复杂施工条件新近吹填软土基坑开挖监测与分析

刘科良，刘晓辉

复杂施工条件新近吹填软土基坑开挖监测与分析

刘科良1，刘晓辉2

（1.中国港湾工程责任有限公司，北京100027；2.中交天津港湾工程设计院有限公司，天津300461）

结合某地临近港区主航道的基坑开挖工程，基于典型吹填土的工程地质特点及相应的设计与施工方案，深入探讨了基坑支护结构及监测方案，介绍了监测点的布置、监测项目与所采用的监测预警值。根据工程实测结果，从支护结构内力、地下连续墙侧向位移、周边地表沉降等方面，分析了基坑开挖本身的安全及对周边环境的影响，应用有限元软件中的小应变模型对基坑开挖后的坑底隆起量进行预测。结果分析可知，复杂施工条件下的基坑开挖监测可有效保证支护结构以及基坑本身的安全性。

基坑工程；吹填土；工程监测；沉降位移

0 引言

近年来，我国大力发展基础设施建设，出现了很多施工条件复杂的基坑工程[1-3]，只有对基坑支护结构、基坑周围的土体和相邻的建筑物进行系统、全面地监测，才能确保工程施工的顺利进行[4-6]。

本文结合某项目码头及陆域形成工程取水口工程基坑开挖监测实例，介绍了新近吹填土的超软土地基现场监测点的设计、监测仪器的安放、开挖过程中的实时监测频率、监测预警值的确定及监测预报等工作内容。同时注重对异常数据进行综合分析，及时与施工单位沟通，当监测值接近警戒值时立即发布报警信息，提出处理方案，有效保证了施工现场和周围环境的安全[7-8]。

1 工程概况

1.1 基坑支护设计

某工程拟建基坑工程面积约1 884 m2，基坑深度约14.00 m。基坑采用明挖顺做法施工，支护结构为地连墙支护，内部采用3层钢支撑，钢支撑通过围檩与地连墙相接，支撑间通过灌注桩和钢抱箍相接。地连墙平面形状为近似三角形，地连墙深度25.5 m，宽1.2 m。基坑开挖范围内土层以吹填砂为主，下部为粉质黏土层局部夹淤泥质黏土层。

1.2 工程地质条件

工程区域内地层为第四纪海相沉积层与陆相沉积层，以海相沉积为主，沉积韵律较明显，新近沉积土层较为松散软弱，土层的强度从上至下逐渐增大。根据钻探资料揭示，海域上部地层主要由软弱的淤泥、淤泥质粉质黏土、粉土及粉质黏土组成，下部地层为密实粉细砂、粉质黏土及黏土，具有典型的新近吹填土软土地基特性。陆域区主要分布着人工填土、粉细砂及粉质黏土。

基坑开挖范围内主要以人工吹填土（Q4ml），淤泥（Q4m）为主，下部为粉质黏土层（Q4m）局部夹淤泥质黏土层。地连墙底进入粉细砂（Q3m）层。

人工吹填土层（Q4ml）：灰黄色，饱和，松散~稍密状态，局部密实；以细砂为主，颗粒较均匀，含少量贝壳屑；主要分布在陆域地层内，分布较均匀，平均层厚6.30 m；平均标准贯入试验击数N=7击。

淤泥层（Q4m）：灰色，饱和，流塑状态；含少量腐植物，局部间砂或夹薄层粉砂，呈分布厚度均匀、连续稳定，平均层厚4.70 m。

2 现场监测

2.1 监测目的

在基坑开挖工程的施工期，为了掌握地层和围护结构的状态，以及施工对既有建、构筑物的影响，须对现场进行监控量测。通过对监测数据的整理与分析，及时确定相应的施工措施，确保施工工期、基坑和既有建筑的安全，实现基坑施工动态监控。

1）轴力与位移计算

为合理选择布置检测仪器的位置和检测设备的量程。应用GEO5岩土工程软件对开挖基坑开挖过程中进行应力以及位移计算。深基坑开挖支护分析模块采用弹塑性共同变形法分析各种基坑支护结构，共同变形法模型中，坑外土压力也随结构的变形而变化，因此，可以更准确地模拟施工过程中结构的变化情况，包括结构的位移、内力，支撑的支撑力等。

基坑深度共14 m，分为3次开挖，支撑分别布置在3 m、7 m和11 m。本次计算目的旨在对仪器布置的位置和可能出现的最大值进行预估，根据基坑开挖最终状态的应力应变计算结果，三层支撑轴力出现的最大值约为10.25 kN、107.7 kN和60.2 kN，最大侧向位移产生在地连墙的顶部，约为111.5 mm。

2）基坑开挖坑底隆起有限元模拟

随着超深超大基坑工程的应用越来越多，基坑开挖回弹变形问题日益突出。但由于回弹变形影响因素的复杂性和现有观测方法的局限性，一定程度上限制了对回弹变形问题的深入研究。目前基坑回弹观测多采用JGJ 8—2007《建筑变形测量规范》规定的方法进行观测，这种方法已历经工程实践，方法成熟，观测结果可靠，但采用此方法在实际工程中干扰因素多。

本文利用有限元软件PLAXIS3D对此工程断面进行模拟仿真。在模拟仿真过程中采用小应变土体硬化模型，支撑采用梁单元，地连墙采用板单元进行模拟，计算工程按照施工步骤进行模拟，由于文章篇幅有限，在此只对最终状态进行说明。此次建模参数采用本工程地质勘察报告建议值，根据模拟仿真结果可知，在土体开挖的最终状态下，坑底的中心位置变形最大，坑底回弹量将达4 cm，且坑底及地连墙的位置都是应力集中的重点位置。

在基坑开挖工程中，基坑变形对基坑自身以及周围环境影响很大，如何准确预测基坑地表沉降、基坑底部回弹在开挖每一过程中的变形，对于给出合理的设计方案、节约工程造价、保证基坑自身安全以及减小对周围环境的影响都具有非常重要的意义。

2.2 监测内容及测点布置

根据实际工程需要以及应力和位移的计算，本项目监测内容主要包括地连墙竖向位移和水平位移、地连墙内部水平位移、土体深层水平位移、支撑轴力、支撑立柱位移、地下水位、基坑周边土体沉降观测（见图1）。基坑工程安全等级为二级，支护结构安全等级为二级，监测频率一般为1次/d。

2.3 基坑开挖监测预警指标与报警

设计提出的基坑监测报警值标准见表1。

图1 监测仪器平面布置示意图Fig.1Layout plan of monitoring instrument

表1 基坑监测报警值汇总表Table 1Summary of alarm value of foundation pit monitoring

当基坑位移达到预警值时，及时通知建设单位、监理单位及施工单位，以便提前采取措施，确保工程安全。

3 监测结果分析

监测分为4个阶段，分别为监测开始至第一层开挖结束为第一阶段，第一层开挖结束到第二层开挖结束为第二阶段，第二层开挖结束到第三层开挖结束为第三阶段，第三层开挖结束到监测结束为第四阶段。施工和监测阶段的划分可以更好地分析开挖施工对临近地基与结构的影响。

3.1 地连墙顶面竖向位移监测

部分监测点竖向位移监测结果见图2。

图2 基坑监测竖向位移时间曲线Fig.2Vertical displacement-time curve of foundation pit monitoring

监测第一阶段，地连墙各监测点竖向位移累计值在1~7 mm之间，最大位移速率在1.0~3.0 mm/d之间，均未超过预警值；第二阶段，位移点QC-10累计竖向位移为32 mm，达到预警值，位移点QC-4、QC-7、QC-8最大位移速率分别为4.0 mm/d、5.0 mm/d、6.0 mm/d，超出预警值4.0 mm/ d；第三阶段，位移点QC-6、QC-7、QC-10累计竖向位移分别为34 mm、59 mm、42 mm，均超过预警值，位移点QC-5、QC-7、QC-8最大位移速率均分别为-4.0 mm/d、4.0 mm/d、4.0 mm/d，达到预警值；第四阶段，位移点QC-6、QC-7、QC-8、累计竖向位移分别为42 mm、77 mm、42 mm均超过预警值，位移点QC-6、QC-7、QC-8最大位移速率分别为4.0 mm/d、5.0 mm/d、4.0 mm/d，超出预警值，其余各监测点均未超过预警值。

3.2 地连墙水平位移监测

1）地连墙顶面水平位移监测部分监测点监测结果见图3。

图3 基坑监测水平位移时间曲线Fig.3Horizontal displacement-time curve of foundation pit monitoring

第一阶段，QX-6、QX-7、QX-8监测点最大水平位移速率分别为13.03 mm/d、7.90 mm/d、7.79 mm/d，超出报警值，其余测点均未超过累计水平位移56 mm及位移速率4.0 mm/d的预警值；第二阶段，QX-7监测点累计水平位移为81.93 mm，超出报警值，QX-2、QX-6、QX-7、QX-8监测点最大水平位移速率分别为4.26 mm/d、7.49 mm/d、13.86 mm/d、9.46 mm/d，超出预警值；第三阶段，QX-7、QX-10监测点累计水平位移分别为92.02 mm、58.21 mm，超出预警值，QX-5监测点最大水平位移速率为4.21 mm/d，超出预警值；第四阶段，QX-7、QX-10监测点累计水平位移分别为106.22 mm、73.36 mm，超出报警值，QX-7监测点最大水平位移速率为-4.43 mm/d，超出预警值，其余测点均未超过预警值。

与基坑开挖前所做的模拟仿真基坑开挖最终状态的应力应变计算结果对比可知，基坑开挖最终状态地连墙顶面水平位移计算结果约为111.5 mm，最大侧向位移的计算值与工程实际的监测值相比偏大，这是由于在进行位移有限元计算时，软件进行了诸多假设所导致的，在以后的位移有限元计算中，应该按照监测数据对原有的计算模型进行修正。

2）地连墙深层水平位移监测

整个基坑开挖施工地连墙各深层水平位移监测点累计位移量在7.38~106.22 mm之间，QX-7、QX-10监测点累计位移分别为106.22 mm、73.36 mm，超出报警值≤70 mm（报警），各点最大位移速率在-4.43~3.63 mm/d之间，QX-7监测点最大位移速率为-4.43 mm/d，超出预警值4.0 mm/d（预警），其余测点均未超过。

3.3 基坑周边土体监测

1）基坑周边地表沉降监测

第一阶段，基坑周边地表沉降监测点累计沉降量在1.0~7.0 mm之间，最大沉降速率在1.0~2.0 mm/d之间；第二阶段，各监测点累计沉降量在0.0~35.0 mm之间，最大沉降速率在2.0~5.0 mm/d之间；第三阶段，各监测点累计沉降量在1.0~ 42.0 mm之间，最大沉降速率在2.0~3.0 mm/d之间；第四阶段，各监测点累计沉降量在8.0~51 mm之间，最大沉降速率均为2.0 mm/d。

在整个基坑施工期间，基坑周边地表沉降监测点最终累计沉降量在8~51 mm之间。施工过程中沉降速率最大值在2.0~5.0 mm/d之间。根据TC-1观测数据绘制基坑周边地表沉降-时间关系变化曲线见图4。

图4 基坑监测周边地表沉降时间曲线Fig.4Surrounding ground settlement-time curve of foundation pit monitoring

2）基坑周边土体深层水平位移监测

根据设计要求，在基坑四周规定的位置布设土体深层水平位移观测点，用以监测施工期间基坑周边土体深层水平位移情况。埋设深度为27 m，测量仪器采用多段式测斜仪。

第一阶段，基坑周边土体各深层水平位移监测点累计位移量在-1.80~25.37 mm之间，最大位移速率在-0.72~10.05 mm/d之间，TX-3、TX-4监测点最大位移速率分别为5.87 mm/d、10.05 mm/d，超出报警值；第二阶段，基坑周边土体各深层水平位移监测点累计位移量在-4.31~78.16 mm之间，TX-3、TX-4监测点累计位移分别为78.16 mm、65.77 mm，超出报警值，TX-3、TX-4监测点最大位移速率分别为20.32 mm/d、10.87 mm/d，超出报警值；第三阶段，基坑周边土体各深层水平位移监测点累计位移量在-4.54~94.89 mm之间，TX-3、TX-4监测点累计位移分别为94.89 mm、73.41 mm，超出报警值，TX-2、TX-4监测点最大位移速率分别为-3.28 mm/d、3.38 mm/d，超出预警值；第四阶段，基坑周边土体各深层水平位移监测点累计位移量在3.39~103.53 mm之间，TX2监测点累计位移为49.23 mm，超出预警值，TX-3、TX-4监测点累计位移分别为103.53 mm、83.82 mm，超出报警值，TX-3监测点最大位移速率为6.29 mm/d，超出报警值。

3.4 基坑钢支撑观测结果

1）钢支撑轴力观测结果

根据设计要求，在基坑钢支撑上指定位置布设轴力计，钢支撑共3层，每层布设10支轴力计，用以监测基坑施工期间基坑钢支撑受力变化情况。

第一阶段，基坑地连墙第一层钢支撑所受轴力在1.9~87.1 kN之间，未超过≤2 000 kN/根的预警值；第二阶段，第一层钢支撑所受轴力在8.8~ 432.8 kN之间，第二层钢支撑所受轴力在18.7~ 108.9 kN之间，均未超过≤2 000 kN/根的预警值；第三阶段，第一层钢支撑所受轴力在2.6~487.3 kN之间，第二层钢支撑所受轴力在3.0~100.7 kN之间，第三层钢支撑所受轴力在33.4~120.6 kN之间，均未超过≤2 000 kN/根的预警值；第四阶段，第一层钢支撑所受轴力在5.2~651.8 kN之间，第二层钢支撑所受轴力在6.1~127.2 kN之间，第三层钢支撑所受轴力在29.2~139.4 kN之间，均未超过≤2 000 kN/根的预警值。

与基坑开挖前模拟仿真基坑开挖最终状态的应力应变计算结果对比可知，基坑开挖最终状态下三层支撑轴力可能出现的最大值约为10.25 kN、107.7 kN和60.2 kN，支撑轴力的最大值均在实测值范围内，且未超过监测最大值。根据实测值结果分析，利用软件分析轴力最大值明显偏小，这是由于在施工过程中机械及人员流动荷载的存在，导致轴力在某一范围内波动。而计算软件计算出的轴力只是在某一特定工况或者状态下的最大力，这与监测结果不同。

2）钢支撑立柱位移观测结果

第一阶段，基坑钢支撑立柱各监测点南北向累计位移在-2.0~2.0 mm之间，东西向累计位移在-2.0~2.0 mm之间，垂直向累计位移在0~2.0 mm之间，最大位移速率在-2.0~2.0 mm/d之间，未超出预警值；第二阶段，各监测点南北向累计位移在-4.0~10.0 mm之间，东西向累计位移在-14.0~13.0 mm之间，垂直向累计位移在0~2.0 mm之间，最大位移速率在-4.0~4.0 mm/d之间，其中ZW-4点东西向最大位移速率为-4.0 mm/d，ZW-5、ZW-8点南北向最大位移速率均为4.0 mm/d，均已达到报警值；第三阶段，各监测点南北向累计位移在-2.0~22.0 mm之间，东西向累计位移在-12.0~14.0 mm之间，垂直向累计位移在0~3.0 mm之间，最大位移速率在-3.0~4.0 mm/d之间，其中ZW-4点东西向最大位移速率为4.0 mm/d，已达到4.0 mm/d报警值，其余各点未超出累计位移32 mm及位移速率3.2 mm/d的预警值；第四阶段，南北向各监测点累计位移在0.0~29.0 mm之间，东西向累计位移在-17.0~22.0 mm之间，垂直向累计位移在0~2.0 mm之间，最大位移速率在-4.0~3.0 mm/d之间，其中ZW-7点南北向最大位移速率为-4.0 mm/d，已达到4.0 mm/d报警值，其余各点未超出累计位移32 mm及位移速率3.2 mm/ d的预警值。

4 结语

本工程在基坑开挖过程中采取了地连墙沉降及顶面位移、地连墙内部水平位移、土体深层水平位移、支撑轴力、支撑立柱位移、基坑周边土体沉降观测等多指标综合监测技术。

在布置检测仪器之前，对基坑开挖进行有限元仿真，计算出可能出现的应力过大或者位移较大区域，并对此区域进行仪器布置后重点进行观测，并加大观测频率，以保证施工安全。

在基坑开挖初期，基坑周边进行打桩施工，在土体自重、打桩震动荷载及其对土体的挤密效应的联合作用下，基坑四周多个测点指标超过报警值。当达到预警值时，根据现场实际情况增加监测频率，并在后续观测中加密观测；及时汇报并请相关参建单位引起注意；对监测数据分析，找出原因并提出建议，避免基坑失稳。

监测结果表明，基坑各项监测指标稳定，基坑整体处于稳定状态，该基坑设计方案是合理可行的。

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Monitoring and analysis on foundation pit excavation under complicated conditions of newly soft dredger fill

LIU Ke-liang1,LIU Xiao-hui2
（1.China Harbour Engineering Co.,Ltd.,Beijing 100027,China; 2.Tianjin Port Engineering Design&Consulting Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China）

Combined with a foundation pit excavation project near the main channel of a port area,based on the engineering geological characteristics and corresponding design and construction plan of typical dredger fill,we discussed the supporting structure and monitoring scheme of the foundation pit,and introduced the layout of monitoring points,items and the predetermined warning values.According to the monitoring results,we analyzed the excavation security and the influence on the surrounding environment from the aspects of support structure internal force,lateral displacement of diaphragm wall and surrounding ground settlement,and used the small stain model in finite element software to predict the heave amount after excavation.The results show that the excavation monitoring under complicated conditions can ensure the safety of supporting structure and the foundation pit.

foundation pit engineering;dredger fill;engineering monitoring;settlement and displacement

U655.544

A

2095-7874（2017）08-0047-06

10.7640/zggwjs201708011

2017-03-02

2017-05-13

刘科良（1977—），男，湖南邵阳人，工程师，建筑工程专业。E-mail：liulianke@126.com