软土深基坑的空间变形特性分析及危险性评估*

李常茂，祝和意

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000)

0 引言

受地质条件、基坑开挖及施工机械扰动等因素影响，基坑施工具有空间立体扰动特征，会对安全施工造成潜在威胁，因此，准确掌握基坑施工过程的空间变形特性及危险性状态具有重要的工程指导意义[1-6]。目前，已有学者开展基坑空间变形特性研究：张壮等[7]、于富才等[8]利用数值模拟演化基坑开挖过程，掌握基坑变形的时空效应，为基坑后期施工提供一定的信息数据；奚家米等[9]在基坑变形监测成果基础上，通过数据统计，得出基坑变形的主要影响因素，达到安全控制的目的。上述研究虽揭示基坑开挖过程的部分空间效应特征，但也存在一定不足，如数值模拟难以表达基坑所处环境的不均一性，且未在基坑空间变形特性分析基础上进一步开展基坑危险性评估，加之基坑所处区域地质条件的差异性，使得仍需针对具体地区开展相应的基坑空间变形特性分析。

在前述研究的基础上，也有学者进行基坑危险性评估研究，如徐耀德等[10]利用权重矩阵分析法实现基坑多项预警因素的风险量化评估，提高基坑施工过程的风险管控水平；夏元友等[11]利用层次分析法构建基坑施工过程的风险分级模型，实时掌握基坑施工过程中的风险变化，有效保障安全施工；王飞等[12]则在基坑风险因素分析基础上，构建基坑风险评估体系，实现基坑施工风险的定量评价，合理指导现场施工。上述研究在基坑风险评估方面取得一定成果，但也存在一些不足：采用单一监测项目进行安全风险评价难以全面管控基坑施工的安全风险；基于变形限值进行风险评估多依赖于人为确定，缺乏理论基础，且未涉及基坑变形极值在基坑风险评估中的应用研究。

因此，本文以安元西路站基坑为工程背景，基于其变形监测结果，先开展基坑施工的空间变形特性分析，再通过特征指标计算进行基坑危险性评估，以期为类似工程提供参考和借鉴。

1 基本原理

1.1 基坑空间变形指标的确立

因基坑施工具有空间立体扰动特征，故其空间变形特性分析应在三维空间变形监测基础上进行；同时，在基坑施工过程中，其空间变形的研究对象主要为基坑支护结构自身和周边土体，进而将二者的空间监测指标设定如下：

1)第1类指标，即基坑支护结构的变形监测指标。基坑支护结构是其安全施工的重要保证，其变形能直接体现支护结构的运营状况，结合其空间变形特征，将其监测项目设定为墙顶水平位移监测和沉降监测。

2)第2类指标，即周边土体的变形监测指标。基坑施工会对周围土体造成不同程度的扰动，其空间变形监测也尤为重要，类比前述空间变形指标的布设，将周边土体空间变形指标设定为地表沉降监测和深部侧位移监测。

1.2 基坑危险性评估模型的确立

基坑危险性评估模型构建过程如下：

1)在评估判据的构建过程中，累计变形是基坑稳定性的直观体现，但限于支护强度及环境差异，不同监测点可能达到的极限变形值Sc也不相同，进而不宜利用累计变形量的绝对值进行基坑的危险性评估；一般情况下，若某监测点的现有变形值St与其极限变形值Sc的比值越大，说明其变形的预留空间越小，危险性也相对越高，故将其作为基坑危险性评估的判别指标，称为变形分级指标Fr，求解公式如式(1)所示：

Fr=St/Sc

(1)

2)基坑变形发展趋势也是其危险性的重要判据，当变形分级指标Fr相对较小时，若其变形发展趋势较强，极易达到极限变形值，应具有较高的危险性；反之，若变形发展趋势较弱时，其危险性也相对较弱。

3)将基坑危险性评估判据设定为变形分级判据和发展趋势判据，对应具体判别指标即为变形分级指标和发展趋势等级指标。

4)结合工程实际，将基坑危险性评估等级划分为4级，具体划分标准及建议措施见表1。

表1 基坑危险性评估等级划分标准Table 1 Classification standards for risk assessment of foundation pit

2类判据及指标的具体求解过程如下：

1)变形分级指标的求解

由式(1)可知，变形分级指标的求解仅需确定现有变形值St和极限变形值Sc即可，前者可通过监测结果直接确定，而后者则需进行针对性求解。同时，Sc值的求解过程应充分利用既有监测成果，将其求解方法设定为指数回归拟合，拟合公式如式(2)所示：

y=Ae-B/t

(2)

式中：y为基坑变形值，mm；A为待拟合参数，mm，B亦为待拟合参数，d；t为时间变量，d。

根据式( 2 )，得出时间变量t趋于无穷大时，基坑变形值y趋近于定值A，且该值为最大值，进而确定其为待求解的极限变形值。

2)变形发展趋势等级指标的求解

由于R/S分析已被广泛应用于基坑变形趋势判断中，具有较强的适用性，因此，本文利用其实现发展趋势等级指标的求解。根据R/S分析的求解过程[13-15]，可得Hurst指数(H值)，其可作为基坑变形发展趋势的评价指标，其判据为：当H=0.5时，说明分析过程无效，无法判断基坑发展趋势；当0.5

H值与0.5的差值p可作为基坑变形发展趋势强弱的判断指标，进而利用其实现基坑变形发展趋势等级划分，划分标准见表2。

表2 基坑变形发展趋势等级的划分标准Table 2 Classification standards for deformation development trend of foundation pit

2 实例分析

2.1 工程概况

安元西路站隶属苏州4号线，位于安元路和文灵路交叉口，近似呈南北展布，设计起始里程为DK2+266.1 m～DK2+532.7 m，结构外包全长为266.6 m，宽度为19.7 m，标准段开挖深度16.5 m，属深基坑；车站基坑采用地连墙作支护结构，共设置3道横撑，开挖土方约8.6万m3。

为保证基坑施工安全，按前述基坑空间变形监测项目进行监测点布设，如图1所示。由图1可知，墙顶变形监测点共计28组(编号：ZQ)，每组2个监测点，分别进行水平位移监测(编号：ZQS)和沉降监测(编号：ZQC)；土体侧位移监测点共计32组，每组1个监测点，监测深度范围为28 m，测点竖向间距为0.5 m，用于深层侧位移监测(编号：CX)；地表沉降监测共计32组，每组3个监测点，呈垂直支护结构分布，与支护结构净距分别为2，5，30 m，编号分别为1#，2#，3#(编号：DB)。

2.2 空间变形特性分析

1)支护结构的空间变形特征

28组墙顶水平位移和沉降的变形监测值统计图如图2所示。由图2可知，各监测点的变形值存在明显波动，近似呈“驼峰”特征，结合图1中的监测点布设情况，得出在基坑两端头的变形值相对较小，而在基坑中部的变形值相对较大，分析其原因，应是支护结构在端部处结构刚度相对较大所致。

图2 基坑支护结构变形值统计Fig.2 Statistics on deformation values of support structure in foundation pit

图1 基坑空间变形监测点布置Fig.1 Layout of monitoring points for spatial deformation of foundation pit

2)周边土体的空间变形特征

①地表沉降变形特征。一般情况下，土体距离基坑越近，其受施工扰动程度相对越大。对1#监测点的沉降值进行统计，如图3所示。由图3可知，其周边土体的地表沉降也具明显的波动特征，且结合其监测点位置，得出基坑两端的沉降值也相对较小，而中部的沉降值相对较大，其中，东侧最大地表沉降值为6.7 mm，而西侧最大地表沉降值为7.2 mm，二者相差不大，且均较小。

图3 基坑周边土体沉降变形Fig.3 Settlement and deformation of soil around foundation pit

②土体深层侧位移变形特征。 32个土体深部侧位移监测点的最大值统计图如图4所示。由图4可知，不同位置处的侧位移最大值存在明显差异，变形特征也与前述各监测项目相似；东侧的最大深部侧位移值为17.8 mm(CX-09监测点)，而西侧的最大深部侧位移值为16.2 mm(CX-24监测点)，并对比图3与图4，得出基坑施工对周边土体的侧位移影响要明显大于其对地表沉降的影响。

图4 不同位置处的最大深部侧位移对比Fig.4 Comparison of maximum deep lateral displacement at different positions

通过上述分析，得出在安元西路站基坑施工过程中，其周边土体的侧位移变形量相对最大，其支护结构及地表沉降变形均相对较小，且受基坑结构限制及刚度差异影响，变形多集中于基坑中部，端部的变形量相对较小，可为类似工程的空间变形监测提供参考。

2.3 基坑危险性评估

1)变形分级判据的危险性评估

一般情况下，监测点的累计变形值越大，其对应的危险性也应越高，故分别于基坑长边(东、西两侧)选取变形值较大的监测点进行评估研究；结合前述基坑空间变形特性分析结果，在墙顶变形分析方面，以ZQS-08，19和ZQC-11，19监测点为例进行分析，而在周边土体变形分析方面，以DB-08，09，24，25和CX-09，24监测点为例进行分析。

先对墙顶变形进行变形分级判据的危险性评估，结果见表3。由表3可知，在极限变形值求解的拟合过程中，各监测点的拟合度均较趋近于1，说明拟合效果较优；结合现有变形值，得出4个监测点的变形分级指标为0.56～0.67，即危险性等级间于Ⅰ～Ⅱ级，危险性等级均偏低，即说明支护结构的稳定性较好，且二者包含的监测点数相等，均为2个；对比墙顶水平位移及沉降的变形分级指标均值，得前者的均值为0.62，而后者的均值为0.59，以前者变形分级指标相对更大，但对危险性等级划分的影响较小。

表3 墙顶变形的变形分级判据评估结果Table 3 Evaluation results of deformation classification criteria for wall top deformation

对基坑周边土体的各类代表性监测点进行变形分级判据的危险性评估，所得结果见表4。在地表沉降变形的评估结果中，得出各监测点的变形分级指标均小于0.6，即其危险性等级均为Ⅰ级；而在侧位移的评估结果中，得出东侧CX-09监测点的变形分级指标为0.72，危险性等级为Ⅲ级，而西侧CX-24监测点的变形分级指标为0.64，较前者略低，危险性等级为Ⅱ级。

表4 周边土体变形的变形分级判据评估结果Table 4 Evaluation results of deformation classification criteria for surrounding soil deformation

对比上述各监测点的变形分级判据评估结果，得出地表沉降变形的危险性等级相对最低，其次是墙顶变形，而深层侧位移的危险性等级相对最高；根据不利条件原则，在变形分级判据条件下，安元西路站基坑的危险性等级为Ⅲ级。

2)发展趋势判据的危险性评估

根据前述评估结果，得出危险性等级为Ⅱ～Ⅲ级的监测点共计有4个，其他监测点均为Ⅰ级，因此，再利用发展趋势判据对该4个监测点进行发展趋势评价，以进一步校核其危险性等级。

通过计算，得各监测点在发展趋势判据条件下的评估结果见表5。由表5可知，4个监测点的Hurst指数均大于0.5，说明其变形具正向持续性，即其变形仍将持续增加；同时，结合差值p的大小进行趋势等级划分，得出ZQS-19监测点和CX-24监测点的趋势程度较低，趋势等级为1级，而ZQC-11监测点和CX-09监测点的趋势程度一般，趋势等级为2级。综上所述，根据不利条件原则，在发展趋势判据条件下，安元西路站基坑的趋势等级为2级。

表5 在发展趋势判据条件下的评估结果Table 5 Evaluation results under development trend criteria

基于2类判据的评估结果，结合表1的危险性评估原则，综合确定安元西路站基坑的危险性评估等级为Ⅲ级，即危险性等级中等，属预警状态，应加强风险事故防范，并制定处理措施准备。

3 结论

1)基坑施工过程造成的空间变形显著，其中，在支护结构空间变形特征方面，各监测点的变形值存在明显波动，近似呈“驼峰”特征，分析其原因，应是支护结构在端部处的结构刚度相对较大所致。

2)基坑周边土体沉降相对较小，随着与基坑距离的增加，地表沉降呈下降趋势；同时，随基坑持续施工，不同深度处的土体侧位移也随之增加。

3)在变形分级判据的评估结果中，得出深层侧位移的危险性等级相对最高，其次是墙顶变形和地表沉降，基坑危险性等级为Ⅲ级；在发展趋势判据的评估结果中，基坑的趋势等级相对较低，仅为2级。

4)该基坑危险性评估方法具有操作简单，系统性强等优点，能准确判断基坑危险性等级，具有良好的评价效果，可为类似工程提供参考和借鉴。