深基坑变形实测数据三维图表分析*

李裘鹏 桂 林 马 健 杨 鹭 江建洪

(1. 苏州大学轨道交通学院，215131,苏州；2. 苏州市轨道交通集团有限公司,215004,苏州;3. 上海岩土工程勘察设计研究院有限公司，200032,上海//第一作者，硕士研究生)

深基坑工程往往处于建筑物密集区，与周边环境相互作用复杂，因此基坑设计已逐渐从强度控制理论发展到变形控制理论[1]。基坑工程变形主要包括围护结构变形、坑底土体隆起和周边地表沉降3个方面，且这三者之间存在一定的耦合关系[2]。文献[3]较早地总结了基坑变形的特点，但主要针对早期采用柔性支护结构的基坑；文献[4-6]对各地区基坑变形性状进行了进一步总结，但都限于二维图表分析;文献[7]对上海某深基坑周边地表变形性状进行了实测统计分析；文献[8-9]分析了上海某逆作法开挖和某顺作法开挖的地铁深基坑变形性状;文献[10]分析了采用顺逆结合法施工的杭州钱江隧道某深基坑工程的实测变形性状；文献[11]对苏州地铁1号线车站深基坑围护结构的实测变形性状进行了分析；文献[12]收集了苏州市11个采用钻孔灌注桩围护结构的方形基坑，以及至少23个采用地下连续墙围护结构的长条形地铁基坑的实测数据，全面地对比分析了苏州市采用不同挡土结构、不同形状的大尺度深基坑的变形性状。以上成果大多结合经典理论，对围护结构侧移、立柱隆起、周边地表沉降和周边建筑物沉降等进行了总结，但对各变形性状相互关系的深入讨论不多。结合经典理论的分析大多是基于二维的，不能很好地展示整个基坑的三维变形情况及未来发展趋势。

本文以杭州市某34.5 m深、顺逆结合施工的地铁车站深基坑工程为例，提出一种简明实用的基坑开挖实测变形三维分析图表。该图表能够呈现某时刻的基坑围护结构变形、坑底土体隆起和周边地表沉降等内容，较为直观明了。这样一方面便于掌握整个基坑的当前变形情况；另一方面能够对基坑变形的原因进行分析并对未来发展作出一定的预测，从而便于采取相应的预防措施来保障工程安全和减少损失。

1 工程概况及监测方案

1. 1 工程概况

工程位于杭州市城东新城，地铁车站为地下4层岛式车站，采用双柱三跨钢筋混凝土框架结构；主体基坑长149.0 m，标准段宽21.9 m、深33.0 m，端头井段宽25.8 m、深34.5 m。该基坑当时是国内在建的最深地铁基坑之一，采用顺逆结合的开挖方法。围护采用厚1 200 mm的地下连续墙，深度为58 m。关于支撑体系，第1道为钢筋混凝土支撑，地下3层和4层顶板为逆作板，其他支撑为钢支撑。地下3层顶板以下18.0～26.7 m的土层采用长度为8 700 mm的高压旋喷桩抽条加固。

该基坑工程场地上部主要为钱塘江近代冲积沉积的粉、砂土，下部主要为海相沉积地层，约51～53 m以下为强风化-中风化凝灰岩。凝灰岩以上的土层，从地表向下依次为1-1杂填土、1-2素填土、3-2黏质粉土、3-3砂质粉土、3-6粉砂、4-3淤泥质黏土、6-1黏土、6-2粉质黏土、8-1黏土、8-2淤泥质黏土、10-2粉质黏土夹粉砂、12-4圆砾和14-2圆砾。该场地浅部及中部地下水类型主要为第四纪松散岩类孔隙水和孔隙承压水，深部为不发育的基岩裂隙水。浅部潜水静止水位埋深一般为2.0 m左右，流速较小；承压水主要为深部12-4圆砾层及14-2圆砾层中赋存的承压水。

1. 2 监测方案

为全面掌握施工过程中基坑自身变形及对周边环境的影响，对本工程的基坑从以下几个方面进行了动态监测,包括地下连续墙的侧移、墙后地表沉降、立柱隆起、地下水位、支撑轴力、周边建筑物沉降、周边隧道和公共管线沉降等。本文重点讨论前3项，这三项的监测点布置如图1所示。

图1 地下连续墙侧移、周边地表沉降和立柱隆起的三维分析图

2 深基坑变形实测数据三维图表分析方法

2. 1 三维图表构成

本文提出了地铁车站基坑施工过程中某时刻的地下连续墙侧移、周边地表沉降和立柱隆起(作为坑底土体隆起的一种衡量)的三维分析图。图1是施工至2013年2月21日时该基坑的三维分析图。当前施工工况表示在地下连续墙的各侧移监测点附近，比如CX6处为“开挖到25 m”。图1中，为了表示地下连续墙的侧移，从监测点处引出一个箭头来代表最大侧移发生的大小和方向，并在箭头附近标明最大侧移的大小和发生的位置。例如，CX6测点处标注为74.2@25.5 m，表明在CX6测点处地下连续墙的最大侧移为74.2 mm，且发生在地面以下25.5 m处。为了清楚地表示侧移量的大小，采用了较大的比例尺，布置于基坑各个角落处。将各个测点处箭头末端采用虚线连接起来，便得到整个基坑地下连续墙的侧移情况，目前地下连续墙都不同程度地向坑内移动。此处由于CX10侧斜管损坏而未得到侧移的数值。对于四周坑角，由于刚度较大，一般认为侧移为0，因此图1中坑角处所绘制的侧移仅为示意。为了表示立柱隆起，从各个立柱处向上引出一个箭头，箭头的长短代表隆起量的大小，并在箭头末端标注了该数值。对于本工程纵向的立柱LZ4—LZ10，将各个箭头末端用实线相连，得到立柱隆起沿纵向的分布情况。对于另外几个零散的立柱(LZ1、LZ2、LZ11和LZ12)，仅在立柱旁边标志了隆起量的大小。关于地面沉降的监测，共有12个断面沿基坑分布，每个断面有5个监测点，各个监测点之间的间距示意在断面CJ3处。第1个监测点离开墙体的垂直距离为2 m，沿墙体向外各监测点之间的间距分别为3 m、5 m、20 m及20 m。每个断面的沉降量绘制在该断面基坑向外的右侧，遵循的比例尺表示在测点CJ5-5附近。

图1中并没有直接表示坑底土体隆起，而采用立柱隆起作为坑底土体隆起的一种衡量。这是由于基坑工程中坑底土体隆起测点较难保护，而立柱隆起的监测相对较易实现。应该注意到，立柱由于承受支撑和立柱的自重荷载及其与结构的相互约束作用，其隆起量并不代表基坑土体自身的隆起量，通常小于同一位置处的土体隆起量，但是仍然可以作为土体隆起的一种衡量。如果实际工程中系统地监测了坑底土体隆起，那么可以用其代替图1中的立柱隆起。

2. 2 基于三维图形监测结果分析要点

地下连续墙侧移绕基坑四周的分布，除了由于开挖产生应力释放而导致普遍向坑内侧移外，可以发现如下现象：①基坑短边处CX1和CX9的侧移比基坑长边处的平均侧移要小；②基坑长边处的侧移并非中间最大，该位移从一端到另一端的规律大致表现为端部很小，然后逐渐增大，在中间处稍小，再逐渐增大，至另一个端部很小；③CX6处的墙体侧移相对较大。

对于现象①，因为短边地下连续墙两端角落处的约束较大，所以相对不容易向坑内侧移。

对于现象②，似乎与常识相反，因为通常长边中部应力释放最大，所以侧移应该最大。但这个常识是基于基坑同步开挖的情况。对于地铁车站这种狭长基坑的，分部分块开挖很重要。此工程中对于同一分层土体开挖的顺序是先开挖图1中右半部分，然后开挖左半部分，而中间部分留至最后开挖。这样中间部分土体对围护结构有较好的支撑作用，辅之钢支撑的预应力作用，使得基坑长边中间的墙体侧移反而较小。这对于控制整个基坑的总体墙体侧移和保障施工安全是非常有效的。在实际开挖过程中，开挖顺序亦会根据墙体侧移分布的变化情况而有所调整。

对于现象③，需要结合CX6处的施工工况和变形情况来进行分析。这可以通过上一阶段的三维变形图来考察。就目前情况而言，观察到CX6处墙体侧移较大，那么应该引起重视和警惕，可以在下一土层开挖时，将此处土体保留时间长一些，及时施加支撑，并加强钢支撑的预应力等。根据三维变形图来预见风险源并及时采用有效措施，是本文的主要目的之一。

立柱隆起纵向分布的大致规律为：中间隆起最大，逐渐向两边减小。这与竖向应力释放的程度是一致的。对于端头井两端，图1中左端的立柱LZ1和LZ2隆起较小，而右端的立柱LZ11和LZ12隆起较大，应引起重视。这一现象产生的原因之一是端头井右端先开挖并持续了较长时间，同时与基坑周边的地表沉降亦存在一定的关系。

关于基坑周边地表沉降，大部分断面的沉降分布为“凹槽形”，即地表最大沉降点不是发生在坑壁处，而是发生在离开基坑边一定距离处，且地表沉降随着远离基坑而逐渐减少。因为本工程采用了地下连续墙加支撑的良好支撑体系，第1道钢筋混凝土支撑具有较强的刚度，所以地下连续墙侧移并非发生在墙的顶部而是在一定深度处；相应地，由土体向坑内移动导致的最大沉降点会离开墙体一定距离。距墙体的距离愈远，受基坑开挖应力释放的影响程度愈小，因此地表沉降亦愈小。但并非所有的断面均呈现上述规律，如断面CJ4、CJ6、CJ8和CJ11。这4个断面向基坑外的远端地表沉降仍然较大，这是因为上述断面所处位置分别有二层临时办公楼、二层临时宿舍、物资库和出土行车道路。这4处的荷载比地面平均荷载大得多，从而产生了更大的附加应力，导致产生更大的地表沉降。

图1中，基坑长边处的墙后地表沉降(如断面CX4、CX5和CX6处)较短边处的地表沉降(如断面CX1和CX9处)总体要大，这反映了基坑周边地表沉降、地下连续墙侧移及坑底隆起的相互关系。基坑开挖一方面导致水平向应力释放、墙后土体向坑内移动、地下连续墙侧移，以及墙后地表产生沉降；另一方面导致竖向应力释放、坑底土体隆起、墙后土体在地下连续墙左右两侧压力差作用下向坑内移动，以及墙后地表产生沉降。总体而言，应力释放在基坑长边处的效应更大，因此墙后地表沉降沿基坑长边会更大。立柱LZ12的隆起较大，这可能与附近断面CJ6总体较大的地表沉降有一定关系。需要指出的是，墙后地表沉降与地下水位变化有较大关系。本工程中地下连续墙插入基岩，由于基岩裂隙水不发育，因此对地下水位控制较好，地下水位对墙后地表沉降的影响不大。在一般工程中，应该表示墙后土体地下水位变化的图表，然后对此进行综合讨论。

就目前基坑变形总体而言，地下连续墙侧移、地表沉降和立柱隆起都处在可控范围内。对于CX6、CX14等处的墙体侧移应引起重视，这些位置墙体侧移较大，且最大侧移发生在当前开挖深度以下，表明了坑底以下很大一部分土体参与了抵抗墙体的侧移。立柱LZ12的隆起偏大，亦应引起注意。以上监测项目对保证工程安全、减小对周边环境的影响，以及制定后续的施工工程措施都具有较好的指导意义。当施工到下一阶段时，可以绘制下一阶段的三维变形图，便于再次进行施工指导。

3 结语

本文以杭州某34.5 m深的地铁基坑为例，首次提出了一种简明实用的基坑开挖变形三维分析图表，用其来总结分析某时刻基坑围护结构变形、立柱隆起(作为坑底土体隆起的一种衡量)和周边地表沉降等变形性状，具有很强的优势：

1) 该三维图表的直观性较强，便于整体把握整个基坑工程的变形性状。

2) 该三维图表不同于某方面变形孤立分析的二维图表，它能够反映围护结构变形、坑底土体隆起和周边地表沉降这三者的相互关系，同时可以通过相互印证来分析当前变形产生的原因。

3) 较易从该图表中发现局部异常的变形，从而进行原因分析，以便于制定下一步施工的合理措施，从而来保障工程安全和减少不利影响。

当然对于一般基坑工程，还应辅之基坑外侧土体地下水位的变化来考察地表沉降。结合各截面处的二维分析图表，将会得到更为详细的信息。目前基坑规模越来越大，传统二维分析图表缺乏全面性。该图表的提出，为未来深大基坑开挖变形性状的研究提供了一种新的整体分析方式。