广州淤泥质地层深大基坑开挖中的地层变形特征

杜 文 宁三子 金 罡 孟晓伟 马龙祥 余云翔

1. 深圳中铁二局工程有限公司 广东 深圳 518054；

2. 中铁南方投资集团有限公司 广东 深圳 518054；

3. 中铁二院昆明勘察设计研究院有限责任公司 云南 昆明 650200；

4. 西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室 四川 成都 610031

周围地层的变形情况是基坑建设中一项极为重要的指标，可以很好地反映基坑的稳定性。因此，在基坑的设计及施工过程中，应着重关注并研究基坑周围地层的变形情况，以便评判基坑支护结构及施工方法的合理性，并在必要时及时变更支护与施工方法。张启斌等[1]针对某地铁深基坑工程，对3种不同加固措施情况下基坑开挖引起的土体损失进行了模拟，并以此提出了控制周边沉降最优的基坑加固措施；木林隆等[2]基于反分析的方法，研究了基坑开挖引起的土体位移，发现考虑土体小应变并采用反分析的方法可较为准确地计算基坑开挖引起的土体位移；李福林[3]通过有限元方法模拟了狭长基坑开挖过程中的软土变形特性，得到了在狭长基坑开挖过程中周边深层土体的位移发展规律；崔红利等[4]采用数值模拟结合现场监测数据分析的方法，研究了基坑开挖对周围地层及建筑物沉降的影响；孙小力等[5]以苏州地铁车站基坑施工项目为背景，采用现场监测及数值模拟的方法，分析了基坑开挖过程中围护结构及地表沉降的演变规律；刘小丽等[6]利用经验关系式对软土深基坑开挖中既有地表沉降的估算方法进行了改进，可更好地对由基坑开挖诱发的地表沉降进行估算。

综上所述，针对基坑开挖而引起地表沉降的问题已有较多研究，但是由于地层的复杂多变，现有的研究还远远不能概括所有的基坑工程，针对具体问题进行具体分析仍十分必要。

广州南沙地区某安置房基坑项目地处淤泥质软土地层，且周边遍布既有房屋及道路，开挖过程中地层变形控制难度较大，施工时具有较大风险。在此背景下，本文将针对该基坑工程，利用数值软件对其开挖支护过程进行精细化模拟，并结合实际监测结果，研究该基坑工程施工过程中的地层变形规律，进而分析该基坑工程支护体系及施工方法的合理性。

1 工程概况

广州南沙地区某安置房基础需要进行较大规模的基坑施工。该基坑南北长135.76 m，东西宽137.15 m，开挖面积17 535 m2，开挖深度9.2 m，南侧紧邻居民小区新联新村别墅区（距基坑边最近处12.3 m），北侧紧邻华美大道（距基坑边最近处11.8 m），如图1、图2所示。该基坑所处地块为典型的珠三角冲积平原滩涂围海造地区域，场地内地层依次为①3素填土、②1-1淤泥、②3粉质黏土-黏土、③1粉质黏土-黏土、④2粉质黏土、⑧2强风化泥质粉砂岩，土层具体物理力学指标如表1所示。

图1 基坑平面布置

图2 周边既有房屋及道路示意

表1 主要土层的物理力学指标

根据场地内环境条件、开挖深度、地质条件将基坑支护划分为3个支护单元。基坑A—B、B—C段安全等级为一级，采用较强的支护措施，其中A—B段采用SMW工法桩＋3道扩大头可回收锚索，B—C段采用SMW工法桩＋2道内支撑；C—A段安全等级为二级，采用SMW工法桩＋2道扩大头可回收锚索。三轴搅拌桩采用φ850 mm@600 mm插一跳一的施工工法，2道内支撑均采用钢筋混凝土支撑，坑内立柱采用直径1 000 mm钢管作为临时支撑。典型支护剖面如图3、图4所示。

图3 1-1支护剖面

图4 2-2支护剖面

此外，场区内沿线地下水位埋藏较浅，勘察期间测得稳定水位埋藏深度为0.80～3.60 m，地下水位绝对高程为2.91～5.54 m，对基坑开挖施工有重要影响。为此，在基坑开挖前，提前3周在基坑周边和中部设置集水井，进行坑内降水，开挖过程中根据开挖面高度不断调整水位面高度，保证开挖时水位处在开挖面以下1 m，实现分层降水开挖。

基坑的开挖和支护可分成7个施工阶段，如图5所示（图中红色箭头为开挖方向，阴影部分为放坡段，黑色部分为马道）。其中，第1阶段开挖基坑西南、东南及东北侧范围至－2.4 m（未开挖处进行放坡处理），并在距离地面以下1.95 m处设置第1道钢筋混凝土支撑，如图5（a）所示。第2阶段继续开挖第1阶段范围至坑底（未开挖处同样进行放坡处理），按照分层分段开挖，分层高度依次为2.4、2.0、2.0、2.8 m，每开挖下一层前需降水至开挖面以下1 m，对于底层为淤泥质土的则需做好换填工作，换填深度为1 m；此外，在距地面以下5.95 m处设置第2道钢筋混凝土支撑，同时安装部分锚索，如图5（b）所示。第3—7阶段依次开挖余下部分（未开挖处同样进行放坡处理）并及时安装相应位置的锚索，如图5（c）～图5（g）所示。

图5 各阶段开挖完成平面

2 基坑施工数值模型

采用有限差分软件FLAC3D对基坑工程的开挖支护施工过程进行模拟分析。为减小边界效应的影响，数值计算模型取340 m×340 m×40 m，所建立的模型如图6所示。

图6 有限差分数值模型

土体模拟选择摩尔-库仑模型，工法桩水泥土采用弹性本构模型模拟，工法桩型钢、锚索、支撑梁、土钉分别采用桩（pile）、锚杆（cable）、梁（beam）及锚杆（cable）等结构单元进行模拟。基坑的开挖按实际施工步骤进行模拟，在模拟中考虑地下水渗流对基坑及周围地层的影响，采用流固耦合的方法进行计算分析。模拟分析时力学边界条件为模型四周及底部法向约束，水力边界条件为模型四周透水，底部不透水。此外，基坑周边的既有房屋建筑及道路，采用地面超载的方式进行模拟，其中房屋荷载取30 kPa，道路荷载取10 kPa。

3 地层变形数值模拟结果分析

图7给出了基坑开挖完成后的地层竖向变形云图。

图7 竖向变形云图

从图7可看到：基坑开挖引起基坑四周地表的最大沉降均发生在距坑边一定距离处，其中在基坑东侧最大沉降值为9.8 mm，出现在距坑边约21 m处；南侧最大沉降值为17.2 mm，出现在距坑边约24 m处；西侧最大沉降值为11.3 mm，出现在距坑边约23 m处；北侧最大沉降值为16.1 mm，出现在距坑边约21 m处。在当前支护及施工方案下，基坑开挖完成后周围地层的最大沉降值小于控制值30 mm，基坑施工过程中的稳定性可得到保证。由于基坑北侧和南侧存在既有建筑及道路，故基坑施工引发的地表最大沉降值相较于其他两侧更大。由于基坑土体开挖的卸荷作用，基坑坑底绝大部分出现了一定程度的隆起，其中隆起最大值为31.2 mm。基坑坑底先挖范围（第1及第2阶段开挖范围）内的隆起量普遍较大，而基坑后续开挖范围由于受先开挖区域卸荷造成土体松弛效应的影响，其范围内的坑底隆起量相对较小，甚至表现为沉降（沉降量值可达8.5 mm）。这表明基坑的开挖分区，特别是基坑中部后挖范围的设定，有效抑制了基坑开挖造成的坑底隆起。

图8分别给出了过基坑西侧最大地表沉降处沿东西方向，及过基坑南侧地表最大沉降处沿南北方向截取的地层横剖面在基坑开挖完成后的地层竖向变形云图。

图8 开挖完成后的最大地表沉降断面云图

从图8中可以看到：在基坑开挖完成后，基坑四周地表均出现了漏斗状的沉降区域，但地层最大沉降均出现在地表距坑边一定距离处；而第1及第2阶段开挖范围内且距坑边10～40 m区域内的坑底在基坑底部约5.2 m范围内，均会出现量值大于2 cm的隆起。

以基坑南侧最大地表沉降为基点，作基点与南侧坑边的垂线，并以该线作为测线从坑边开始每隔10 m布设测点，研究地表沉降随距基坑距离增加的变化规律。图9给出了地表测线在不同施工阶段的沉降变化曲线。图中①、②和③表示存在既有房屋荷载的区域。

图9 基坑南侧地表沉降曲线

从图9中可以看到：由于土体自身重力及基坑开挖土体的松弛效应，邻近基坑侧土体出现了不同程度的沉降。总体来看，基坑周围地表沉降表现为抛物线形漏斗状的分布，即随着距坑边距离的增大，地表沉降呈先增大后减小的变化趋势；随着基坑施工的持续进行，基坑周边地层沉降所呈现出的“漏斗”现象也愈发显著。房屋荷载的存在对基坑开挖诱发的地表沉降有一定的影响，主要表现为在荷载施加区域（①、②和③），地表沉降曲线往往有所下降，即既有房屋荷载会增大地表沉降，这一点在区域②尤为明显。在第1阶段施工时，由于基坑内支撑体系及更远处地层朝向坑底的滑移变形对坑边土体挤压的联合作用，地表在基坑边缘处（距基坑边缘5 m范围内）出现了轻微隆起，隆起量约为0.48 mm。基坑在第2阶段施工完成后，各测点地表沉降均有较显著发展，地表监测点最大值可达11.73 mm，这是由于此阶段开挖邻近测线位置且开挖量大两方面的因素共同造成的。在基坑第3阶段及以后阶段的施工过程中，由于施工位置逐渐远离监测范围，故地表各监测点的沉降发展速度逐步放缓，而在基坑开挖完成后，地表测点的最大沉降值为16 mm。

4 数值模拟结果验证分析

在基坑的施工过程中，采用水准仪在基坑周边对距坑边6 m的地表沉降进行了监测，地表沉降监测点DBC1—DBC28的布置参见图1。为了验证数值模型的可靠性，本节选择了部分典型的地表沉降监测点，比较这些监测点的地表沉降数值模拟结果与监测结果，如图10所示。

从图10中可以看到：数值模拟所得的沉降值及趋势与实测数据均较为接近。就整体趋势而言，北侧DBC3与DBC6以及西侧DBC22与DBC23测点的数值模拟及实测沉降量值在施工第1及第2阶段均仅有较小发展，而在基坑后续施工阶段才有相对较大的发展；东侧DBC11与DBC12以及南侧DBC16与DBC18测点的数值模拟及实测沉降量值均在施工第1及第2阶段即有较大发展，而在基坑后续施工阶段相对较为稳定。这显然与施工第1及第2阶段开挖范围距离基坑东侧和南侧更近，而后续施工阶段距离基坑北侧和西侧更近的事实相符。就沉降量值而言，在所选择的地表测点中，数值计算的最大沉降值为5.33 mm，而监测的最大沉降值为5.88 mm，总体沉降均处于2～6 mm范围内。由此可见，本文的数值分析结果具有较高的可靠性。

图10 数值计算与现场监测对比

5 结语

本文通过研究，主要得到了以下结论：

1）随着基坑施工的持续进行，基坑周边地表的沉降在总体上呈逐渐增大趋势，并且基坑周边地层沉降所呈现出的“漏斗”现象也愈发显著。

2）本次基坑工程开挖引起基坑四周地表的最大沉降值为17.2 mm，出现在基坑南侧距离坑边约24 m处。

3）将基坑中部区域设定为基坑开挖后挖区，可有效抑制基坑开挖所引发的坑底隆起。

4）该软土基坑现行设计的支护方案可保证基坑施工过程中周围地层的变形处于可控的范围内，是完全合理的。