复杂条件下深基坑施工变形控制及周边环境监测分析

贺 俊，杨 平，张 婷

(南京林业大学 土木工程学院，南京210037)

随着城市建设规模的不断发展，深基坑开挖工程越来越多，基坑开挖时产生的地层变形受到岩土特性、开挖面积、开挖深度、基坑形状、周边载荷和支护结构形式等诸多因素影响，带来的环境影响问题仍然是一项极具挑战性、高风险性、高难度的岩土工程技术热点［1］。当场地地质条件差异较大、周边建筑物密集时，深基坑开挖中的变形控制与现场监测工作显得尤为必要。本文结合江阴某深基坑工程实例，从围护结构设计、施工过程的信息化控制等内容出发，深入探讨复杂条件下深基坑施工的变形控制问题［2］。

1 工程概况

该工程位于江阴市人民医院东，北邻环城北路，东西长134.2 m，南北向宽50.0 m，主楼为框架—剪力墙结构，采用桩筏基础，总建筑面积7万 m2。基坑开挖深度主楼部分10.0 m左右、设备用房部分5.9 m。地基基础设计甲级，建筑结构安全等级为二级，地下室二级防水，工程安全等级为二级，抗震设防乙类。

1.1 工程地质概况

根据岩土工程勘测报告，场地内各岩土分为9个土层，开挖深度范围主要为:①杂填土，松散，厚度1.6～4.5 m;②粉质黏土，软塑 ～可塑，具中等压缩性，层厚0～1.7 m;③淤泥质粉质黏土，流塑状态，高压缩性土，分布于拟建区中部，层厚0～10.9 m;④粉质黏土，可塑状态，主要分布于软土区，层厚0～1.9 m;⑤粉质黏土，可塑～硬塑状态，具中等压缩性，软土较深处缺失，层厚0～7.2 m。

工程勘察报告指明基坑开挖范围内的土层渗透性较低，是良好的不透水层，对基坑开挖影响不大。

1.2 周边环境概况

该工程位于市区，由密集分布的建筑物和城市主干道包围:东、南为6层民宅区，砖混结构，天然基础，距基坑支护结构外侧最近为6.9 m;西侧紧靠14层的原病房大楼，一层地下室距基坑仅2.4 m;西北侧为7层后勤楼，天然基础，距基坑仅2.8 m;北侧为环城北路，距基坑12.1 m;场地内无重要地下管线，仅在北侧环城北路一带分布有雨水、电力等市政管线，其距离基坑一倍开挖深度以外。根据土质情况分析，当围护结构不失效或者无突发流砂的情况下，可认为基坑开挖对管线不造成影响。本基坑工程周边环境如图1所示。

图1 基坑周边环境

1.3 围护结构设计方案

基坑实际开挖深度10 m左右，周边建筑物和土质情况差别较大，考虑经济性原则下围护结构设计按照不同分段进行，大部分段位采用φ700@1 000 mm钻孔灌注桩支护形式，将基坑周边分为 A—B、B—C、C—D、D—E、E—F、F—A六段，每段的支护形式如表1所示。

在支撑体系设计中，考虑到在暗河软土段，如果采用锚杆，需要锚杆有很长的长度才能保证足够的锚固力，并且由于软土流变特性明显，锚杆内力将随时间的发展而衰减，隐患较大，因此采用内支撑对撑形式。如果采用两道内支撑，则挖土不便，因此采用一道钢筋混凝土内支撑，同时基坑东侧南北角采用角撑。

表1 基坑各段支护结构形式

1.4 基坑开挖重点

根据工程实际情况，确定本基坑开挖有以下几个重点:

1)本基坑平面大，周长长，形状不规则，开挖深度存在高差，空间效应比较明显，尤其应慎防侧壁中段变形过大。

2)基坑局部有软土分布，深度由北向南逐渐变深(北面5.0 m，南面14.0 m)，该区域内的软土具有很强的流变性，时空效应明显，是基坑开挖的重点之一。

3)基坑位于市区内，周边分布建筑物和城市主干道，如产生问题影响很大。

4)各侧壁具体情况还有不同，如有的侧壁距离房屋很近，有的侧壁则比较空旷，基坑设计根据不同的周边环境及地质条件进行设计，以实现“安全、经济、科学”的设计目标;特别是D—E段14层老病房大楼距离基坑极近，采用天然基础，基底以下开挖深度近7 m，是本次基坑开挖的重中之重。

5)基坑有东西向后浇带，与混凝土横支撑方向垂直，将基坑南北向划分为3块，基坑南侧建筑物密集，在支撑拆除过程中，如何实现该底板的换撑作用，控制支护结构的变形，是本工程的关键。

总之，本基坑工程开挖部位土质大部分较好，中段有一段淤泥质软土，周边建筑物密集且离基坑壁非常近，现场施工场地狭小加之工期较紧(2008.12—2009.7)，施工过程中变更很多，这就增加了施工的复杂性，由此基坑监测工作尤为重要。

2 监测数据结果分析

基坑开挖过程中监测内容分两部分:

1)基坑围护体系监测包括:①深层土体位移，布测斜管14根;②桩顶水平位移，布24点;③混凝土支撑轴力，布混凝土应变计3点。

2)周边环境监测包括:①周边建筑物沉降，布沉降点46点;②周边道路沉降，布沉降点14点［3］。

2.1 基坑稳定性监测

基坑从2008年12月1日从东侧由南向北开挖到2009年7月11日地下室主体结构施工完成，在整个施工过程中，基坑的变形主要与土质状况、周边荷载和现场施工有关，集中在两处:①B—C段，暗河段淤泥质粉质黏土且后浇带东西向分布处;②D—E段，老病房大楼处。

图2、图3所示分别为B—C段深层土体水平位移监测点以及混凝土支撑轴力的变化情况，测点正好处于暗河段，从2008年12月3日开挖到12月23日挖到基底高程位置，水平位移最大变形在基底高程附近9 m深处为9.3 mm。变形较大原因是:现场施工场地狭小，挖土没按分层分段、先中间后四边、对称开挖的原则进行，有超挖现象，加之暗河段软土区流变，导致水平位移变形较快，支撑轴力在开挖初期变化很快，从－720 kN猛增至－1 900 kN(负值表示受压)，鉴于以上产生的变形和轴力较大，要求施工单位加快施工进度，底板基础在2009年1月17日浇筑完毕，其后到3月9日中板浇筑完毕期间，轴力变化较稳定，水平位移变形不大，但变形最大处由10 m深处上升到6 m深处，原因是基础底板浇筑后，基底处起到支撑作用。

图2 CX09测点深层土体水平位移

图3 Z1测点混凝土支撑轴力

此段基坑施工中最大的险情为:原设计方案中混凝土支撑体系是一次全部拆完，但由于东面施工进度较快，支撑分两次拆除(后浇带分布如图1)，3月19日开始拆除东面角撑和一道横撑，拆撑顺序是先横撑再角撑。考虑到周边建筑物离得较近，在中板与支护桩间浇筑混凝土传力块换撑，水平间距3 m。拆除前后水平位移最大变形处由6 m深处上升到3 m深处，位移 达 8.1 mm，支 撑 轴 力 从 －1 800 kN增 至－2 400 kN超过报警值 －2 280 kN。变形较大原因在于:①所拆横撑地处暗河段软土区;②基础底板南北向中间留了2条东西向后浇带，底板被分割成3小块，支撑拆除后一侧土压力由小块基础底板承担;③拆撑速度过快，只有3 d。5月17日第二次支撑拆除，测得剩下横撑轴力达到－2 150 kN，水平位移累计变形也达到了20.5 mm，吸取第一次拆撑经验，在基础底板后浇带与原传力块同一轴线处浇筑混凝土传力块，使底板能够形成整体受力，同时放慢拆撑速度，加强监测频率，经实测支撑拆除前后水平位移最大仅4.5 mm，相对第一次拆撑变形大为减小，表明该措施有效地控制了支护结构变形［4］。

7月11日东侧顶板浇筑后两个月，CX09测点变形稳定不再变化，总变形为26.6 mm，基坑支护设计是10 mm，超过设计值的原因在于:挖土没按规范进行，拆撑过程由一次变更成两次，基坑暴露时间远超过设计值。

图4所示为D—E段深层土体水平位移监测点变化情况，测点处于老病房大楼与西侧基坑壁间，从3月15日开挖到3月26日挖掉第一层土，水平位移变形为4.3 mm，4月10日开挖到基底高程位置，最大变形在基底高程附近8 m深处为9.8 mm，整个土方开挖期间天气晴好，但在做垫层浇筑基础底板之前，基坑暴露期间有过几场暴雨，施工单位未及时排水，变形一度达到0.5～1.0 mm/d，到4月27日底板浇筑结束位移较大，为14.4 mm。为此在浇筑中板时变更设计，在支护结构和主体结构之间浇筑传力块，水平间距3 m，同时加快施工进度，传力块浇筑后水平位移变形明显减缓，到5月26日顶板浇筑结束，变形为18.8 mm，其后一个月变形趋于稳定，仅变形0.7 mm。

图4 CX13测点深层土体水平位移

老病房大楼是本次基坑工程的重中之重，采用多种支护形式复合支护，水平位移设计值为10 mm，最终达到19.5 mm，超过设计值分析原因有二:①病房大楼荷载很大离基坑又近，基坑暴露在外时曾被雨水浸泡［5］;②基坑设计时病房大楼基础虽与支护结构植筋在一起并且设一道锚索，并未重视到病房大楼有整体向基坑内滑移的可能性。但传力块浇筑后效果较好，建议今后类似工程采用内支撑形式更为合理［6］。

2.2 周边环境监测

图5为基坑周边部分建筑物及地表监测点随施工工况的沉降变化，周边各点沉降主要发生在土方开挖到底板浇筑期间，之后各点变形趋于稳定。其中东南侧建筑物沉降较大，达到13.3 mm，原因在于:此建筑物正好处于暗河段软土区，土方开挖后由于软土的流变作用，土体向基坑内挤压，在开挖到基底后由于基坑开挖的时空效应，加上软土的蠕变特性，导致该处沉降较大。北侧道路沉降7.3 mm，沉降贯穿于整个地下室主体结构施工过程，这是由于施工场地狭小，北侧是现场唯一的车辆出入口，加之材料堆放，所以沉降主要由车辆动荷载和周边堆放荷载引起［7］。其它建筑物沉降较小，这与设计时不同段位采用不同支护结构起到的良好支护效果分不开。

图5 周边建筑物沉降

3 结语

1)遵循“安全、可靠、经济”的设计原则，根据复杂的地质条件和周边环境条件在不同段位采取不同的支护形式是可行的。

2)基坑开挖程序必须严格按设计要求施工，采取分层、分块、对称、平衡的开挖方式，施工过程中应加强施工管理和监督，避免由于工序安排不当造成基坑变形过大甚至出现险情。

3)当后浇带方向与混凝土横支撑垂直时，在后浇带中设混凝土传力块能很好地控制换撑前后支护结构的变形。

4)紧邻非桩基建筑物基底下开挖，冠梁与基础植筋加下设一道锚索对支护结构及建筑物控制变形效果不明显，建议今后类似工程设计时采用内支撑形式更为合理。

5)施工中应严格控制软土区开挖后的暴露时间，及时浇筑基础底板，利用自重荷载使坑内土体反压和支撑的刚度来降低开挖卸荷引起的土体侧移和地表沉降。

［1］高华东，孙家乐，张钦喜.深基坑变形控制设计［J］.地质科技动态，1997(增):90－97.

［2］高华东，霍达，陶连金.北京光彩大厦深基坑开挖现场监测与理论分析［J］.地下空间与工程学报，2005，1(3):423–427.

［3］李青林，刘军，贺美德.地铁车站基坑变形规律及施工控制方法［J］.市政技术，2005，23(4):215 －217.

［4］肖武权，冷伍明，律文田.某深基坑支护结构内力与变形研究［J］.岩土力学，2004，25(8):1271－1274

［5］廖鸿雁.珠海广场地铁车站基坑施工监测数据的研究分析［J］.世界隧道，2000，37(5):23 －27.

［6］李建峰，曾永祥，王秀红.桩、锚、喷三结合支护深基坑［J］.西安科技大学学报，2005，25(1):21－23

［7］孙凯，许振刚，刘庭金，等.深基坑的施工监测及其数值模拟分析［J］.岩石力学与工程学报，2004，24(2):293 －298.