境，但是基坑位于软土地区，由于地质条件复杂，地层软弱，进行基坑的开挖就会带来较大的变形，严重的破坏变形会带来巨大的经济损失和危及人们生命安全。所以，我们要加强重视基坑变形的重要性意识。

3、深基坑开挖支护变形原因

3.1 围护桩水平位移

不同开挖深度工况下的桩体水平位移变形如图1 所示。由图1可得，在开挖过程中，围护桩的变形发展形态是不同的，第 1 步开挖后桩体变形基本呈倒三角形，变形近似为一条直线; 随着开挖的不断进行，围护桩的变形不断增大，桩体水平位移最大值位置逐渐下移，直至开挖完成后趋于稳定，最后呈两头小中间大的“胖肚”形。

图1 围护桩水平位移计算值

根据对围护桩水平位移的跟踪监测数据，可以知道围护桩桩底变形有所差异，桩底水平位移计算值基本未发生移动，而现场监测的桩底水平位移发生了约 微小移动，原因可能是监测中的误差，或是实际施工过程的非正常施工因素引起的。

3.2 基底隆起

随着基坑开挖深度的增加，存在很大的基坑边界的内、外地面的高度差；当开挖进行到最后时，在基坑开挖面以下的一定距离的围护桩向坑内移动，挤压基底下的土体，导致基底的隆起。

3.3 基坑周围地表沉降的影响范围

随着开挖深度的不断增加，地表沉降也逐渐增大，最终形成近似于抛物线形的沉降槽。某城市基坑工程，场地周边均为菜地和水塘，最近的居民楼在基坑深度 3 倍距离以外，对施工的干扰较小; 标准段场区内市政管线相对较多，均分布在既有道路两侧。其沉降槽的范围约为 2h( h 为基坑开挖深度)；地表沉降最大值不是发生在基坑边沿，而是发生在距基坑边约( 1/3 ～1/2) h 的位置;实际监测地表沉降最大值为 －12. 4mm，大于数值计算 值 － 6. 2mm，但 该 值 在地 表 沉 降 控 制 值( ±30mm) 的范围之内，造成此结果的原因是多方面的，基坑实际施工过程远比数值计算复杂得多，地面附加荷载、超挖、未及时施做支护结构等均可引起地表过大变形。因此，在数值计算中建立符合实际工况的开挖模型是非常关键的，同时，在现场基坑施工中，严格遵循基坑开挖的原则也是不容忽视的。

3.4 坑外土体位移场

对基坑实测位移场的研究发现，地下墙后土体水平位移分布模式主要可以分为两个区一个是块体滑动区，该区水平边界距离地下墙大约为倍开挖深度，垂直边界约为地表下一倍挖深，该区内土体水平位移沿水平方向基本不变，呈现整体滑动的特性另一个是线性递减区，该区水平边界距离地下墙大约是一倍挖深，垂直边界约为倍挖深，该区内土体水平位移沿水平方向线性递减为零。另外，地下墙后土体垂直位移分布模式大致也可以分为两个区一为整体沉降区，开挖面以上至地表范围内土体的沉降值沿深度近似相等，各深度处沉降曲线近似等于地表沉降曲线而为线性递减区，开挖面以下至两倍开挖深度处，土体沉降值随深度增加，逐渐线性减小为零。有了地表沉降曲线，结合土体沉降变形沿深度方向的传递变化规律，就可以根据地表沉降值求出深层上体垂直位移值。

4、变形控制措施

4.1 加强变形监测优化

深基坑工程监测是为了确保在基坑施工过程中基坑工程主体和周围环境的安全，通过对基坑本身内部有关结构的位移、内力以及基坑以外的环境保护对象变形参数的监测，验证基坑支护结构设计和基坑开挖施工组织设计的正确性，并对基坑支护体系的稳定性、可靠性和安全性进行预测预报，及时掌握在施工中支护结构的应力和变形以及环境的变化情况。

为了更好的掌握变形规律，采取措施进行控制，需要从多个方面进行：

4.1.1 监测频率。基坑监测应贯穿于基坑工程的全部过程，从基坑开挖前的准备工作到基坑工程土方回填完毕，甚至在有特殊要求的情况下需监测至基坑变形稳定或者趋于停止变形为止。在监测过程中，基坑监测的频率并非是一成不变，而是基于工程概况，施工进度、外部环境影响以及当前监测值的稳定程度等影响方面，并结合当地经验综合考虑而进行适时调整。

4.1.2 监测报警值。监测报警值是为确保基坑工程的安全性而设定的各项监测指标的预估最大值。合理设定的监测报警值应包括基坑工程各监测项目的累计变化量和变化速率值两个控制量，是调整施工步序和优化工程原本设计方案的重要依据，更是工程施工安全的重要保障。

例如，武汉市轨道交通4号线二期工程从黄金口站至首义路站，线路全长16.857km，其中高架线3.2km，敞开段0.15km，地下线13.507km，有地下车站11座，高架站2座，设黄金口停车场1处和王家湾主变电站1座。武汉市轨道交通四号线二期工程区间及车站土建施工第三标段为：拦江路～钟家村区间、汉阳火车站站及钟家村～汉阳火车站区间。对于该工程进行基坑开挖变形控制主要从以下方面开展：(1)隧道轴线上方地表沉降监测。(2)建(构)筑物沉降监测(3)管线沉降监测。(4)隧道拱顶沉降和隧底位移(5)隧道净空收敛。对此主要进行了建(构)筑物沉降变形控制。1)监测频率。监测工作必须随施工需要实行跟踪服务，为确保施工安全，监测点的布设立足于随时可获得全面信息，监测频率必须根据施工需要跟踪服务，实时反映推进情况。2)监测报警。根据施工图纸设计要求，及本区间段的实际施工环境，我们确定如下变形控制标准(特殊地下管线及建筑物以产权单位要求执行)：1)地表最大隆沉量范围+10mm～-30mm，速率≤2mm/天。2)隧道拱顶沉降隧底位移顶部下沉20mm，速率≤2mm/天。底部隆起10mm，速率≤2mm/天。3)地下管线沉降量范围有压管线-10/+10mm，速率≤2mm/天。无压管线-20/+20mm，速率≤2mm/天。建筑物沉降范围+10mm～-30mm，速率≤2mm/天。隧道收敛20mm，速率≤2mm/天。从监测信息以及具体应用可以知道，在确保隧道及联络通道自身安全的前提下，最大限度地减小了施工对周边的影响，收到了良好的效果。

4.2 加强变形控制

4.2.1 随着围护桩嵌固深度的增加，桩体水平位移和坑底隆起均有所减小，坑底隆起减小的幅度要大于桩体水平位移的幅度;当嵌固深度增加到一定程度时，桩底逐渐不发生变形，若继续增加桩长，对减小围护桩变形作用不明显，但对基坑抗隆起是有利的。

4.2.2 支撑位置改变前后最大水平位移值有所增加，且发生位置也略有上移。由此说明，围护桩的变形对支撑位置的改变是比较敏感的，在基坑支护结构设计时，支撑位置的设置，除了考虑施工空间外，还应当考虑对基坑支护结构内力及变形的影响。

4.2.3 增大土体抗剪强度对于约束支护结构的变形有着非常好的效果，因为抗剪强度的增大使得土体稳定性提高了，但是当抗剪强度增加到一定程度以后，对基坑维护结构变形控制的效果就没有那么显著了。

4.2.4 增加桩体嵌入深度能够有效控制支护结构的变形，但是增加到一定程度时，效果非常有限，而且会增加成本，还有可能出现应力集中等各种问题，故而在决定桩体嵌入深度时要谨慎，综合考虑各方面因素。

总之，在复杂条件下的深基坑，基坑变形与控制往往是深基坑设计的关键，因此进一步加强对其的研究非常有必要。

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