水利水电工程深基坑的变形特性分析及稳定性研究

肖宏山

(本溪满族自治县水务和移民事务服务中心，辽宁 本溪 117100)

0 引 言

为满足水利工程的建设需求基坑的开挖深度逐渐增大，施工技术及其复杂性问题也日趋突出。复杂的周边环境不仅大幅提高了深基坑的危险性，而且在很大程度上提升了基坑支护和开挖的难度[1]。采取保护、加固、支挡等安全防护措施确保地下室及基坑周边环境安全为支护结构的主要目标，而在完成地下施工、土方回填后支护体系也就完成了其使命[2]。所以，基坑支护结构在工程实践中的设计使用年限通常为1a。然而，在项目建设时往往因合同纠纷、资金不足及设计调整等原因，经常出现深基坑长时间搁置的现象，从而导致支护体系处于超期服役的状态，这对水利工程的建设质量和安全施工构成了潜在的威胁。因此，全面掌握超期服役深基坑的支护结构变形规律，合理评估其安全稳定性能并降低风险隐患，采取一系列有效措施合理延长设计使用年限，已成为当前研究的热点问题之一[3-8]。文章以辽宁省某水电工程超期服役的深基坑为例，对基坑搁置前后的支护桩变形规律结合现场长期监测的数据进行研究，然后借助于结构设计分析软件和抽样检测数据，对比分析锚索安全系数、桩体位移等重要参数，科学评估了深基坑在不同阶段下的安全稳定性，以期为水利工程基坑支护方案的优化设计和稳定性评价提供一定决策依据[9-11]。

1 工程概况

1.1 工程简介

松树台二号电站主体结构的基坑支护周长约138m、基底开挖面积884m2，开挖深度在14.0-15.5m。基坑周边存在较为复杂的环境，埋设有给排水、电信、电缆等管道设施。

支护体系的安全等级为1级，设计使用年限为1年，支护结构采用的是北部全部放坡而其他各坡面为预应力锚索+排桩形式，支护体系的某一截面的剖面。支护体系的典型剖面形式，见图1。

灌注桩的水平间距为1500mm，入土深度和桩长分别为5m、18m，桩径为800mm，混凝土强度等级为C30。采用喷射厚100mm的C20混凝土+挂钢筋网的方式处理桩间面层、放坡面护壁，沿桩长方向铺设与水平夹角为30°的三道预应力锚索，间距为4m。

图1 支护体系的典型剖面形式

1.2 基坑状况

该水电工程土方开挖作业时间为2012年6月，当开挖至设计坑底标高时由于建设方原因建设暂停，停工时间为2013年1月。而工程项目在达到支护体系设计使用年限后仍未复工，直至2016年底具备复工条件开始建设施工。为了对基坑存在的安全隐患进行全面排查，建设方对基坑稳定性状态委托评估单位进行评价。

2 基坑变形特性分析

2.1 监测方案

监测数据为基坑维护的重要依据，由于已经处于超期服役状态，所以对该深基坑的监测更加重要。为确保基坑的周边环境及其安全运行，有必要分析、处理实时监测相关数据并做出准确的判断。综合考虑周边环境的复杂性和水利工程的重要性等因素，确定锚索轴力、地下水位、周边建筑物沉降、坑顶沉降、桩体侧斜及桩顶水平位移等为基坑监测的主要项目。设定速率、位移预警值为5mm/s、30mm，选择设计值作为锚索轴力预警值，以每隔5d 1次的频率开展监测[12]。

2.2 桩体侧斜监测

为了解沿深度方向支护桩的水平位移在不同阶段的变化情况必须对其侧斜状态监测，从而保证周边环境及支护体系的安全性能。根据不同时段的侧斜孔BY1的监测数据，绘制其变化曲线，基于侧斜孔监测数据的侧斜曲线，见图2。

图2 基于侧斜孔监测数据的侧斜曲线

根据图2可知，桩体的侧斜曲线在不同时间点下的变化规律基本保持一致，即呈线性变化的特征，随着桩体深度的增加侧斜位移呈不断变小的变化趋势，这种变形模式和“悬臂梁”基本类似，即桩根的侧斜位移趋近于0而桩顶达到峰值，可见预应力锚杆在桩顶以下的约束作用比较明显。总体而言，不同深度处的桩体侧斜位移随着基坑搁置时间的延长而增大，且向支坑内不断倾斜。桩体的最大侧斜位移在2017年1月复工前为24.5mm，且未达到30mm的预警值，因此可认为截止复工前支护桩处于稳定、安全状态[13]。

2.3 桩顶水平位移监测

为进一步研究支护桩位移在不同时间点下的变形规律和发展趋势，根据不同时段下侧斜孔BY1的水位平移监测数据，绘制成时程变化曲线，不同时段下桩顶水平位移时程曲线。见图3。

图3 不同时段下桩顶水平位移时程曲线

根据图3可知，位移时程曲线的曲率在2012年7月-2013年1月土方开挖期间较大，而在超期服役和正常设计使用期的曲率较小，由此表明水利工程的土方开挖属于荷载快速释放过程，短期内支护桩的水平位移增长较快这是由支护桩与土体的相互作用所引起的。土体内的应力在土方开挖完成后逐渐释放完毕，变形也逐渐达到稳定状态。从时程曲线的整体变化趋势来看，桩顶水平位移随着基坑搁置时间的推移而增长缓慢，最终达到基本稳定水平。

桩顶水平位移在基坑搁置前、搁置后的增量统计值，监测点BY1-BY5的桩顶水平位移，见表1。从表1可以看出，短边方向上的BY1、BY5监测点，其桩顶水平位移增量在基坑搁置前远远小于搁置后，所对应的水平位移分别为3.5、5.7mm和20.7、19.6mm，增长了约5.9、3.4倍；在长边方向上的BY2-BY4监测点，其桩顶水平位移增量在基坑搁置前后的基本相同，短边方向的桩体变形受基坑长期搁置的影响更大。

表1 监测点BY1-BY5的桩顶水平位移

结合表1和图3分析结果，虽然桩顶水平位移增长在基坑搁置后的增长较为缓慢，但是其累计位移量较大，因此应加强此期间的桩体变形监测并重视由于基坑搁置而引起的时空效应。

3 基坑稳定性评估

根据服役时期的不同将基坑稳定性评估分为2个阶段：①阶段1：对现阶段的基坑稳定性进行判断，从而明确应急措施的制定原则和基坑继续超期服役的期限；②阶段2：评估主体施工阶段的稳定性，从而判断是否应采取加固措施和该阶段的稳定性状态[14-15]。

3.1 构建评估模型

实践表明，在长宽比L/B>2.0的条件下，基坑空间效应随着L/B值的增大逐渐减弱，在实际工程中对基坑施工方案仍选用考虑空间效应的计算方法通常无法取得较好的经济效益，在该条件下对基坑的计算分析可按二维平面问题进行处理。由于该深基坑的L/B值为4.1，为提高运算效率并简化计算，考虑按二维平面问题建立基坑分析模型。结合基坑现状和抽样检测数据，采用相结构设计分析软件建立深基坑支护二维模型，对深基坑在两个阶段的稳定性采用模型进行科学评估。根据如下原则选取二维模型的主要参数，具体如下：

1)支护结构。根据检测报告确定喷锚混凝土厚度、支护桩混凝土强度及桩身完整性，部分锚索极限承载力采用锚索抗拔试验确定。在基坑稳定性评估时综合考虑现场条件、试验数据等因素，取0.8倍的原极限承载力作为锚索抗压极限力。

2)工程地质条件。根据周边地质补充勘察的相关资料和工程地质详细的勘察结果，确定基坑周边土层在现阶段的各参数物理性能。基坑周边土层的力学参数，见表2。

3)荷载工况。①阶段1：确定已开挖完毕基坑的计算工况，顶部荷载结合现场情况取5.2kPa；②阶段2：确定顶部荷载为20kPa为计算工况，对后续主体施工初期的支护受力、变形等受重载设备经过、顶部材料堆载等施工荷载的影响进行模拟分析。

3.2 评估结果分析

由于受文章篇幅显示，文章仅评估分析了预应力锚索轴力、桩体水平位移等支护结构坡面重要参数的数值模拟结果。

1)桩体位移评估。对比分析监测点BY1在阶段一内的水平位移数值和支护结构剖面1处的模拟结果，将其绘制成侧斜曲线。桩体位移模拟结果，见图4。

图4 桩体位移模拟结果

根据图4可知，在数值上阶段一的监测结果和模拟结果存在一定差异，且模拟的最大水平位移的点相对于监测结果下移约桩长的0.2-0.3倍距离，其原因为在模拟过程中未考虑周边环境、天气及地下水等因素的变化，从而导致二者存在一定的偏差。另外，由于支护内力和位移影响因素较为复杂，实际情况和假定的条件不可避免的会存在一定偏差，由此进一步加大了监测结果和模拟值的偏差。总体而言，监测值基本可被模拟值所包络且二者的变化趋势保持相同，可见所设定的模型参数和构建的计算模型具有科学性和合理性，在评估分析基坑稳定性时存在一定的适用性。

根据评估分析结果，桩体水平位移在各阶段下均处于预警值30mm以内，由此表明支护桩变形在各个阶段下均处于有效范围之内。以某一剖面为例，在阶段1时桩体的最大水平位移为25.6mm，而在阶段2时逐渐提升至28.3mm并趋近于预警值。因此，相对于前期水平位移阶段2有所提升，表明支护桩变形在后续主体施工阶段会受到一定的影响作用。

2)锚索轴力评估。桩锚支护体系包括预应力锚索和支护桩，主要用于控制支护桩变形，锚索在失效后不能保证被加固对象的安全稳定性。基于不同剖面的锚索轴力模拟值，见图5。反映了不同剖面处的锚索轴力监测值、模拟值。

图5 基于不同剖面的锚索轴力模拟值

根据图5可知，锚索轴力监测值和模拟值在阶段一下具有较高的吻合度，且监测的各剖面锚索轴力模拟值均在预警值可控范围以内，由此进一步表明在深基坑受力分析时该模型的可靠性和有效性。

根据相关规范要求，一级桩锚支护结构的锚杆抗拔安全系数Kt≥1.8，提取各锚索轴力数值作为模拟值，并对其抗拔安全系数在不同阶段下的的变化值进行计算。各剖面的锚索安全系数计算值，见表3。

表3 各剖面的锚索安全系数计算值

根据表3可以看出，处剖面3、5外的锚索安全系数在阶段一下均≥1.8，具有一定的安全裕度并满足一级基坑的安全要求，可见在该阶段深基坑仍处于较稳定状态；各剖面锚索安全系数在阶段二下处于1.5-2.0，只有少数的几个锚索在1.8以上。以剖面3的二、三道锚索为例进行分析，在一阶段、二阶段的安全系数法分别为1.9、1.6，相对于前期的安全系数明显的降低且已无法满足一级基坑安全系数要求。

综上分析，相对于阶段一的锚索安全系数阶段二存在一定的下降趋势，且已无法满足设计规范的安全要求，深基坑的整体稳定性在阶段二下有所下降，从而使得基坑存在安全隐患。因此，在后续主体施工阶段应加强对基坑的监测，严格控制周边施工荷载并做好相应的应急预案。

4 结 论

1)桩体位移和桩体的埋深之间存在负相关性，即埋深越大则位移变化越小，桩体的侧斜模式在不同阶段下与“悬臂梁”类似。另外，桩体位移增长速率在基坑土方开挖期较大，随着搁置时间的推移而逐渐放缓并趋于稳定。

2)短边方向上监测点的桩顶水平位移增量在基坑搁置前远远小于搁置后，所对应的水平位移分别为3.5、5.7mm和20.7、19.6mm，增长了约5.9、3.4倍；在长边方向上监测点的桩顶水平位移增量在基坑搁置前后的基本相同，短边方向的桩体变形受基坑长期搁置的影响更大。

3)根据稳定性评估结果，基坑在安全维护阶段处于稳定状态，而桩顶水平位移在后续主体施工阶段趋近于报警值，该阶段的整体稳定性明显下降且大部分锚索的安全系数已无法满足规范要要求，在后续主体施工阶段应加强对基坑的监测，严格控制周边施工荷载并做好相应的应急预案。