异形基坑施工变形控制研究

□文/李东哲

随着土地资源的消耗，大规模地下空间增多，造成许多地下工程紧邻既有道路、地铁、楼房等建（构）筑物，形成尺度、形状及地质条件各异的深大基坑。基坑工程属危险性较大的分部、分项工程，特别是深度大、面积大、形状不规则的特殊基坑成为近年来的工程研究热点[1～2]。工程实践表明，不同尺度和形状深基坑引起的地层变形性状差异较大，给基坑设计、施工及影响控制带来诸多困难[3]。目前，深基坑设计理念已由传统的强度控制转向变形控制，变形控制、监测及预测工作成为基坑施工的重要组成部分。

对于传统圆形和方形基坑的开挖方法、支护方案及变形特性，已有大量的研究成果。文献[4]通过对上海地区不同直径的圆形基坑、不同开挖面积的方形基坑的监测数据对比分析，认为大尺寸的基坑将引发更大基坑围护结构变形。文献[5]通过对北京地铁30 个明挖车站现场实测数据的统计分析，指出北京地铁车站深基坑开挖引起的地表变形多表现为"凹槽形"。文献[6]针对邻近既有地铁车站的基坑变形性状进行了研究，指出由于车站结构刚度大，对基坑周围上层位移传递具有一定的隔断作用，因此靠近车站一侧的地下连续墙最大侧移量减小，另一侧的地下连续墙最大侧移量增加。

对于异形基坑工程的变形特性，也已有一些研究成果。Tan 等[7]研究了上海某顺作法地铁车站深基坑的变形性状，发现长条形基坑的墙后土体沉降小于一般基坑；但由于长边效应，长边墙后地表沉降影响范围却比一般基坑大。文献[8]以某地铁车站异形断面基坑工程为例，采用二维有限元法对其施工进行了模拟，重点分析了变形特性及围护桩刚度、支撑形式、土层加固、土台宽度对基坑围护桩侧向变形的影响。文献[9]以上海某异形基坑为依托，对其变形特征进行数值模拟，结果表明不同位置处的围护结构变形形态和规律有较大差异，基坑开挖引起的地表沉降在基坑的不同位置量值变化较大。由此看出，形状因素对异形基坑变形的影响极为重要，会增大开挖和支护工程的难度。

随着地铁建设的快速发展，天津地区出现了大量邻近既有地铁车站的深大基坑工程。天津地质构造复杂，除北部基岩裸露外，其余地区均为第四系松散沉积层分布区，面临着地表沉降、软土地基和地基液化等问题，是典型的软土地区之一[10]。文献[11]以天津软土地区地铁5 号线和6 号线车站基坑工程为依托，对天津软土地区基坑开挖过程中围护结构和坑外地层的变形规律、变形模式、变形影响因素等问题进行了研究。文献[12]收集了天津地区74项建筑基坑工程资料，对天津地区基坑支护设计影响较大的参数进行了分析，给出了天津地区建筑基坑支护结构设计整体方案的参考。对近年来兴起的邻近地铁的深大基坑工程，目前研究成果还较少，尤其对于这类基坑工程的变形性状，包括围护结构侧移、墙后地表沉降最大值，目前工程界仍缺乏较好的认识。

本文以天津某典型的深大、异形环绕地铁的基坑为工程背景，针对其工程特征及所采用的围护结构和支护方案，对开挖过程中基坑本体及支护结构的变形特征进行了现场监测，总结归纳了典型位置的一般变形规律及现场经验，以期为天津地区类似基坑工程提供参考。

1 工程概况

图1 基坑平面布置

基坑支护方案为地下连续墙+内支撑形式。地下连续墙厚800 mm，止水深度32 m，墙顶设置钢筋混凝土冠梁；三道混凝土内支撑。此外，在裙楼局部电梯坑开挖较深处设置三轴水泥土搅拌桩，有效桩长为9.0 m。

2 工程地质条件

地层主要为第四系全新统人工填土层、新近组沉积层、第Ⅰ陆相层、第Ⅰ海相层、第Ⅱ陆相层、第Ⅲ陆相层、第Ⅱ海相层、第Ⅳ陆相层、第Ⅲ海相层、第Ⅴ陆相层、第Ⅳ海相层及第Ⅵ陆相层等。见图2。

图2 基坑工程地质剖面

3 开挖方案

根基坑开挖遵循“先撑后挖、分区、分层、分步、对称开挖、岛式、退挖”的原则。

基坑开挖平面分东西侧两个区，两个区分层、对称开挖，确保两侧挖土部位和深度一致。竖向分四层，首先挖除水平支撑处土方，进行水平支撑施工及养护；待支撑体系养护达到设计要求后，采用中心岛退台开挖方式进行下层土方开挖，挖至基底标高时预留30 cm，人工清槽。见图3。

图3 基坑开挖方案

4 变形监测方案

由于基坑工程的复杂性，现有理论不能同时考虑复杂地层、环境、地下水变化、支护刚度变化、支护时机等因素对变形的影响。现场实测变形数据是施工过程中各种影响因素综合作用结果的集中体现；因此，对基坑工程实测数据进行统计分析，是为工程设计、施工提供指导的有效途径。

监测分为人工监测与自动化监测两部分。人工监测主要针对基坑典型部位变形，包括周边地表沉降及裂缝，坑外水位，建筑物沉降、倾斜、裂缝，管线沉降；自动化监测主要针对既有地铁车站与既有隧道的典型部位变形，包括车站主体沉降、水平位移、裂缝和既有轨道收敛、隆沉。其中，地表沉降监测初始值在地下连续墙施工前7 d采集。基坑监测点布置见图4。

图4 基坑工程监测点布置

5 结果分析

5.1 地表沉降变形

在基坑开挖的初始阶段，由于开挖深度浅，地表变形相对较小，沉降基本为5 mm 以内；同时，在第一层环形支撑体系的作用下，地表沉降会逐渐趋于稳定。随着开挖的进行，沉降速率增大，累计沉降迅速增大，但是随着内部结构的施作完成，变形仍然会逐渐趋于稳定。之后，随着开挖深度的逐次加大以及基坑土体排水固结等的作用，沉降变形持续累积。开挖结束后，地表沉降基本趋于稳定，保持在20 mm 范围内。见图5。

图5 地下连续墙后部地表沉降特征曲线

需要注意的是，由于分层分段开挖造成坑底土体高低不平，而且平面形状不规则；受此影响，会导致基坑处于非对称的受力状态，各位置变形表现出不同的变形量。例如，DBC-10位于基坑长边的边角部位，相对于其他位置，支护刚度较小，因此沉降值较大。

中医药调节肿瘤转移前微环境虽然已有学者提出[29-30]，但关于转移前微环境的形成、功能、动力学等问题迄今尚未明确，需要进一步研究。希望利用中药多靶、微效、双向调节等特点，通过对肿瘤功能基因网络的影响，在肿瘤相关生物分子基因表达和组合上发挥整体调节作用。

同时可以看出，地表最终沉降值是小于开挖过程中最大沉降值的，但差值在5 mm 以内。原因在于，开挖之后的环形支撑结构施作需要一段时间，在这一支护真空阶段，土体变形速率相对较大。环形支撑体系施作完成后，内部结构具有了较大的刚度，可以有效承担作用于地表侧移的土压力，从而使地表变形减小并趋于收敛。

图6 为基坑地下连续墙后部土体DBC-01 沉降监测断面的变形特征曲线。

图6 地表沉降模式特征曲线

由图6可以看出，基坑周围的地表变形模式为“凹槽形”，即最大沉降点距基坑边尚有一定距离。原因在于，该基坑工程设置了良好的支护结构，基坑边缘土体受到支护结构的约束作用较大，因此地表最大沉降点距离基坑边缘有一定距离。随着基坑开挖深度增加，沉降最大点向基坑方向靠近。同时，各测点沉降值随开挖过程而持续累积增大，即地表受影响程度随着开挖深度的增加而增大。

5.2 基坑侧壁土体水平位移

根据基坑深孔水平位移实测数据，绘制典型深度-位移曲线，ZQT-01测斜孔的位移特征曲线见图7。

图7 测斜孔位移特征曲线

由图7 可以看出，各深度处土体水平位移均随着基坑开挖深度的增加而增大。测斜孔最大水平位移基本出现在基坑开挖至基底标高，即开挖结束时，最大累计水平位移最大值为17.00 mm。随着基坑开挖结束，坑底结构和支护结构施作完成，位移变化速率相应减小并逐渐趋于稳定。

水平位移在垂直方向呈“凸”字形特征，具体表现为中部大、上部和底部较小甚至无变形。同时，在基坑开挖的初始阶段，水平位移最大处靠近上部，随着开挖深度的增加，凸出部位逐渐下移，但基本保持在10～17.5 m深度范围内。

5.3 支护结构水平位移

通过支护结构表面水平位移可以及时了解支护结构在开挖过程中的变形，见图8。

由图8 可以看出，基坑支护结构表面的水平位移均指向坑内。地下连续墙顶部的水平位移呈增大-减小-增大-收敛至稳定状态的规律，位移量值在20 mm范围内。

基坑开挖初期，在开挖卸荷作用下，地下连续墙后部土体的土压力迅速增大，导致地下连续墙侧移，基本在10 mm 范围内；之后，当环形支撑体系施作后，地下连续墙在其支护作用下变形有所恢复；随着开挖的继续进行，地下连续墙水平位移又出现显著增大，但在环形支撑体系作用下，变形得到有效控制并逐步收敛至稳定。

图8 地下连续墙顶部水平位移特征曲线

本基坑的特点是形状复杂，支护结构布置不对称；因此，地下连续墙各部位变形量也有所区别，基本上长边中心附近的变形相对较大；而在支撑结构相对密集的地方，变形相对较小。总体而言，基坑变形在地下连续墙和环撑支撑结构作用下得到了有效控制。

5.4 轨道和邻近构筑物变形

基坑周围环境复杂，环绕地铁车站且周围地表存在大量建筑物；因此，保证其地铁隧道及地表建筑物的附加变形在安全标准范围内，不会影响建(构)筑物的安全性，是变形控制的一个重点。图9和图10分别为地铁隧道内轨道结构和基坑附近加油站典型位置的垂直位移特征曲线。

图9 轨道结构变形特征曲线

图10 加油站变形特征曲线

由图9 和图10 可以看出，在基坑开挖的扰动下，邻近建(构)筑物均出现了不同程度的变形。其中，由于地铁隧道上部土体的开挖卸荷作用，轨道结构的变形以隆起为主，随着开挖深度的增大，变形逐步累积，在基坑工程施工结束时，变形量值基本控制在5 mm范围内，符合规定。对于基坑附近的加油站，其变形基本呈沉降-隆起-稳定的变化规律，变形值在10 mm范围内。由于开挖初期地下连续墙后部土体的沉降影响，加油站建筑物的地基下沉，建筑物随之出现沉降现象；之后，在环形支撑体系的支护作用下，沉降变形恢复并出现隆起现象。随着开挖工程及支护工程的连续进行，建筑物变形速率逐渐减小并趋于收敛。

6 结论

1）本工程的基坑形状复杂，土体开挖分层分块，支撑逐步浇筑完成，相应地基坑变形也表现出阶段性特征。随着开挖深度的增加，基坑地下连续墙后部的地表沉降逐渐增大，但沉降量控制在20 mm 范围内。同时，地表最终沉降值是小于开挖过程中最大沉降值的，但差值在5 mm 以内。由于地下连续墙和环形支撑结构的支护作用，基坑周围的地表变形模式为“凹槽形”。

2）根据地下连续墙后部土体的深孔水平位移监测结果，基坑侧壁土体在垂直方向上的水平位移呈“凸”字形，最大水平位移为17.00 mm。随着开挖深度的增加，凸出部位逐步向下移动，但基本保持在10～17.5 m 深度范围内。支护结构表面的水平位移方向均指向坑内。与开挖和支护过程相对应，水平位移呈增大、后减小、再增大、然后收敛至稳定状态的规律，位移量值控制在20 mm 范围内。由于支护结构的布置不对称，地下连续墙各部位变形量有所区别，基本上长边中心附近的地下连续墙变形相对较大。在基坑开挖行为的扰动下，基坑邻近建(构)筑物均出现了不同程度的变形响应，但均控制在安全值范围内。

3）通过地下连续墙和环形支撑支护体系，可以充分发挥各构件的力学性能，安全可靠，经济合理，施工便利，能够在稳定性和控制变形方面满足对周围环境保护的设计标准要求。□■