土体超挖对深基坑变形影响分析★

孙永梅 程海涛 米春荣 孙 贝

(1.山东建研科技发展有限公司，山东 济南 250031；2.山东建科特种建筑工程技术中心有限公司，山东 济南 250031； 3.山东省建筑科学研究院有限公司，山东 济南 250031；4.山东省组合桩中心，山东 济南 250031； 5.济南组合桩中心，山东 济南 250031)

0 引言

随着城市建设的发展，新城区建设、旧城区改造等问题，使得有限的土地资源与快速增加的用地需求之间的矛盾日益突出，城市建设逐步向地下空间进行扩展[1]。随之发展起来的基坑工程的规模越来越大、开挖深度越来越深、周边环境愈加复杂，深基坑成为岩土工程中事故的频发领域[2]。目前，深基坑坍塌事故时有发生，深基坑超挖问题也逐渐被重视。2001年上海静安区某基坑由于连续两次超挖，导致连续发生两次事故，造成周边建筑物大范围开裂，经济损失非常严重[3]；2008年杭州地铁某基坑由于超前开挖导致连续坍塌[4,5]。针对超挖问题，学者们也进行了一系列的研究，Itoh K等[6]借助离心试验说明了超挖会使锚杆受力过大造成锚头断裂，基坑发生倾覆破坏；Tan Yong等[7]通过分析整理监测数据提出一旦超过设计的开挖深度，该超挖段的地下连续墙变形迅速增大；黄天明[8]采用试验和数值分析的方法研究了超挖对悬臂桩支护连续破坏的机理；郑刚等[9]基于杭州某基坑事故，建立三维有限元模型进行研究，分析了局部超挖引起大范围倾覆的作用机理，提出了对于倾覆型基坑连续破坏时的评价指标；张立[10]基于某基坑案例，借助有限元软件，分析了土方超挖对基坑变形及稳定性影响。

基于已有事故和现有研究，以某深基坑工程为背景，结合现场实际施工过程，研究了土体超挖对深基坑变形过程的影响。为相关工程提供一些理论与经验指导。

1 工程概况

1.1 基本信息

某基坑工程东西长约168 m，西段143 m，开挖深度8.75 m，1—1剖面采用放坡+混凝土支护桩+预应力锚索复合支护形式，降水采用大口径砂管井+明排水系统，截水帷幕采用支护桩间高压旋喷桩截水帷幕。支护桩桩顶放坡2.5 m，坡率1∶0.4，挂网喷混凝土；混凝土支护桩桩径800 mm、桩间距1.5 m，嵌固深度7.45 m，支护桩顶通长设置钢筋混凝土冠梁；设置两道高压旋喷预应力锚索，锚固段直径400 mm，长度分别为15 m，13 m，预应力分别为200 kN，140 kN，以预应力锚索为结点通长设置钢肩腰梁。1—1剖面支护图见图1，设计工况变形情况见表1。

1.2 施工过程

基坑自东向西开挖60 m(W6)处，第一道锚索张拉至设计值，第二道锚索成孔注浆完成尚未张拉至设计值，基坑超挖至8.75 m，水平位移达到30 mm，如图2所示。

表1 设计工况基坑变形情况

开挖至约80 m(W5)处，W6—W5段两道锚索仅完成成孔注浆、均未张拉至设计锁定值，直接超挖至8 m。W5监测点桩顶水平位移达到50 mm。两道锚索张拉至设计值后，施工单位随即开挖至8.75 m，W5桩顶水平位移超过6.5 cm，如图3所示。

2 对比分析

计算以下两种现场施工顺序，并与现场监测值及设计工况作对比分析：

1)工况1：开挖至4 m→施工第一道锚索→开挖至8.75 m→渗漏水→施工第二道锚索。工况1基坑变形情况见表2。

表2 工况1基坑变形情况

当1—1剖面开挖60 m，现场只张拉了第一道锚索，然后直接开挖基坑至8.75 m时，现场监测数据(如图2所示)显示W6监测点位移达到20.0 mm，之后现场出现渗漏水，流砂等情况，基坑外侧水位上升到地面，现场监测数据(如图2所示)显示W6监测点位移达到35.0 mm。从表2中可以看出，当基坑开挖至8.75 m时，位移计算值约17.0 mm，当基坑外侧水位上升到地面时，位移计算值约32 mm，与现场监测值较一致。

2)工况2：开挖至8 m→施工第一道锚索→施工第二道锚索→开挖至8.75 m。工况2基坑变形情况见表3。

表3 工况2基坑变形情况

当1—1剖面开挖80 m，两道锚索均未张拉，直接开挖基坑至8.00 m时，现场监测数据(如图3所示)显示W5监测点位移达到50.0 mm。之后张拉两道锚索至设计值，接着开挖至8.75 m，位移达到60.0 mm。在两道锚索间补打一道锚索后，位移达到65.0 mm。从表3中可以看出，当基坑开挖至8.75 m时，位移计算值约76.0 mm，与现场监测值较一致。

通过对上述两种理论计算结果与现场监测数据结果进行对比，发现均较吻合，这说明理论计算中各参数的取值较合理。至于工况1与工况2的计算结果相差较大的问题，主要原因在于工况2分步开挖深度过大且未张拉锚索，导致变形过大。

将工况1和工况2与设计工况对比，工况1与工况2的桩顶水平位移均大于设计工况的水平位移，主要原因也是基坑超挖导致的。

3 理论计算

1)工况1：开挖至4 m→施工第一道锚索→开挖至8.75 m→施工第二道锚索。

经过上述分析，已证明理论计算中的各参数取值较合理，在此基础上，进一步分析基坑超挖对桩锚支护基坑的影响。以工况1的施工顺序为例，将第一步的开挖深度分别设置为4 m，4.5 m，5 m，5.5 m，6 m，6.5 m，超挖深度则分别对应0 m，0.5 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m，两道锚杆设置位置不变，研究不同的超挖深度对桩顶水平变形、基坑内外两侧弯矩变化的影响规律，如图4～图6所示。

图4表示的是采用桩锚支护，第一道锚杆埋深3.5 m，第二道锚杆埋深6 m时，不同超挖深度对桩顶水平变形的影响。从图6中可以看出，第一步正常开挖(开挖深度为4 m)时，基坑桩顶水平变形只有15 mm，当超挖0.5 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m时，基坑桩顶水平变形分别增加了11%，25%，50%，89%，130%。这是由于土方开挖会打破土体原来的应力平衡状态，在开挖过程中，土体通过不断的应力重分布达到平衡，而基坑超挖会使土体实现再平衡更加困难，容易造成基坑变形过大。图5，图6分别表示的是不同超挖深度对基坑内外两侧弯矩变化的影响，在第一步超挖过程中，基坑内外两侧的弯矩是不断变化的，超挖深度越大，基坑内外两侧的弯矩变化也越大。

2)设计工况：开挖4 m→施工第一道锚索→开挖至6.5 m→施工第二道锚索→开挖8.75 m。

以设计工况的施工顺序为例，将第二步的开挖深度分别设置为6.5 m，7 m，7.5 m，8 m，8.5 m，超挖深度则分别对应0 m，0.5 m，1 m，1.5 m，2 m，两道锚杆设置位置不变，研究不同的超挖深度对基坑桩顶水平变形、基坑内外两侧弯矩变化的影响规律,如图7～图9所示。

图7表示的是采用桩锚支护，第一道锚杆埋深3.5 m，第二道锚杆埋深6 m时，不同超挖深度对桩顶水平变形的影响。从图7可以看出，第二步正常开挖(开挖深度为6.5 m)时，基坑水平变形只有10 mm，当超挖0.5 m，1 m，1.5 m，2 m时，基坑桩顶水平变形分别增加了8%，17%，28%，39%。图8，图9同样表示的是不同超挖深度对基坑内外两侧弯矩变化的影响，在第二步超挖过程中，基坑内外两侧的弯矩依然是不断变化的，超挖深度越大，基坑内外两侧的弯矩变化也越大。

4 结论

1)用理论计算模拟现场施工过程，发现现场监测数据与理论计算结果较一致，说明理论计算参数取值较合理。

2)基坑采用桩锚支护，第一步超挖0.5 m，1 m，1.5 m，2 m，2.5 m时，基坑桩顶水平变形分别增加了11%，25%，50%，89%，130%。第二步超挖0.5 m，1 m，1.5 m，2 m时，基坑桩顶水平变形分别增加了8%，17%，28%，39%。

3)无论是第一步超挖还是第二步超挖，基坑内外两侧的弯矩均是不断变化的，超挖深度越大，基坑内外两侧的弯矩变化越大。