深基坑變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)三維圖表分析*

李裘鵬 桂 林 馬 健 楊 鷺 江建洪

(1. 蘇州大學(xué)軌道交通學(xué)院，215131,蘇州；2. 蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司,215004,蘇州;3. 上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，200032,上海//第一作者，碩士研究生)

深基坑工程往往處于建筑物密集區(qū)，與周邊環(huán)境相互作用復(fù)雜，因此基坑設(shè)計(jì)已逐漸從強(qiáng)度控制理論發(fā)展到變形控制理論[1]?；庸こ套冃沃饕▏o(hù)結(jié)構(gòu)變形、坑底土體隆起和周邊地表沉降3個(gè)方面，且這三者之間存在一定的耦合關(guān)系[2]。文獻(xiàn)[3]較早地總結(jié)了基坑變形的特點(diǎn)，但主要針對(duì)早期采用柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑；文獻(xiàn)[4-6]對(duì)各地區(qū)基坑變形性狀進(jìn)行了進(jìn)一步總結(jié)，但都限于二維圖表分析;文獻(xiàn)[7]對(duì)上海某深基坑周邊地表變形性狀進(jìn)行了實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)分析；文獻(xiàn)[8-9]分析了上海某逆作法開(kāi)挖和某順作法開(kāi)挖的地鐵深基坑變形性狀;文獻(xiàn)[10]分析了采用順逆結(jié)合法施工的杭州錢江隧道某深基坑工程的實(shí)測(cè)變形性狀；文獻(xiàn)[11]對(duì)蘇州地鐵1號(hào)線車站深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)變形性狀進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[12]收集了蘇州市11個(gè)采用鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)的方形基坑，以及至少23個(gè)采用地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)條形地鐵基坑的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，全面地對(duì)比分析了蘇州市采用不同擋土結(jié)構(gòu)、不同形狀的大尺度深基坑的變形性狀。以上成果大多結(jié)合經(jīng)典理論，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)移、立柱隆起、周邊地表沉降和周邊建筑物沉降等進(jìn)行了總結(jié)，但對(duì)各變形性狀相互關(guān)系的深入討論不多。結(jié)合經(jīng)典理論的分析大多是基于二維的，不能很好地展示整個(gè)基坑的三維變形情況及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

本文以杭州市某34.5 m深、順逆結(jié)合施工的地鐵車站深基坑工程為例，提出一種簡(jiǎn)明實(shí)用的基坑開(kāi)挖實(shí)測(cè)變形三維分析圖表。該圖表能夠呈現(xiàn)某時(shí)刻的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、坑底土體隆起和周邊地表沉降等內(nèi)容，較為直觀明了。這樣一方面便于掌握整個(gè)基坑的當(dāng)前變形情況；另一方面能夠?qū)幼冃蔚脑蜻M(jìn)行分析并對(duì)未來(lái)發(fā)展作出一定的預(yù)測(cè)，從而便于采取相應(yīng)的預(yù)防措施來(lái)保障工程安全和減少損失。

1 工程概況及監(jiān)測(cè)方案

1. 1 工程概況

工程位于杭州市城東新城，地鐵車站為地下4層島式車站，采用雙柱三跨鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)；主體基坑長(zhǎng)149.0 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.9 m、深33.0 m，端頭井段寬25.8 m、深34.5 m。該基坑當(dāng)時(shí)是國(guó)內(nèi)在建的最深地鐵基坑之一，采用順逆結(jié)合的開(kāi)挖方法。圍護(hù)采用厚1 200 mm的地下連續(xù)墻，深度為58 m。關(guān)于支撐體系，第1道為鋼筋混凝土支撐，地下3層和4層頂板為逆作板，其他支撐為鋼支撐。地下3層頂板以下18.0～26.7 m的土層采用長(zhǎng)度為8 700 mm的高壓旋噴樁抽條加固。

該基坑工程場(chǎng)地上部主要為錢塘江近代沖積沉積的粉、砂土，下部主要為海相沉積地層，約51～53 m以下為強(qiáng)風(fēng)化-中風(fēng)化凝灰?guī)r。凝灰?guī)r以上的土層，從地表向下依次為1-1雜填土、1-2素填土、3-2黏質(zhì)粉土、3-3砂質(zhì)粉土、3-6粉砂、4-3淤泥質(zhì)黏土、6-1黏土、6-2粉質(zhì)黏土、8-1黏土、8-2淤泥質(zhì)黏土、10-2粉質(zhì)黏土夾粉砂、12-4圓礫和14-2圓礫。該場(chǎng)地淺部及中部地下水類型主要為第四紀(jì)松散巖類孔隙水和孔隙承壓水，深部為不發(fā)育的基巖裂隙水。淺部潛水靜止水位埋深一般為2.0 m左右，流速較小；承壓水主要為深部12-4圓礫層及14-2圓礫層中賦存的承壓水。

1. 2 監(jiān)測(cè)方案

為全面掌握施工過(guò)程中基坑自身變形及對(duì)周邊環(huán)境的影響，對(duì)本工程的基坑從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),包括地下連續(xù)墻的側(cè)移、墻后地表沉降、立柱隆起、地下水位、支撐軸力、周邊建筑物沉降、周邊隧道和公共管線沉降等。本文重點(diǎn)討論前3項(xiàng)，這三項(xiàng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 地下連續(xù)墻側(cè)移、周邊地表沉降和立柱隆起的三維分析圖

2 深基坑變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)三維圖表分析方法

2. 1 三維圖表構(gòu)成

本文提出了地鐵車站基坑施工過(guò)程中某時(shí)刻的地下連續(xù)墻側(cè)移、周邊地表沉降和立柱隆起(作為坑底土體隆起的一種衡量)的三維分析圖。圖1是施工至2013年2月21日時(shí)該基坑的三維分析圖。當(dāng)前施工工況表示在地下連續(xù)墻的各側(cè)移監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近，比如CX6處為“開(kāi)挖到25 m”。圖1中，為了表示地下連續(xù)墻的側(cè)移，從監(jiān)測(cè)點(diǎn)處引出一個(gè)箭頭來(lái)代表最大側(cè)移發(fā)生的大小和方向，并在箭頭附近標(biāo)明最大側(cè)移的大小和發(fā)生的位置。例如，CX6測(cè)點(diǎn)處標(biāo)注為74.2@25.5 m，表明在CX6測(cè)點(diǎn)處地下連續(xù)墻的最大側(cè)移為74.2 mm，且發(fā)生在地面以下25.5 m處。為了清楚地表示側(cè)移量的大小，采用了較大的比例尺，布置于基坑各個(gè)角落處。將各個(gè)測(cè)點(diǎn)處箭頭末端采用虛線連接起來(lái)，便得到整個(gè)基坑地下連續(xù)墻的側(cè)移情況，目前地下連續(xù)墻都不同程度地向坑內(nèi)移動(dòng)。此處由于CX10側(cè)斜管損壞而未得到側(cè)移的數(shù)值。對(duì)于四周坑角，由于剛度較大，一般認(rèn)為側(cè)移為0，因此圖1中坑角處所繪制的側(cè)移僅為示意。為了表示立柱隆起，從各個(gè)立柱處向上引出一個(gè)箭頭，箭頭的長(zhǎng)短代表隆起量的大小，并在箭頭末端標(biāo)注了該數(shù)值。對(duì)于本工程縱向的立柱LZ4—LZ10，將各個(gè)箭頭末端用實(shí)線相連，得到立柱隆起沿縱向的分布情況。對(duì)于另外幾個(gè)零散的立柱(LZ1、LZ2、LZ11和LZ12)，僅在立柱旁邊標(biāo)志了隆起量的大小。關(guān)于地面沉降的監(jiān)測(cè)，共有12個(gè)斷面沿基坑分布，每個(gè)斷面有5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的間距示意在斷面CJ3處。第1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)離開(kāi)墻體的垂直距離為2 m，沿墻體向外各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的間距分別為3 m、5 m、20 m及20 m。每個(gè)斷面的沉降量繪制在該斷面基坑向外的右側(cè)，遵循的比例尺表示在測(cè)點(diǎn)CJ5-5附近。

圖1中并沒(méi)有直接表示坑底土體隆起，而采用立柱隆起作為坑底土體隆起的一種衡量。這是由于基坑工程中坑底土體隆起測(cè)點(diǎn)較難保護(hù)，而立柱隆起的監(jiān)測(cè)相對(duì)較易實(shí)現(xiàn)。應(yīng)該注意到，立柱由于承受支撐和立柱的自重荷載及其與結(jié)構(gòu)的相互約束作用，其隆起量并不代表基坑土體自身的隆起量，通常小于同一位置處的土體隆起量，但是仍然可以作為土體隆起的一種衡量。如果實(shí)際工程中系統(tǒng)地監(jiān)測(cè)了坑底土體隆起，那么可以用其代替圖1中的立柱隆起。

2. 2 基于三維圖形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析要點(diǎn)

地下連續(xù)墻側(cè)移繞基坑四周的分布，除了由于開(kāi)挖產(chǎn)生應(yīng)力釋放而導(dǎo)致普遍向坑內(nèi)側(cè)移外，可以發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：①基坑短邊處CX1和CX9的側(cè)移比基坑長(zhǎng)邊處的平均側(cè)移要小；②基坑長(zhǎng)邊處的側(cè)移并非中間最大，該位移從一端到另一端的規(guī)律大致表現(xiàn)為端部很小，然后逐漸增大，在中間處稍小，再逐漸增大，至另一個(gè)端部很??；③CX6處的墻體側(cè)移相對(duì)較大。

對(duì)于現(xiàn)象①，因?yàn)槎踢叺叵逻B續(xù)墻兩端角落處的約束較大，所以相對(duì)不容易向坑內(nèi)側(cè)移。

對(duì)于現(xiàn)象②，似乎與常識(shí)相反，因?yàn)橥ǔｉL(zhǎng)邊中部應(yīng)力釋放最大，所以側(cè)移應(yīng)該最大。但這個(gè)常識(shí)是基于基坑同步開(kāi)挖的情況。對(duì)于地鐵車站這種狹長(zhǎng)基坑的，分部分塊開(kāi)挖很重要。此工程中對(duì)于同一分層土體開(kāi)挖的順序是先開(kāi)挖圖1中右半部分，然后開(kāi)挖左半部分，而中間部分留至最后開(kāi)挖。這樣中間部分土體對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)有較好的支撐作用，輔之鋼支撐的預(yù)應(yīng)力作用，使得基坑長(zhǎng)邊中間的墻體側(cè)移反而較小。這對(duì)于控制整個(gè)基坑的總體墻體側(cè)移和保障施工安全是非常有效的。在實(shí)際開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖順序亦會(huì)根據(jù)墻體側(cè)移分布的變化情況而有所調(diào)整。

對(duì)于現(xiàn)象③，需要結(jié)合CX6處的施工工況和變形情況來(lái)進(jìn)行分析。這可以通過(guò)上一階段的三維變形圖來(lái)考察。就目前情況而言，觀察到CX6處墻體側(cè)移較大，那么應(yīng)該引起重視和警惕，可以在下一土層開(kāi)挖時(shí)，將此處土體保留時(shí)間長(zhǎng)一些，及時(shí)施加支撐，并加強(qiáng)鋼支撐的預(yù)應(yīng)力等。根據(jù)三維變形圖來(lái)預(yù)見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)源并及時(shí)采用有效措施，是本文的主要目的之一。

立柱隆起縱向分布的大致規(guī)律為：中間隆起最大，逐漸向兩邊減小。這與豎向應(yīng)力釋放的程度是一致的。對(duì)于端頭井兩端，圖1中左端的立柱LZ1和LZ2隆起較小，而右端的立柱LZ11和LZ12隆起較大，應(yīng)引起重視。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因之一是端頭井右端先開(kāi)挖并持續(xù)了較長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)與基坑周邊的地表沉降亦存在一定的關(guān)系。

關(guān)于基坑周邊地表沉降，大部分?jǐn)嗝娴某两捣植紴椤鞍疾坌巍?，即地表最大沉降點(diǎn)不是發(fā)生在坑壁處，而是發(fā)生在離開(kāi)基坑邊一定距離處，且地表沉降隨著遠(yuǎn)離基坑而逐漸減少。因?yàn)楸竟こ滩捎昧说叵逻B續(xù)墻加支撐的良好支撐體系，第1道鋼筋混凝土支撐具有較強(qiáng)的剛度，所以地下連續(xù)墻側(cè)移并非發(fā)生在墻的頂部而是在一定深度處；相應(yīng)地，由土體向坑內(nèi)移動(dòng)導(dǎo)致的最大沉降點(diǎn)會(huì)離開(kāi)墻體一定距離。距墻體的距離愈遠(yuǎn)，受基坑開(kāi)挖應(yīng)力釋放的影響程度愈小，因此地表沉降亦愈小。但并非所有的斷面均呈現(xiàn)上述規(guī)律，如斷面CJ4、CJ6、CJ8和CJ11。這4個(gè)斷面向基坑外的遠(yuǎn)端地表沉降仍然較大，這是因?yàn)樯鲜鰯嗝嫠幬恢梅謩e有二層臨時(shí)辦公樓、二層臨時(shí)宿舍、物資庫(kù)和出土行車道路。這4處的荷載比地面平均荷載大得多，從而產(chǎn)生了更大的附加應(yīng)力，導(dǎo)致產(chǎn)生更大的地表沉降。

圖1中，基坑長(zhǎng)邊處的墻后地表沉降(如斷面CX4、CX5和CX6處)較短邊處的地表沉降(如斷面CX1和CX9處)總體要大，這反映了基坑周邊地表沉降、地下連續(xù)墻側(cè)移及坑底隆起的相互關(guān)系?；娱_(kāi)挖一方面導(dǎo)致水平向應(yīng)力釋放、墻后土體向坑內(nèi)移動(dòng)、地下連續(xù)墻側(cè)移，以及墻后地表產(chǎn)生沉降；另一方面導(dǎo)致豎向應(yīng)力釋放、坑底土體隆起、墻后土體在地下連續(xù)墻左右兩側(cè)壓力差作用下向坑內(nèi)移動(dòng)，以及墻后地表產(chǎn)生沉降?？傮w而言，應(yīng)力釋放在基坑長(zhǎng)邊處的效應(yīng)更大，因此墻后地表沉降沿基坑長(zhǎng)邊會(huì)更大。立柱LZ12的隆起較大，這可能與附近斷面CJ6總體較大的地表沉降有一定關(guān)系。需要指出的是，墻后地表沉降與地下水位變化有較大關(guān)系。本工程中地下連續(xù)墻插入基巖，由于基巖裂隙水不發(fā)育，因此對(duì)地下水位控制較好，地下水位對(duì)墻后地表沉降的影響不大。在一般工程中，應(yīng)該表示墻后土體地下水位變化的圖表，然后對(duì)此進(jìn)行綜合討論。

就目前基坑變形總體而言，地下連續(xù)墻側(cè)移、地表沉降和立柱隆起都處在可控范圍內(nèi)。對(duì)于CX6、CX14等處的墻體側(cè)移應(yīng)引起重視，這些位置墻體側(cè)移較大，且最大側(cè)移發(fā)生在當(dāng)前開(kāi)挖深度以下，表明了坑底以下很大一部分土體參與了抵抗墻體的側(cè)移。立柱LZ12的隆起偏大，亦應(yīng)引起注意。以上監(jiān)測(cè)項(xiàng)目對(duì)保證工程安全、減小對(duì)周邊環(huán)境的影響，以及制定后續(xù)的施工工程措施都具有較好的指導(dǎo)意義。當(dāng)施工到下一階段時(shí)，可以繪制下一階段的三維變形圖，便于再次進(jìn)行施工指導(dǎo)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以杭州某34.5 m深的地鐵基坑為例，首次提出了一種簡(jiǎn)明實(shí)用的基坑開(kāi)挖變形三維分析圖表，用其來(lái)總結(jié)分析某時(shí)刻基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、立柱隆起(作為坑底土體隆起的一種衡量)和周邊地表沉降等變形性狀，具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)：

1) 該三維圖表的直觀性較強(qiáng)，便于整體把握整個(gè)基坑工程的變形性狀。

2) 該三維圖表不同于某方面變形孤立分析的二維圖表，它能夠反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形、坑底土體隆起和周邊地表沉降這三者的相互關(guān)系，同時(shí)可以通過(guò)相互印證來(lái)分析當(dāng)前變形產(chǎn)生的原因。

3) 較易從該圖表中發(fā)現(xiàn)局部異常的變形，從而進(jìn)行原因分析，以便于制定下一步施工的合理措施，從而來(lái)保障工程安全和減少不利影響。

當(dāng)然對(duì)于一般基坑工程，還應(yīng)輔之基坑外側(cè)土體地下水位的變化來(lái)考察地表沉降。結(jié)合各截面處的二維分析圖表，將會(huì)得到更為詳細(xì)的信息。目前基坑規(guī)模越來(lái)越大，傳統(tǒng)二維分析圖表缺乏全面性。該圖表的提出，為未來(lái)深大基坑開(kāi)挖變形性狀的研究提供了一種新的整體分析方式。