基坑位移监测及变形分析

陶雪彬， 袁金兴， 张 烨， 王月香*

（1.苏州科技大学土木工程学院，江苏 苏州 215009；2.苏州中正工程检测有限公司，江苏 苏州 215129）

地铁、高层建筑等工程的基坑开挖深度越来越大，导致基坑工程防护要求越来越高。基坑开挖过程中扰动了周围土体，改变了原有土体的应力状态，引起周围土体应力重分布，从而发生位移，对基坑的支护结构及周边建筑或地下管线造成影响，极大地增加施工风险[1～2]；因此，必须对基坑进行变形监测，确保基坑及周边安全[3～4]。目前基坑施工多采用单一的围护结构，蒋宏鸣[5]以采用斜抛撑支护结构的基坑为研究对象，比较了在不同留土面积、施工阶段和拆撑工序等条件下支护结构的变形结果并探讨了变形规律；刘厚成等[6]利用ABAQUS 有限元软件分析了以地下连续墙为支护结构的基坑变形规律；林之航[7]对采用排桩-钢筋混凝土内支撑支护结构的上软下硬深基坑进行了变形规律和空间效应分析；邓宇等[8]对间隔双排桩支护形式使用在红黏土基坑上的加固方案及支护前后基坑变形监测进行分析；徐中华等[9]对邻近地铁隧道的深基坑采取分坑顺作、两墙合一地下连续墙、钢支撑轴力补偿体系等系列措施来研究对地铁变形的控制；Cui X Y 等[10]对钻孔桩和倾斜钢支柱两种基坑支护结构的受力性能进行了研究并以平原应变模型为重点，对基坑开挖进行了分析；Benin A 等[11]对以混凝土板为支撑的深基坑用有限元法进行三维数学建模并对其结果与岩土工程监测数据进行了比较，分析和评价了基坑支护和轴承的变形。

也有许多学者对采用多种支护结构的基坑进行研究。叶帅华[12]根据基坑施工过程中的监测结果分析比较了土钉+预应力锚杆的复合土钉墙、土钉墙及排桩+预应力锚杆3 种基坑支护形式在兰州的适用性；朱建才等[13]对支护结构为连续墙的深基坑采用高压旋喷桩和水泥搅拌桩两种形式的地基加固，根据基坑监测结果分析基坑变形性状；王鸿运[14]在同一个基坑中采用单排-预应力桩锚及双排桩-预应力锚索支护形式，结合现场监测数据，分析基坑变形性状以及对周边建筑物变形的影响；廖少明[15]研究苏州地区采用钻孔灌注桩围护、顺作法施工的方形基坑及采用地下连续墙围护的长条形地铁车站基坑的变形性状。研究更多的是针对不同基坑、不同支护方式，本文以采用二级放坡-坡顶注浆钢管、放坡-钻孔灌注桩、钢板桩和放坡-钢管土钉的多种围护结构的某深基坑工程为例，研究多种支护结构作用在同一基坑的变形规律，为类似基坑工程的设计和施工提供了一定的经验性参考。

1 工程概况及地质条件

1.1 基坑概况

某基坑东西长最大约327 m，南北宽最大约86 m，基坑总周长约1 150 m，总面积约2万m2。工程分3个施工范围，分别为一标、二标和二期。基坑分两次开挖，第一次施工一标和二标区域，第二次施工二期区域。自然地面标高靠近水城路一侧为2.000 m（85 国家高程基准，下同），其余各侧为1.600 m，坑底标高为-2.650～-2.550 m，基坑挖深为4.25～4.65 m。

基坑西北侧为风栀路，地下室外墙距道路24～40 m；西南侧为水城路，地下埋有污水管、自来水管和雨水管，道路离地下室外墙最近为8.36 m；东北侧为惠昌路，地下室外墙距道路7～30 m；东南侧为区内待建号楼，号楼底板距地下室外墙约1.7～3.84 m。见图1。

图1 基坑周边环境

1.2 工程地质条件

对基坑稳定性产生影响的土层主要有5 个，自上而下包括①素填土，层厚0.10～4.70 m；②黏土层，厚0.40～4.90 m；③粉质黏土，层厚1.50～5.00 m；④粉砂，层厚0.50～6.50 m；⑤粉砂，层厚3.90～9.60 m。除素填土、黏土外，其他地层自稳性都较好。基坑底部位于黏土层，基坑侧壁则分布于素填土、黏土之中，其自然结构变化十分敏感，具触变性，工程性能差，易产生蠕动变形。土体参数见表1。

表1 土体参数

2 基坑支护设计及监测方案

基坑西北侧支护结构采用二级放坡-坡顶超前注浆钢管支护结构；西南侧靠近号楼区域采用32b 钢板桩支护，其余各区段采用悬臂式钻孔灌注桩-坡顶1 m放坡；东北侧采用放坡-坡顶注浆钢管围护；东南侧采用放坡-钢管土钉围护。

为确保安全，在基坑施工过程中对坡顶水平及竖向位移、坑外地下水位、周边道路管线以及土体深层水平位移进行监测[16～17]。监测对象主要包括基坑坡顶、周围土体、地下水，其中坡顶部水平和竖向位移监测点共用，有71 个；坑外地下水位监测点13 个；周边道路管线沉降监测点13个。见图2。

图2 基坑测点平面

监测项目的报警值见表2。

表2 警报值

3 监测分析

3.1 坡顶部水平位移

选取HV57、HV8、HV5、HV66、HV63 共5 个测点进行分析，HV57测点位于二级放坡-坡顶超前注浆钢管支护区域内，HV8 和HV5 测点位于放坡-钢管土钉支护区域内，HV66 测点位于放坡-悬臂式钻孔灌注桩支护区域内，HV63测点位于32b钢板桩支护区域内。为了同时段分析方便，选在一标范围内，从7 月13 日开始监测，最后一次监测时间为11 月1 日，中间相隔112 d。监测结果见图3和图4。

图3 坡顶部水平位移

图4 坡顶部水平位移变化速率

5 个监测点的水平位移变化趋势相似。基坑开挖初期水平位移变化速率较大，随着开挖时间的增加，水平位移逐渐增大；45 d 后，变化速率减小，水平位移趋于稳定，各测点坡顶水平位移基本在4～9 mm。HV5 测点的位移变化速率在开挖后第16 d 达到最大，为0.7 mm/d，同时该测点累计水平位移是5 个测点中最大的，达到8.9 mm。HV66 测点的位移变化速率在开挖112 d 内不超过0.2 mm/d 且累计水平位移最小，为5.05 mm。各测点的水平位移最大值均没有超过监测报警值，说明4 种支护结构均能够控制基坑水平位移，其中悬臂式钻孔灌注桩支护区段的基坑水平位移能得到有效控制，钢管土钉对水平位移的控制效果最差。

3.2 坡顶部竖向位移

由于坡顶部水平、竖向位移监测点共用，故竖向位移监测点选取与水平位移相同。监测结果见图5和图6。

图5 坡顶部竖向位移

图6 坡顶部竖向位移变化速率

竖向位移与水平位移变化趋势相似。开挖后45 d 内竖向位移变化速率最大，一般在0～0.3 mm/d，竖向位移逐渐增大；45 d 后，竖向位移变化速率变小，趋于0，竖向位移缓慢增长后趋于稳定。测点的竖向位移相差较大，在3～10 mm 之间：HV8 测点累计竖直位移量最大，达到9.33 mm；HV66 测点的累计竖向位移最小，为到3.64 mm；HV5 和HV57 测点的竖向位移相近，约为8.5 mm且与HV8测点相差较小。说明二级放坡-坡顶超前注浆钢管支护结构与放坡-钢管土钉支护结构对坡顶竖向位移的控制效果相近且都较差；悬臂式钻孔灌注桩支护区段的基坑水平位移能得到有效控制，钢管土钉对水平位移的控制效果最差。

悬臂式钻孔灌注桩对控制坡顶水平和竖直位移有着较好的效果，这与以往的支护结构控制效果分析结果[19]相吻合，传统混凝土支撑的支护结构变形介于一些支护结构之间，说明对于控制基坑变形仍有一定的优势。

3.3 坑外地下水和周边道路管线沉降

选取SW11、SW2、SW1、SW13、SW12 共5 个测点进行坑外地下水的监测，SW11测点位于二级放坡-坡顶超前注浆钢管支护区域内，SW2 测点位于放坡-钢管土钉支护区域内，SW1 测点位于注浆钢管和钢管土钉支护区域内的交界处，SW13 测点位于放坡-悬臂式钻孔灌注桩支护区域内，SW12测点则位于32b钢板桩支护区域内。监测结果见图7和图8。

图7 坑外地下水位

图8 坑外地下水位变化速率

坑外地下水变化集中在0～4 mm。开挖初期，坑外地下水变化较大，水位下降较大；随着开挖时间的增加，地下水下降趋势减缓，逐渐有少量回升和来回波动的情况；测点SW1 波动最为明显，地下水下降到1.76 mm 后最先停止下降，后在0.9～1.5 mm 之间波动；SW11测点是5个测点中坑外地下水下降最小的测点；监测点SW2 在地下水回升前的水位下降最大，达到3.32 mm。施工后期，除SW1 点，其他监测点的水位下降都较为接近。由图8 可以看出，测点的地下水位速率变化较大并且有回升的情况，这也导致了地下水位时常在0～3 mm波动。

在基坑西南侧的水城路选择G01、G02、G04、G06、G07 共5 个监测点进行周边道路管线沉降分析。监测结果见图9和图10。

图9 周边道路管线沉降

图10 周边道路管线沉降速率

基坑开挖后建筑周边地面随即产生沉降且随着开挖时间的增加逐渐加大，集中反映了围护结构侧移、土体结构本身蠕变等作用。基坑开挖后约40 d内沉降速率较大，各监测点的沉降量都在1～2.5 mm；开挖40 d后周边道路管线沉降速率减小，直至趋于0，沉降量也稳定不变。5 个监测点中除G04 点，其余测点的沉降趋势相似，最终沉降量也很接近；而G04 沉降速率更快，沉降量更大，达到了2.37 mm，比其他监测点的最终沉降量大了约0.6 mm。由图10 可以看出，周边道路管线有回弹现象，但回弹量较小，不对总体的沉降产生较大影响，周边道路管线沉降速率最大约在基坑开挖后28 d时。

对地下水位和管线沉降综合分析可知，SW1 测点受到注浆钢管和钢管土钉的共同影响地下水下降最小，放坡-悬臂式钻孔灌注桩支护区域内的SW13测点地下水下降也较小；监测点G04 靠近放坡-悬臂式钻孔灌注桩围护结构时管线沉降明显区别于其他围护结构的监测点，管线沉降最大。说明悬臂式钻孔灌注桩围护结构对控制周边道路管线沉降效果较差，不适合作为对周边道路沉降要求较高项目的围护结构。

4 结论

1）悬臂式钻孔灌注桩支护因整体性强、桩身强度高，对基坑的水平及竖向位移能够有效控制；钢管土钉对水平及竖向位移的控制效果最差。相对一些组合支撑方案，传统混凝土支撑方案对控制基坑变形仍有一定的优势。

2）靠近二级放坡-坡顶超前注浆钢管和放坡-钢管土钉支护结构时，测点的地下水降低最小且有一定回弹，水位较为不稳定。其他围护结构下的坑外地下水大体趋势较为一致，稳定后地下水位差别不大。

3）悬臂式钻孔灌注桩围护结构对控制周边道路管线沉降效果较差，不适合作为对周边道路沉降要求较高项目的围护。

4）深大基坑工程设计应因地制宜采用合理的支护形式。不同的支护结构有各自适用性，对基坑开挖时产生的各种变形也有影响，故合理选择基坑开挖时的支护结构形式，能够很好地控制施工中出现的变形，保障施工的安全和顺利进行。