深厚软土地层中深基坑支护结构变形分析与应对措施

秦泳生

（广州市设计院 广州 510620）

在深厚软土地区进行深基坑开挖，往往存在较大的安全风险，本文拟从设计角度分析某深基坑施工过程中基坑变形的原因及特点，阐述在施工过程中采用的成功措施，并通过基坑监测数据的分析总结经验，指导后续基坑土方开挖作业，进一步保障基坑安全。

1 工程概况

1.1 周边环境

某基坑总长209.00 m，宽度为19.70 m，深度约为17.58 m，如图1所示。

图1 基坑总平面Fig.1 Foundation Pit Plane

主体基坑周边最近的建筑物为村民民房（3A），距离为50 m，在两倍基坑深度范围以外。基坑周边均为荒地及鱼塘，无地下市政管线。

1.2 工程地质条件

图2为地质纵剖面图，地质从上至下土层分别为：〈1-1〉素填土、〈2-1〉淤泥质土、〈2-2-1〉淤泥质粉细砂（或〈2-3〉中粗砂）、〈2-1B〉淤泥质土、〈2-2〉淤泥质粉细砂、〈3-4〉圆砾（或〈3-5〉卵石）、〈7-2〉强风化岩、〈8-2〉中风化岩。基底位于〈2-1B〉淤泥质土层，连续墙底位于〈8-2〉中风化岩层中。本工程地下水位埋深较浅。每年4～10月为雨季，大气降雨充沛，水位会明显上升，而在冬季因降水减少，地下水位随之下降，水位年变化幅度为2.5～3.0 m。实测钻孔静止水位埋深为0.80～3.00 m，平均埋深为1.42 m。

图2 基坑地质纵剖面Fig.2 Foundation Pit Geological Longitudinal Section

土层物理力学参数如表1所示。

本基坑安全等级为一级，基坑侧壁重要性系数为1.1，变形控制保护等级为一级。围护结构设计使用年限为2年。主体结构采用明挖顺作法施工，基坑挡土结构采用800 mm 厚地下连续墙加内支撑的支护形式，其中要求进入中风化岩层不少于1.5 m。基坑开挖前采用基坑内深井降水，地下连续墙兼作止水帷幕。

围护结构标准段采用3道支撑：第1道混凝土八字撑（主撑 700 mm×900 mm+肋撑 500 mm×700 mm），第2道混凝土八字撑（主撑1 000 mm×1 200 mm+肋撑800 mm×1 000 mm），第3道支撑为钢支撑（φ 609，t=16 mm）；两端盾构扩大头采用3道混凝土支撑：第1道混凝土支撑（700 mm×900 mm），第2道～第3道支撑（800 mm×1 000 mm）。

表1 土层物理力学参数Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Soil

基底采用三轴搅拌桩进行抽条加固，加固深度为4 m，搅拌桩实桩水泥掺量不应小于22%，空桩水泥掺量不应小于8%，加固后桩体无侧限抗压强度不低于0.8 MPa，作为基底下的一道支撑体系，控制连续墙变形（见图3、图4）。

图3 基底加固平面图Fig.3 Foundation Pit Reinforcement Plan

图4 基坑标准段地质横剖面Fig.4 Geological Section of Standard Section of Foundation Pit

2 现场施工情况与连续墙变形情况及分析

本基坑的深厚淤泥质土层基本位于基底以下，基底以上基本为淤泥质粉细砂层，在第2道支撑以下的土方开挖前，围护结构深层水平位移实测值（见图5）基本与理论计算值相同，但从第2道支撑开始往下到底板土方开挖时，实测基坑变形值与理论计算值差异性逐渐显现。

图5 基坑监测变形图Fig.5 Foundation Pit Monitoring Deformation Map

本基坑从第2道支撑到第3道支撑土方开挖期间，连续墙深层水平位移最大累计值达到10～20 mm，变形速率基本维持在3～10 mm/d，均大于现行规范［1-3］的要求，且变形最大位置位于基坑底部，在开挖的2 d内坑底位置连续墙累积变形迅速达到70 mm，变形速率基本维持在5～20 mm/d，对基坑安全造成严重影响［4］。

3 理论计算与实测数值分析

针对变形远远超过计算变形值，为研究深厚软土情况下的变形情况，对设计输入进行分析。

监测数据显示当基坑开挖完第3层土方，并架设完成第3道钢支撑工况下，基坑东端连续墙发生的最大变形点为ZQT11，位于21 轴位置，此工况下当时连续墙最大变形已经达到102.50 mm，与原理论计算值相差很大，因此首先对原设计参数进行复核。

3.1 原设计计算

连续墙最大变形ZQT11 对应钻孔为SK-08，原设计计算〈2-1B〉淤泥质土层参数采用勘察报告直接快剪值（粘聚力 c=9.0 kPa，内摩擦角 φ =5°，m=4）进行设计。内力位移包络如图6a 所示。

根据上述计算结果，对应开挖到第3道支撑的工况下连续墙计算位移值为19.38 mm，架设第3道支撑后计算位移值为18.93 mm，复核计算结果均小于目前实测值102.50 mm。

3.2 参考宁波地区参数对比分析

结合国内其他软土地区［5-6］经验，宁波地区软土地层与本项目地质情况相类似，根据宁波地区的某基坑详勘报告，淤泥层的内摩擦角φ=8.5°（固结快剪参数），粘聚力c=14.4 kPa，标贯实测击数为1，m 值为2.03。

对软土层采用宁波地区的参数进行计算，理论计算开挖至第3道位置，未架设第3道钢支撑作用下，连续墙变形为29.45 mm，架设完第3道钢支撑后，连续墙变形为28.97 mm，低于连续墙目前最大变形102.50 mm。

内力位移包络计算结果如图6b 所示。

图6 内力位移包络图Fig.6 Envelope Diagram of Theoretical Calculation of Internal Force Displacement

3.3 反设计与现场监测数据对比分析

由于基坑的变形远远大于设计值，为保障基坑安全，预判基坑可能发生的位移值，对基坑监测数据进行反分析［7］，利用同济启明星对已有的监测数据进行反设计，分析得出〈2-1B〉淤泥质土层的m 值反分析值为0 MN/m4（此时土层等效于水），此计算结果计算出来的支护结构水平位移最大值为92.7 mm，远小于现场实测值，且不符合土力学的理论，故认为m 值并非造成基坑变形过大的主要原因。启明星反设计拟合数据结果如图7a 所示。

另外，基坑变形的结果显示最大位移发生下底板以下约5 m 位置，与常规基坑设计出现的最大变形在基坑底部的计算结果不符，因此对坑底加固土的加固效果作为分析对象，在不考虑基底加固土的作用下，启明星的反设计计算结果如图7b 所示，其变形与实测情况趋势相同。此时淤泥质土层的反分析值为m=0.22 MN/m4，说明基地加固土并未达到预期效果。

图7 位移与基坑深度关系图Fig.7 Displacement Variation with Pit Depth

4 基坑变形应对措施

从基坑的变形情况及数据分析结果，可以认为主要原因是由于本项目淤泥质土地层稳定性较差，淤泥质土层触变性强，开挖后主动土压力集中释放，连续墙变形速率较大，且基本在开挖2 d 内完成主要变形。另一方面基底加固土未达到有效的支顶作用，为保障基坑安全，抵消基底加固土的实效作用，要求施工单位立即组织架设钢支撑，并在连续3 d 监测速率稳定后，进行实施试验性开挖，目的为确定连续墙最终位移值，以指导后续施工，并将变形控制值放宽到80～100 mm。

通过试验段的开挖，发现在深厚软土地层条件下，最大变形出现在第3道支撑～基坑底部土方期间，具体情况为：在开挖第1～2道支撑土方（开挖深度7～8 m），连续墙深层水平位移最大累计值为10～35 mm；开挖第2～3道支撑土方（开挖深度 11～13 m），最大累计值达到30～100 mm，开挖期间变形速率达到3～10 mm/d；开挖第3～基坑底部土方（开挖深度16～18 m），最大累计值达到100～200 mm，开挖期间变形速率达到5～20 mm/d，个别点位达到40 mm/d。连续墙变形最大位置在开挖面以下3～5 m。最大变形位移曲线如图8所示。

试验段监测数据显示基坑在第3道支撑～基坑底部土方开挖期间连续墙存在变形过大的风险，为保障工程安全，实施过程中要求施工单位严格按照方案［8，9］，开挖过程中分别采用在第3道钢支撑及底板之间增设一道临时钢支撑、增设基底素混凝土支撑、坑外降水等措施控制变形，如图9、图10所示。

通过分析试验段的监测数据，后续施工过程中严格控制开挖跨度，第一时间架设钢支撑、施加基底以下地梁，纵观整个基坑开挖过程，地梁很好的发挥了基底支撑的作用，使基底变形出现反弯点，基坑变形趋于稳定，变形速率在0.8～1.5 mm/d。连续墙变形情况如图11所示。

图8 试验段累计位移曲线图Fig.8 Cumulative Displacement Curve of Test Section

图9 现场增加临时钢支撑Fig.9 The Figure of Adding Temporary Steel Support on Site

图10 混凝土地梁平面布置图Fig.10 The Figure of Plane Layout of Concrete Floor Beams

5 深厚软土地层条件下基坑变形设计总结

在深厚软土地层条件下进行土方开挖，淤泥质土层的应力释放十分迅速，其触变性大，支护结构受其影响变化速率急速增加，这就要求在施工过程中更加要注意监测数据需实时反馈［10］、土方开挖方案需严格控制土方开挖分段长度，保证支撑及时施工，遵循“快挖快撑快速行成结构”的施工原则。

本工程为了抵消基底加固实效情况下引起基坑的变形，采用了增加第3道临时钢支撑和增设地梁等措施予以保障基坑安全，通过实际的施工情况反映这两种方式的综合运用对控制连续墙的变形有至关重要的作用，基坑的变形可以较为有效地得以控制。

图11 施工地梁后连续墙变形图Fig.11 The Figure of Deformation of Diaphragm Wall after Construction Ground Beam

另外，建议在后续类似软土地层基坑工程施工中，合理增加支撑的道数，减少竖向支撑的间距，这种方案虽然对施工作业不便，但对于控制基坑变形，保证基坑安全是非常有用的。在支撑道数无法增加时，采用混凝土地梁或者增厚混凝土垫层，能较好地起到基底临时支顶作用，而且效果明显。