基于側(cè)向位移特性的長大基坑空間效應(yīng)分析

金 鑫，藍(lán)軍劍，孔紫雯，廖紅雨，孫苗苗，吳 熙

（1.杭州交通投資建設(shè)管理集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙大城市學(xué)院，浙江 杭州 310015；3.城市基礎(chǔ)設(shè)施智能化浙江省工程研究中心，浙江 杭州 310015）

0 引 言

基坑是一個(gè)三維的空間結(jié)構(gòu)，由于基坑本身的幾何尺寸和開挖卸荷順序的設(shè)置，將導(dǎo)致其施工時(shí)應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生較大的變化[1]。有研究表明，當(dāng)基坑長寬比為1 到3 之間時(shí)，隨著長寬比的增大，基坑長邊會(huì)因土體分步分區(qū)開挖卸荷的作用，導(dǎo)致其空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，這種由于空間結(jié)構(gòu)引起的變形情況就叫做空間效應(yīng)[2]。

目前國內(nèi)外采用不同的變形指標(biāo)對長大基坑的空間效應(yīng)特性開展了大量研究。俞強(qiáng)[3]系統(tǒng)分析了不同施工階段的基坑變形特性，利用實(shí)測數(shù)據(jù)表明了地鐵隧道的位移曲線與基坑周圍土層、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的位移曲線發(fā)展趨勢具有良好的一致性，均表現(xiàn)出顯著的空間效應(yīng)。趙文等[4]通過研究某砂土深基坑的樁頂水平位移、樁體水平位移及變形，發(fā)現(xiàn)圍護(hù)樁樁頂水平位移結(jié)構(gòu)時(shí)間效應(yīng)并不顯著，但空間效應(yīng)特征明顯。奚家米等[5，6]重點(diǎn)分析了基坑地表沉降、基坑外潛水水位、砼支撐軸力及圍護(hù)樁深層水平位移在不同時(shí)空條件下的表現(xiàn)形式與內(nèi)在聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)基坑的空間效應(yīng)影響程度沿遠(yuǎn)離坑角方向衰減，且基坑長深比越大，空間效應(yīng)表現(xiàn)得越明顯。樓春暉等人[7]則研究了圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形和地表沉降值的實(shí)測值，給出了空間效應(yīng)對這兩個(gè)指標(biāo)的影響范圍。俞曉和宋雷[8]通過數(shù)值模擬，利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和探討了長大深基坑開挖過程中圍護(hù)樁的受力與變形情況及其空間分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)內(nèi)支撐對基坑空間效應(yīng)存在抑制作用。實(shí)際上，眾多的文獻(xiàn)[9-13]已經(jīng)結(jié)合開挖后土體位移、圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移與基坑范圍存在的對應(yīng)關(guān)系，證實(shí)了在基坑設(shè)計(jì)和施工時(shí)應(yīng)充分重視基坑的空間效應(yīng)。

值得注意的是，上述文獻(xiàn)中對基坑開挖空間效應(yīng)的變形指標(biāo)不盡相同，然而采用基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和土體側(cè)向位移作為空間效應(yīng)的變形指標(biāo)研究還有待深入。如何采用有效且合理的指標(biāo)確定、預(yù)測和控制長大基坑在開挖期間的空間效應(yīng)影響因素，對保障長大基坑工程的正常施工具有重要的意義。

本項(xiàng)目以砂土地區(qū)的長大基坑工程為研究對象，重點(diǎn)基于側(cè)向位移特性來分析長大隧道基坑空間效應(yīng)，考察長大基坑變形的發(fā)展趨勢，為復(fù)雜地層條件下基坑安全建設(shè)的統(tǒng)籌規(guī)劃、基坑工程優(yōu)化設(shè)計(jì)、保障基坑施工安全提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

本工程位于杭州某經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)12號(hào)路，該路段為杭州市東西向交通要道，車流量大，交通繁忙，地下各類管線眾多，錯(cuò)綜復(fù)雜，且一般為主干管，對勘察、設(shè)計(jì)、施工影響較大。項(xiàng)目道路全長約7.47 km。以其中一段長大基坑作為工程案例進(jìn)行研究分析，起止樁號(hào)為K0+700 至K1+075，全長375 m，寬29.9 m，開挖深度達(dá)到12.556～15.878 m，采用圍護(hù)形式為800 mm 連續(xù)墻+四（三）道內(nèi)支撐，屬于一級(jí)基坑等級(jí)，見圖1。

圖1 基坑平面及周邊環(huán)境示意圖

根據(jù)場地巖土工程勘察報(bào)告，該工程地形地貌簡單，自然地面平坦，地面標(biāo)高在5.80～7.00 m，屬?zèng)_海積平原地貌單位。該基坑為砂性土地區(qū)，表1 為基坑土層物理力學(xué)參數(shù)，在基坑開挖范圍內(nèi)，土層主要為土質(zhì)松散雜填土，含少量礫碎石、稍密的砂質(zhì)粉土、中密的粉砂，含云母碎石?？紤]地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，基坑工程采用800 mm 厚地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的圍護(hù)體系，第一道支撐采用鋼筋混凝土，其余為鋼支撐，圖2 為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的典型橫斷面示意圖。

表1 基坑土層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的典型橫斷面示意圖（單位：mm）

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 施工監(jiān)測與工況

2.2.1 施工監(jiān)測

基坑圍護(hù)監(jiān)測方案重點(diǎn)包括墻體側(cè)向位移以及坑外土體水平位移監(jiān)測，對該基坑設(shè)置如圖3 所示的監(jiān)測點(diǎn)。

圖3 基坑平面監(jiān)測點(diǎn)布置圖

在地下連續(xù)墻內(nèi)每隔20～25 m 布設(shè)一個(gè)測斜管，編號(hào)ZQT16-ZQT41，同樣沿基坑周邊等間距布設(shè)土體測斜監(jiān)測點(diǎn)，編號(hào)TST16-TST41，為了方便對比分析，每個(gè)土體測斜孔均與墻體測斜孔對應(yīng)。

2.2.1 施工監(jiān)測

結(jié)合現(xiàn)場施工開挖狀況，基坑開挖分為A、B、C三個(gè)區(qū)域，依次進(jìn)行開挖，在每個(gè)區(qū)域內(nèi)分若干區(qū)段，見圖4。

圖4 基坑施工工序

基坑于2020 年8 月在K0+800～K0+940（A 區(qū)域）開始開挖，A 區(qū)域基坑分A1、A2、A3 以及A4 四個(gè)分塊。同理B 區(qū)域（K0+940～K1+075）設(shè)置為B1、B2 以及B3 三個(gè)分塊，C 區(qū)域（K0+700～K0+800）設(shè)置C1、C2 以及C3 三個(gè)分塊。基坑施工順序?yàn)椋篈 區(qū)域基坑（A1→A4）→B 區(qū)域基坑（B1→B3）→C 區(qū)域基坑（C1→C3）。每個(gè)分塊按a ～ j 從上至下的順序開挖土體，具體施工步驟見表2。

表2 基坑施工工況

2.2 墻體側(cè)移變形分析

根據(jù)基坑開挖步驟設(shè)置10 個(gè)工況，分析各工況在不同深度、不同位置的墻體側(cè)移累計(jì)值變化。

圖5 為各工況墻體側(cè)移變形曲線圖，從圖中可以看出，墻體側(cè)移曲線的變化與開挖工序的進(jìn)行有關(guān)，基坑先開挖A 區(qū)域，B、C 區(qū)域分別在A、B 區(qū)域地下結(jié)構(gòu)封頂后開挖，可以看出基坑變形隨著開挖分區(qū)域發(fā)展。具體表現(xiàn)為：

圖5 墻體側(cè)移累積位移曲線圖

圖5 墻體側(cè)移累積位移曲線圖

由圖5 基坑一側(cè)的曲線變化可見，開挖A 區(qū)域期間，隨著開挖工序的進(jìn)行，最大側(cè)移累計(jì)值位于工況1、2 的30、32 測點(diǎn)，分別為14.08 mm、14.56 mm，工況3、4 的28、26 測點(diǎn)，分別為17.34 mm、20.98 mm，同時(shí)隨著開挖工序的進(jìn)行，各測點(diǎn)的累計(jì)值逐漸增大。開挖B、C 區(qū)域期間，A 區(qū)域數(shù)值變化不大，說明分段開挖和支撐架設(shè)能夠有效減小對已開挖區(qū)域的位移變形。隨著開挖的進(jìn)行，墻體側(cè)移累計(jì)值的變化范圍不斷向基坑中部擴(kuò)大，區(qū)別于普通基坑分層開挖表現(xiàn)的總體均勻變化趨勢，表明基坑分段分區(qū)開挖存在空間效應(yīng)影響。

隨著A 區(qū)域主體結(jié)構(gòu)建設(shè)完成，B 區(qū)域開始開挖，由圖5 工況5～7 可見，B 區(qū)域內(nèi)36-40 測點(diǎn)墻體側(cè)移值隨著開挖工序進(jìn)行逐漸增大，且B 區(qū)域范圍內(nèi)最大值位于38 測點(diǎn)，但整體基坑墻體最大側(cè)移始終位于24 測點(diǎn)，最大變形為29.6 mm。同理，由工況8～10 可見，C 區(qū)域開始開挖，16～22 測點(diǎn)墻體側(cè)移值隨著開挖進(jìn)行逐漸增大，最大側(cè)移值位于20 測點(diǎn)，最大變形為22.27 mm。表明基坑在不同位置對墻體的限制效應(yīng)不一致，基坑坑角處對側(cè)移值限制最大，說明長大基坑存在明顯的坑角效應(yīng)。

由此可知，受開挖方式的影響，墻體側(cè)移沿基坑長邊具有一定的空間分布規(guī)律，主要體現(xiàn)在坑角效應(yīng)上，即墻體側(cè)移的最小值出現(xiàn)在基坑端部，并隨著側(cè)點(diǎn)向基坑中部的移動(dòng)而不斷增大。由于這種效應(yīng)的作用，使得基坑短邊中部側(cè)移值總是比長邊中部側(cè)移值小。

由工況8 至工況10 可以發(fā)現(xiàn)，位于基坑中部的A 區(qū)域變形值基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，側(cè)移值大約為15.56 mm 至20.36 mm?；娱_挖完成后，最大變形區(qū)域位于B、C 區(qū)域，最大累計(jì)值分別為21.77 mm、22.27 mm，大于A 區(qū)域側(cè)移值。考慮到長大基坑具有明顯的空間效應(yīng)，如果采取從一端開挖至另一端的施工方案，基坑中部會(huì)產(chǎn)生較大的水平位移。本項(xiàng)目采取從基坑中部分區(qū)分段開挖的施工方案，原因在于，中部基坑主體結(jié)構(gòu)建設(shè)完成后，對于中部基坑的側(cè)移發(fā)展有一定的限制作用，可以達(dá)到減小基坑中部的側(cè)移的目的，從而保障基坑的安全性。

由表3 數(shù)據(jù)可知，基坑墻體最大側(cè)移基本介于0.10%He 和0.19%He 之間，其中He 為基坑開挖深度。與Wang[23]得出的結(jié)論（0.10%He～1.00%He）要小得多，造成這種差別原因一方面由于Wang[23]所統(tǒng)計(jì)的300 多各深基坑使用不同的支護(hù)方式，導(dǎo)致結(jié)果離散性較大；另一方面可能存在最大側(cè)移發(fā)生深度位于含水量少、壓縮性低的砂質(zhì)粉土土層，受土質(zhì)條件約束導(dǎo)致墻體側(cè)移值與開挖深度的比值較小；最主要是由于本項(xiàng)目對長大基坑分區(qū)分段進(jìn)行開挖，順應(yīng)了基坑的空間效應(yīng)發(fā)展，一定程度上減小了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。

表3 監(jiān)測最大累積值及發(fā)生深度

為分析深度對墻體側(cè)向位移分布的影響，選取3個(gè)典型工況，增加6 m、16 m 的深度繪制墻體側(cè)移變形曲線見圖6。在6m 至12 m 深度范圍內(nèi)，墻體側(cè)向累計(jì)值隨著深度增加而增加。工況1、5、8 最大增加量分別為9.80 mm、12.37 mm、10.58 mm。在12 m至16 m 深度，累計(jì)值隨著深度的增加卻在減小。工況1、5、8 最大減小值分別為3.38 mm、8.24 mm、5.24 mm。

圖6 增加6 m、16 m 深度墻體側(cè)移累計(jì)值變形曲線

可見，墻體的側(cè)向側(cè)移在橫向上具有一定的空間分布規(guī)律，且不受開挖方式的影響，在數(shù)值上，隨著深度的增加而增加，超過12 m 深度時(shí)會(huì)隨著開挖深度增加而減小。主要由于在12 m 位置處，墻體受到上方較大的土體自重，自身抵抗變形的能力也在不斷增加，因此基坑墻體側(cè)移隨著深度的增加，圍護(hù)墻體更為穩(wěn)定，自身產(chǎn)生水平位移受到約束。因此，在開挖至12～13.5 m 范圍內(nèi)存在墻體側(cè)移累計(jì)值較大的情況，需要采取合理的監(jiān)測以及有效減小基坑側(cè)移變形的施工措施。

2.3 土體側(cè)移變形分析

圖7 為根據(jù)土體側(cè)移監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制的土體側(cè)移累計(jì)值變形曲線。各工況最大側(cè)移累計(jì)值及其發(fā)生深度見表3。

圖7 土體側(cè)移累計(jì)值曲線圖

圖7 土體側(cè)移累計(jì)值曲線圖

由圖5 變化曲線可以可看出，開挖A 區(qū)域期間，最大側(cè)移累計(jì)值位于工況1、2 的30、32 測點(diǎn)，分別為12.52 mm、13.68 mm，工況3、4 的26 測點(diǎn)，分別為15.96 mm、20.28 mm，同時(shí)隨著開挖工序的進(jìn)行，各測點(diǎn)的累計(jì)值逐漸增大。開挖B 區(qū)域期間，最大累計(jì)值位于24 測點(diǎn)，開挖C 區(qū)域期間，位于20 測點(diǎn)?？梢钥闯鐾馏w側(cè)移與墻體側(cè)移受基坑空間效應(yīng)的影響有相同的變化規(guī)律，均隨著開挖的進(jìn)行，影響范圍不斷向中部擴(kuò)大。也可以看出，基坑開挖過程中，基坑側(cè)移變化曲線分布形狀表現(xiàn)為，已施工范圍變化小，施工范圍變化大，未施工范圍幾乎不變，體現(xiàn)了開挖卸載的空間效應(yīng)，即受開挖施工影響最大的為開挖面附近的局部區(qū)域。

分析土體側(cè)移曲線工況1 至工況4 可以發(fā)現(xiàn)，A區(qū)域開挖期間，24 測點(diǎn)與34 測點(diǎn)皆小于中部測點(diǎn)累計(jì)值，表現(xiàn)出兩端小，中間大的變化規(guī)律，這與墻體側(cè)移的變形規(guī)律基本符合，均表現(xiàn)出顯著的基坑空間效應(yīng)?；娱_挖深度的增加使得基坑具有明顯的空間效應(yīng)，且土體與墻體側(cè)移沿基坑長邊表現(xiàn)的空間分布規(guī)律在總體上是一致的。原因在于，在土體開挖過程中，支撐的架設(shè)總是滯后于土體的開挖，使得墻體在支撐架設(shè)前就存在位移，而當(dāng)墻體發(fā)生位移時(shí)，坑外土體的原始平衡狀態(tài)被破壞，引起土體發(fā)生相應(yīng)的位移，并伴隨著墻體位移的發(fā)展而不斷變化。由表3 可見，墻體側(cè)移與土體側(cè)移的最大累計(jì)值數(shù)值與發(fā)生深度基本相同，由于土體側(cè)移的發(fā)展與墻體側(cè)移的發(fā)展具有緊密相關(guān)的聯(lián)系，所以根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形預(yù)測土體產(chǎn)生的側(cè)移變形，從而評(píng)價(jià)基坑開挖對周圍環(huán)境的影響具有重要意義。

2.3 墻體側(cè)移和土體側(cè)移特性分析

選取典型工況1、5、8、10，合并墻體側(cè)移與土體側(cè)移變形曲線見圖8。

圖8 典型工況墻體與土體側(cè)移合并曲線分析圖

工況1、5、8、10 的墻體與土體側(cè)移累計(jì)曲線，在變形趨勢、數(shù)值上均保持一致性，反映出土體會(huì)隨著墻體變形的性質(zhì)。但是在個(gè)別位置存在差異，有工況5 測點(diǎn)24、35 平均差值為6.69 mm、10.98 mm；工況8的B 區(qū)域，土體比墻體側(cè)移累計(jì)值平均大4.98 mm；工況10 測點(diǎn)34、35 平均差值為3.91 mm。可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)差值的區(qū)域均發(fā)生在B 區(qū)域，且均表現(xiàn)為土體側(cè)移大于墻體側(cè)移。原因在于B 區(qū)域施工時(shí)未及時(shí)將開挖土方運(yùn)出，而是堆積在基坑邊緣，從而導(dǎo)致坑外土體受荷過大，使得土體發(fā)生塑性變形，加之墻體發(fā)生回彈，將無法與墻體位移保持一致。

3 結(jié) 論

以杭州某長大基坑工程為研究對象，通過實(shí)測數(shù)據(jù)研究基坑施工過程中的空間效應(yīng)，提出以基坑安全性的保障措施。具體結(jié)論如下：

（1）由于長大基坑采取分區(qū)分段開挖，在空間效應(yīng)的影響下，其變形規(guī)律是有別于整體開挖基坑變形規(guī)律的，即不同開挖位置的基坑變形存在不同的變化，如長大基坑坑角位移明顯小于基坑中部，由于這種空間效應(yīng)的作用，使得基坑短邊中部側(cè)移值總是比長邊中部側(cè)移值小。

（2）由墻體側(cè)移與土體側(cè)移變形曲線具有的一致性可以看出，墻體側(cè)移的發(fā)展與土體側(cè)移的發(fā)展緊密相關(guān)，且均受到相同的空間效應(yīng)影響。在基坑開挖過程中，圍護(hù)墻體兩側(cè)土壓力不平衡導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的水平位移，從而帶動(dòng)土體產(chǎn)生水平位移，并且圍護(hù)墻體的位移狀態(tài)直接影響坑外土體的位移狀態(tài)，表現(xiàn)在土體最大側(cè)移累計(jì)值與同深度的墻體最大側(cè)移累計(jì)值基本保持一致。

（3）由于基坑采取分區(qū)分段開挖施工，先開挖中部基坑，中部結(jié)構(gòu)的建造對基坑整體變形有一定約束作用，從而減小基坑變形的風(fēng)險(xiǎn)?？赏ㄟ^加大支撐剛度、進(jìn)行合理坑底加固等措施，保障基坑安全。