某深基坑施工期监控预警分析及防控措施研究

秦 朋，李福庆，谭 勇，牛广利，田亚岭

（1、长江科学院工程安全与灾害防治研究所 武汉 430010；2、水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心 武汉 430010；3、国家大坝安全工程技术研究中心 武汉 430010；4、广东华隧建设集团股份有限公司 广州 510800）

0 引言

随着城市地下空间的开发利用，深基坑工程越来越多，其开挖深度和面积也越来越大，基坑所处的地质及周边环境也更加复杂［1］，通过安全监测技术监控基坑及周边环境在施工过程中的安全状态显得尤为重要。安全监测技术不仅为工程安全保驾护航，监测数据反映的各项物理变化机理还可以为设计优化提供参考，指导施工［2］。

1 工程概况

珠江三角洲水资源配置工程（以下简称“珠三角工程”）是国务院部署的172项节水供水重大水利工程之一，工程输水线路总长113.1 km，采用深埋隧洞方式在地下平均40～60 m 空间建设输水隧洞［3］。全线共布置37 个工作井基坑，深度在14.5～74.0 m 之间，其中深度在50.0 m 以上的有22 个，分布于佛山、广州、深圳、东莞等大型城市，一旦发生工程安全事故，后果严重［4］。基坑结构以圆形为主，采用地下连续墙+混凝土内衬墙的支护方式，不加设支撑，利用圆形内衬墙自身的拱效应来提供支撑［5］。

2 基坑监测布置

为监控基坑在施工过程中的安全状态，珠三角工程工作井基坑地下连续墙布置了应力和变形监测项目，基坑周边布置了地下水位和地表沉降监测项目。以10#工作井基坑为例，基坑监测点平面布置如图1所示。基坑设计4个监测断面，对称分布，每个断面均布置了连续墙深层水平位移、顶部水平垂直位移监测；其中2 个监测断面布置了周边地下水位、地表沉降监测，水位孔距连续墙2 m，地表沉降监测点间距11 m，最远测点距基坑边缘57 m；在盾构始发侧2 个监测断面布置了连续墙钢筋应力、外侧土压力监测。

图1 基坑监测点平面布置Fig.1 Layout of Foundation Pit Monitoring Points（mm）

3 监测结果统计分析

珠三角工程工作井基坑安全监测监控指标主要参考《建筑基坑工程监测技术标准：GB 50497—2019》［6］，各基坑开挖过程中，普遍出现地下水位和地表沉降大幅度超出监控指标情况。截至2021年5月，全线32个已完工的工作井基坑中，30个基坑地下水位监测超报警值（1.0 m），其中27个超控制值（1.5 m），最大累计水位下降达到47.8 m，20 个基坑周边地表沉降监测超报警值（24 mm），也超控制值（30 mm），最大累计地表沉降达到321.9 mm。其中最大累计地表沉降发生在10#工作井基坑，地下水位也发生较大降幅，且施工过程中发生较大渗水、涌沙等现象，在其他工作井基坑也普遍出现，具有较好的代表性，因此本文以10#工作井基坑作为对象进行分析研究。

3.1 监测结果统计

10#工作井基坑为外径35.9 m圆形竖井，基坑底部高程-54.50 m，地面平整高程3.0 m，开挖深度57.80 m，地下连续墙厚1.2 m，嵌入基岩。基坑采用分层开挖，每层4.5 m。基坑上部为人工填土和冲积层，厚度8.6～23.4 m，底部主要位于全风化带，局部为强风化带。

2020 年4 月，10#工作井基坑开挖，2020 年11 月底板浇筑并完成底板浇筑。截至2020 年11 月各监测项目监测结果及监控指标如表1所示，其中连续墙顶部、深部水平位移、钢筋应力、基坑外侧土压力等4个监测项目在整个开挖期间变化稳定，累计变化量保持在报警值或仪器量程的50%范围以内；周边地下水位、地表沉降大幅度超出控制值，连续墙顶部沉降略超出控制值，上述3个监测项目是本文分析研究的重点。

表1 10#工作井基坑安全监测结果及监控指标Tab.1 Safety Monitoring Results and Monitoring Indexes of 10# Foundation Pit

3.2 周边地下水位

10#工作井基坑周边地下水位变化过程线如图2所示。在开挖前期随着开挖深度增加，地下水位缓慢下降，在开挖第10 层时，水位发生一次突降，第11 层和12层开挖期间，地下水位大幅度下降，底板浇筑后，水位逐渐稳定。

图2 基坑施工期周边地下水位变化Fig.2 Changes of Groundwater Level around the Foundation Pit during Construction

基坑开挖过程中，周边地下水下降通常是因为地下水渗流进入基坑内部。珠三角工程地下水渗流路径主要有：通过连续墙相邻槽接缝间隙渗流、通过地连墙本身渗流、通过地连墙底部绕渗。10#工作井在开挖期间，曾出现过连续墙相邻槽接缝间隙渗流，施工单位及时进行了灌浆封堵，基本可以排除间隙渗流对地下水位的影响。

通过地连墙本身渗流可以采用达西定律计算渗流量。当基坑开挖至某一高程时，定义基坑外侧水位高程为H1，内部水位高程为H2，连续墙底部高程为H3，高程H1～H2区间连续墙受到内外水压力为线性分布，高程H2～H3区间连续墙受到内外水压力为常压，计算得到通过地连墙本身渗入基坑内部的渗流量为：

其中，k为设计抗渗系数；R为基坑外侧半径；l为连续墙厚度。

在开挖至第12层期间，基坑外侧实测水位高程H1为-12 m，内部水位高程为H2为-50.9 m，连续墙底部高程为H3约为-63 m，计算得到的渗流量Q=0.282 m3/d。通过基坑底部抽排水实测的渗流量Q约为600 m3/d，远远大于计算渗流量，因此可以推断基坑周边地下水主要通过连续墙底部绕渗进入基坑内部。

统计基坑底部抽排水量发现，在开挖后期基坑渗流量逐渐增大，水质逐渐浑浊。分析是因为渗流水携带颗粒物，扩大了渗流通道，因此地下水位在开挖后期发生的3次突降。

3.3 连续墙顶部沉降

10#工作井基坑连续墙顶部沉降变化过程线如图3 所示。与地下水位变化不同的是，连续墙顶部沉降在开挖初期并未发现沉降趋势，甚至出现一段时间上抬现象；相同的是，开挖第10 层～12 层期间，连续墙开始沉降并逐渐加剧，底板浇筑后，沉降逐渐稳定。

图3 基坑施工期连续墙顶部沉降变化Fig.3 Settlement Changes of the Diaphragm Top during Construction

10#工作井基坑连续墙嵌入基岩，且连续墙相邻墙段连接紧密，通常情况下，连续墙整体上不易发生较大变形。在开挖初期，连续墙顶部主要受气温影响，发生混凝土局部热胀，导致整体轻微上抬，这在混凝土工程中比较常见。开挖第10 层～12 层期间，连续墙发生较大沉降，可以判断为连续墙整体下沉；结合现场施工情况，分析与基坑渗流水出现浑浊现象相关。在开挖第10 层期间，基坑底部渗流水出现浑浊，第11层～12层开挖期间，渗流水愈加浑浊。

10#工作井基坑底部主要位于风化带基岩，在挖槽和铣槽过程中，必然形成沉渣在槽底堆积。随着基坑开挖，基坑内外渗透压力逐渐增大，逐渐穿透沉渣层，形成渗流通道，渗流水又携带沉渣中的细颗粒，进一步扩大渗流通道，携带的颗粒物粒径逐渐增大，因此渗流水进一步浑浊，如此恶性循环，导致连续墙底部被掏刷，从而发生整体沉降。

3.4 周边地表沉降

10#工作井基坑周边地表沉降变化过程线如图4所示。周边地表沉降与地下水位变化规律基本一致，在开挖初期变化缓慢，开挖第10层～12层期间，沉降剧烈，底板浇筑后，沉降仍未收敛，但变化趋势逐渐变缓。

图4 基坑施工期周边沉降变化Fig.4 Peripheral Settlement Changes during Construction

在开挖前，10#工作井基坑施工场地进行了清理和回填，人工填土有一段时间的自然固结变形。因此在开挖初期地下水位较为稳定情况下，地表沉降有一个缓慢的沉降期。开挖第10 层～12 层期间地表沉降受地下水位影响明显，基坑周边地下水位下降一方面使周边土体骨架有效应力增加，另一方面基坑内外的水头差会使得土体中产生渗流水压，这两种应力都会导致土体固结压密，从而导致地表快速沉降［7］。底板浇筑后，地下水位虽已稳定，但基坑内外渗流压力依然存在，且前期增加的土体有效应力处于自身调整阶段，因此地表沉降仍会持续一段时间。

4 防控措施

10#工作井基坑监测结果分析研究结果表明，基坑周边地下水在连续墙底部的大量绕渗，直接导致周边地表大幅沉降，间接导致了连续墙整体沉降。这种情况下，基坑安全预警的及时性和有效性显得尤为重要。对于工程整体而言，主要存在2 点安全隐患：①地下水大幅度下降影响周边环境安全；②连续墙一旦出现较大不均匀沉降，在相邻墙段连接部位可能形成不利的剪切应力。针对上述2 点安全隐患，珠三角工程采取了相应的工程措施。

4.1 实时监控预警

珠三角工程在开工初期部署了安全监测信息管理系统（以下简称“监测系统”），并实现施工期自动化测量，工程安全监测数据采集可以一日多次实时传输。本工程工作井基坑自动化及无线传输架构如图5所示。监测系统预警模块通过用户定义的报警源和报警策略，向工程师发送超警提醒，为工作井基坑预警的及时性提供了有力的保障。

图5 施工期安全监测自动化Fig.5 Safety Monitoring Automation during Construction

监测系统具备统计模型分析功能，基于此，预警模块提供了一种结合不同部位的多个测点、多种监测效应量的基坑综合监控指标，计算过程如下。

⑴基坑由变形、地下水位、应力3个监测项目，按照各监测项目重要性分配各自权重，某一监测项目内各测点的权重根据部位的重要程度分配权重，如图6 所示。若监测项目有多种监测技术，则根据各监测技术可靠性进行权重分配，以此类推直至测点，同样逐级分配各自权重［8］。

图6 工作井基坑权重分配结构Fig.6 The Distruction of Working Well Foundation Pit Weight

⑵依次对每个测点的数据进行统计分析，以主要影响因子（若有2个或者2个以上则取多个）对历史数据进行多种关系统计回归，取最优回归方程式；如图7 所示，将方程式的预测值与实测值的差值作为样本，以该样本的95%置信区间的上下限为常数将回归曲线平移，形成3个刻度评分的划分区间，以回归曲线为起点，评分为1，两侧的置信区间为终点，评分为0，根据当次测值分布位置计算该测点的评分。

图7 测点评分原理Fig.7 The Principle of Measuring Point Scoring

⑶根据各测点评分计算该监测项目评分，依次类推得到基坑安全状态总评分。当出现测点监测数据触发报警值，基坑启动了预警，且未采取消警措施情况时，超报警值的测点不参与评分计算，仅对未超报警值测点进行总评分计算，计算结果作为工作井基坑处于预警状态下安全状态评价的参考指标。

⑷以上3 个步骤已将工作井基坑的安全状态评价由定性评价转换为定量评价，在此基础上，考虑各种不利荷载组合情况下的理论监测数据，计算得到的总评分作为综合评价监控指标。

4.2 扩大监测范围

参考标准，珠三角工作井基坑安全监测采用一倍基坑开挖深度作为监测范围。根据基坑降水渗降漏斗规律，地下水位大幅度下降时，渗降漏斗半径必然会增大，监测范围也应随之增大［9］。本文以10#工作井为例，结合地下水位监测资料，计算了地下水位下降后的实际影响范围。

由周边地下水位分析研究结果可知，10#工作井基坑周边地下水渗流路径与潜水非完整井相似，在已知渗流量情况下，渗降影响半径为：

式中：r0为基坑中心与水位孔距离（m）；H0为开挖前水位至基坑底部深度（m）；h为动水位至含水层底部深度（m）；l为当前水位至连续墙底部深度（m）；k为渗透系数（m/d）。

潜水非完整井数学模型是基于均质岩层结构，实际岩层结构为非均质体，需计算非均质体的等效渗透系数。非均质岩层由透水性各不相同的薄层相互交替组成的层状岩层，优化后认为是，每一层的厚度比其延伸长度小得多。10#工作井4个方向的地质勘测揭示的地层结构及相应的渗透系数如表2所示。

表2 10#工作井地层结构及渗透系数Tab.2 Strata Structure and Permeability Coefficient of the 10# Foundation Pit

参考何勇等人关于等效渗透的研究成果［10］及《建筑基坑支护技术规程：JGJ120—2012》［11］计算得到各方向的等效渗透系数及影响半径如表3所示。由表3可知，由于地下水位大幅度下降，10#工作井基坑4个方向的渗降影响半径远远大于1倍开挖深度57.8 m，北侧影响半径甚至超出3 倍开挖深度；文献［11］提供的经验公式由渗透系数、水位降深、含水层厚度等3个自变量组成，未考虑基坑渗流量，在渗流量较大时，经验公式的应用具有一定局限性。

表3 10#工作井等效渗透系数及影响范围Tab.3 The Scope of Influence by the Equivalent Perme⁃ability Coefficient of the 10# Foundation Pit

4.3 优化防渗措施

前文研究结果表明，基坑连续墙底部的沉渣层是防渗结构的薄弱环节，是其他不利情况发生的起因。总结经验，珠三角工程对后续工作井基坑防渗措施进行了优化，在连续墙新增灌浆孔，用于沉渣层的灌浆加固。为避免后期钻孔，并保证孔位垂直度，连续墙钢筋笼制作时预装了1根直径110 mm的PVC管，待连续墙混凝土达到一定强度时，通过预装的PVC 管放入钻头直达底部，钻入约1～2 m，确保穿透沉渣层。该灌浆工序的实施，不仅加强了沉渣层的防渗强度，还一定程度填充了基岩可能存在的裂隙，防止裂隙渗水。

5 总结

珠三角工程施工期自动化监测技术的应用保证了工作井基坑预警的及时性和有效性，同时也提供了大量监测数据。文章结合监测数据，深入分析研究了部分超监控指标监测项目对应的物理量变化机理，计算了基坑出现较大渗流工况下的渗降影响半径。结果表明，在深基坑开挖期间，基坑内外高水头差形成的渗透压力穿透连续墙底部的沉渣层，导致一系列不利情况的发生；基坑周边地下水位下降实际影响范围远大于设计监测范围，在渗流量较大情况下，经验公式计算结果偏小。根据分析研究成果，珠三角工程优化了后期工作井基坑防渗措施。