超长L形深基坑台阶法开挖围护结构变形特征研究*

甘彬霖 梁亚华 卞 超 毕书琦 杨永华 李 欢

(1.煤炭科学研究总院建井研究分院，100013，北京；2.北京中煤矿山工程有限公司, 100013，北京；3.中国建筑第八工程局有限公司，200013，上海∥第一作者，硕士研究生)

在深基坑开挖过程中，围护结构变形规律及控制是保证工程安全可靠的关键。目前基坑安全事故发生率高达30%，其中42%的地下工程事故主要由施工不当引发[1-3]。经分析，在基坑开挖施工过程中，结构失效风险较大[4]。基坑工程结构的失效破坏一般分为强度破坏和变形破坏，其中围护结构变形破坏是基坑失效破坏的主要表现形式[5]。

文献[6-13]主要通过理论分析、数值模拟和施工监测等方法，对基坑开挖过程中围护结构变形规律及控制问题进行研究。围护结构处于岩土体天然介质环境系统中，具有隐蔽性、复杂性、区域差异性和环境影响显著等特点，理论分析和数值模拟一般基于地质环境和边界条件的假定，故计算模型和分析结果同实际情况之间存在差异，而监测分析结论与工程实际相符，能更好地反映围护结构实际变形规律。文献[10]根据超大深基坑开挖监测，分析车辆动载和土体蠕变对支护结构水平变形的影响；文献[11]通过中隔墙和“盆式开挖”优化设计，有效控制了某L形深基坑支护体系变形；文献[14]通过监测分析了上软下硬地质条件的深基坑开挖过程中围护结构位移规律；文献[15]根据监测结果，分析了深厚软土超深大基坑分区对称开挖引起围护结构变形特性。

目前，围护结构变形规律研究多针对单一基坑条件、开挖方式或开挖工况，对超长L形深基坑台阶法开挖围护结构变形特征研究相对较少。本文基于那洪立交站L形深基坑施工的现场监测，分析台阶法开挖不同施工阶段地下连续墙围护结构的墙顶竖向位移、墙顶水平位移和墙体深层土体位移的变化规律，为特殊开挖方式下异形深基坑围护结构变形控制提供参考。

1 工程概况

1.1 项目简介

那洪立交站位于南宁那洪大道与壮锦大道交叉十字路口处，为南宁轨道交通4号线和5号线的换乘站。其中，4号线车站主体基坑长256.6 m，小里程端宽度为31.4 m，联络通道段宽度为28.2～37.1 m，标准段宽度为27.5 m，大里程盾构端宽42.8 m，深度为25.9～29.5 m，采用厚800 mm的地下连续墙+内支撑支护形式，设置4道内支撑，其中第1道支撑为混凝土支撑，第2道及以下支撑为钢支撑。5号线车站主体基坑长269.8 m，标准段宽度为27.5 m，联络通道段宽度为25.0～32.8 m，标准段宽度为22.9 m，大里程盾构端宽35.5 m，深度为17.9～22.6 m，采用厚800 mm的地下连续墙+内支撑支护形式，设置3道内支撑，其中第1道支撑为混凝土支撑，其余为钢支撑。基坑现场布置如图1所示。

图1 基坑现场俯视图

1.2 场地条件

场区内主要工程地质结构层自上而下主要为：①1砾石填土；①2素填土；①3淤泥质填土；⑤2含黏性土圆砾；⑥1-2粉质黏土；⑥2含黏性土粉砂；⑦1-2泥岩；⑦1-3泥岩；⑦2-2泥质粉砂岩；⑦2-3泥质粉砂岩；⑦4炭质泥岩。地下水类型主要为上层滞水、第四纪松散岩类孔隙水及碎屑岩类孔隙裂隙水，水位埋深为5.02～8.77 m。基坑施工采用深井管井降水方法，将坑内水位降至工作面之下0.5 m处。

2 基坑开挖和监测方案

2.1 开挖方案

该基坑采用分层分区、同槽开挖的台阶法开挖方案。4号线基坑共划分11个单元区域(图2)，采用后退式台阶捣土开挖的方式，由两端往中间开挖；5号线基坑划分11个单元区域(图3)，根据自南往北台阶法开挖的原则，先整体挖完第2道支撑以上土方，并在北端设马道坡，再从基坑南端往北进行后退式台阶捣土开挖，以提高出土效率。该项目基坑工程从2018年5月5日开挖动工，至2018年12月10日全部开挖完成。

图2 4号线主体基坑分区开挖示意图

图3 5号线主体基坑分区开挖示意图

2.2 监测方案

那洪立交站基坑的重要性等级和监测等级均为Ⅰ级。在开挖过程中，对围护结构的墙顶竖向位移、墙顶水平位移和墙体深层水平位移进行全面监测。

监测点沿地下连续墙布置(如图4所示)，墙顶竖向位移监测点(ZQC1～ZQC61)及墙顶水平位移监测点(ZQS1～ZQS61)布置在墙顶冠梁处，墙体深层土体位移监测点(ZQT1～ZQT61)布置在靠近墙体周围土体处。各监测项目的布置要求和监测控制值如表1所示。

a)4号线部分

表1 支护结构监测项目布置要求和监测控制值

3 监测结果与分析

3.1 墙顶竖向位移

截至开挖完成时，墙顶竖向位移监测结果(见图5)中，除ZQC8监测点出现1.12 mm下沉外，其余监测点均出现不同程度上升。其中，ZQC20、ZQC21、ZQC37、ZQC38、ZQC39、ZQC51监测点的竖向位移超过监测控制值(10 mm)，属于橙色预警状态。经分析，ZQC20、ZQC21、ZQC37、ZQC38及ZQC39位于5号线基坑中部两侧，且ZQC20、ZQC21位于基坑中部西侧犄角处，ZQC51位于基坑交汇的西侧内凹角。这表明基坑的形状和所处位置对围护结构的竖向位移影响很大，基坑中部和犄角处的变形相对较大。

图5 墙顶最终竖向位移

本文选取基坑西端的ZQC1，4号线基坑中部的ZQC6和ZQC57,4号线及5号线基坑交汇处的ZQC46和ZQC51，5号线中部的ZQC21和ZQC38，对历时数据进行分析，得到L形基坑开挖过程中不同区段围护结构累计竖向位移的历时曲线(见图6)。

由图6可知，开挖过程中墙顶竖向位移随时间变化明显。当开挖深度较浅时，墙顶竖向位移以沉降为主；随着时间和开挖深度的增加，卸荷效应作用增大，隆起量大于沉降量，围护结构发生隆起变形，并具有一定的波动性。

图6 墙顶竖向累计位移历时曲线

对不同区段而言，L形基坑长边中部的竖向位移量最大，交汇处次之，短边端最小，但内凸处竖向位移量相对更大，基坑的形状效应显著。根据监测结果，ZQC51、ZQC38和ZQC21的竖向累计位移量均超过了±10 mm的控制值，并分别在9月22日、10月15日和10月29日达到橙色预警等级。4号线基坑中部的开挖深度比5号线基坑中部开挖深度大3.6 m，但4号线主体基坑中部的ZQC6和ZQC57的竖向位移量小于5号线主体基坑中部的ZQC38和ZQC21。这表明由基坑两端向中间捣土的后退式台阶开挖方式比单向后退式台阶法捣土开挖方式更能有效控制围护结构的竖向变形。

对比同一区段的最终竖向变形值，ZQC6和ZQC21处分别小于ZQC57和ZQC38处变形值。这与该区段基坑南侧和东侧土体变形分别受建筑物和桥基的抑制有关。

3.2 墙顶水平位移

基坑开挖完成后，不同监测点的墙顶最终水平位移量均小于控制值(±25 mm)，如图7所示。根据不同监测点的水平位移量，拟合出基坑开挖完成后围护结构的变形情况,如图8所示。

注：墙顶水平位移为正表示向基坑内变形，为负表示向基坑外变形。

由图8可见：墙顶水平位移以向基坑内变形为主；同一区段的水平位移变形方向基本一致，即同时向内或向外变形；基坑内凸处的水平变形量相对较大，但受内支撑结构的影响，墙顶水平位移没有明显的区段特征。

图8 围护结构水平位移拟合图

4号线主体基坑东侧开挖深度为26.5 m，5号线主体基坑南侧开挖深度为17.9 m，因此在基坑交汇处有1个8.6 m深的坑中坑。基坑交汇区域的墙顶水平位移历时曲线如图9所示。在基坑开挖初期，开挖深度较浅且相同，基坑交汇区域监测点的墙体水平位移量较小且变化趋势基本一致。在8月10日之后，基坑交汇区域北侧的开挖深度开始逐渐大于南侧开挖深度。此时：北侧ZQS12、ZQS45和ZQS46监测点处的墙体水平位移以向坑内变形为主，南侧ZQS48、ZQS49和ZQS50监测点的墙体水平位移以向坑外变形为主，且变形量均随时间的推移逐渐增大；在坑中坑临界处，ZQS47和ZQS51监测点的墙顶水平位移值介于南北侧监测点的水平位移值之间。这表明施工过程中，基坑内的开挖深度差导致区域土体产生不均匀的应力场和位移场，进而使同一区段内不同开挖深度侧的墙顶水平变形量不同，且变形方向相反：较深侧以向坑内变形为主，较浅侧以向坑外变形为主。

图9 交汇区域墙顶水平位移历时曲线

3.3 墙体深层水平位移

基坑开挖完成后，不同区域的墙体深层水平位移监测值如图10所示，不同监测点的墙体深层水平位移随深度的变化规律基本相同，位移-深度曲线呈明显指向坑内的“弓”形。ZQT1处的开挖深度为29.5 m，ZQT7、ZQT11、ZQT52及ZQT56处的开挖深度为26.2 m，ZQT19、ZQT39和ZQT44处的开挖深度为19.0 m。结合图10可知，墙体深层水平位移最大值位置的深度随开挖深度的增大而增大。

注：水平位移值为正表示向基坑内偏移，为负表示向基坑外偏移。

通过对28组墙体深层水平位移监测点的区域开挖深度、水平位移最大值及其所处深度数据统计分析，墙体深层水平位移最大值为0.076%H～0.264%H(H为所在区域开挖深度)，水平位移最大值所在深度为0.54H～0.80H。对同一区段而言，ZQT39、ZQT56和ZQT11处不同深度的水平位移分别大于ZQT19、ZQT7和ZQT52对应深度的水平位移。这表明：对于L形基坑长边段中部墙体深层水平位移，外侧大于内侧；对于基坑交汇处的墙体深层水平位移，内阴角侧大于对侧。

在基坑开挖过程中，墙体深层水平位移随时间及深度变化的曲线分别如图11和图12所示。在基坑开挖初期，墙体水平位移呈现斜线形分布，位移量随深度的增加而减小；随着开挖深度的增加，墙体深层水平位移逐渐表现为“弓”形分布，开挖深度越大“弓”形分布的特点越明显，墙体最大水平位移值及其所在深度随开挖深度的增加而增加。至9月30日，ZQT1所在区域的土体开挖完成，ZQT1处深层最大水平位移值的深度基本保持不变，而最大水平位移值随时间的增加而逐渐增大；至11月15日，ZQT57所在区域的土体开挖基本完成，墙体深层水平位移变化特点与ZQT1处类似。这表明：墙体深层最大水平位移值的深度主要由开挖深度决定；最大水平位移值具有明显的时间效应，开挖完成后最大水平位移值随着基坑暴露时间的增加而增大。因此，在基坑施工过程中，应合理安排工序，减少基坑暴露时间，以控制围护结构的深层水平变形。

图11 ZQT1深层水平位移历时曲线

图12 ZQT57深层水平位移历时曲线

4 结论

1)L形基坑围护结构变形的形状效应显著，基坑长边中部的墙顶竖向位移量最大，基坑交汇处次之，短边端最小，内凸处的竖向位移量相对较大；墙顶竖向位移随时间变化明显，当开挖深度较小时，墙顶竖向位移以沉降为主，随着时间的推移和开挖深度的增加，基坑卸荷效应作用增大，隆起量大于沉降量，围护结构发生波动隆起变形。

2)同一区段的墙顶水平位移方向一致，均以向坑内变形为主；虽基坑内凸处的水平变形量相对较大，但受内支撑支护影响，墙顶水平位移没有明显的区段差异特征；坑内开挖深度差导致同一区段内不同深度侧的墙顶水平变形量差异较大，且变形方向相反。

3)墙体深层最大水平位移具有明显的时间效应；最大水平位移值约为0.076%H～0.264%H；最大值所在深度约为0.54H～0.80H，主要由开挖深度决定；对于L形基坑长边段中部墙体深层水平位移，外侧大于内侧，对于交汇处的墙体深层水平位移，内阴角侧大于对侧。