填海区临地铁软土深基坑变形特性分析*

乔丽平，李韵迪，杨 超

(1.深圳市龙岗地质勘查局，广东 深圳 518172； 2.深圳市岩土综合勘察设计有限公司，广东 深圳 518172；3.五邑大学土木建筑学院, 广东 江门 529020)

0 引言

软土深基坑施工容易导致岩土体及地下结构相互作用产生变形，一方面会引起岩土体及支护结构自身失稳破坏，另一方面也对周边道路、建筑物构成威胁。因此深基坑工程变形是目前国内外研究的热门课题。贺炜等[1]对河心洲地铁车站深基坑开挖监测及环境影响展开分析；庄海洋等[2]对上海地区深软基坑施工过程进行监测，掌握基坑变形特征，探讨了深软场地狭长深基坑变形的时空分布特征及其主要诱因；徐飞等[3]对黄河冲击平原地区超大型深基坑开挖现场监测进行分析，重点对围护结构变形、地表沉降、锚索轴力变化规律进行分析；柏挺等[4]对采用框架逆作法施工的超大基坑展开监测分析。针对基坑施工过程进行监测、掌握基坑变形特征并将分析数据和规律及时反馈施工现场、及时调整施工参数控制变形并对后续施工变形做出预测[5-7]，成为保证基坑安全至关重要的技术手段，因此对于深基坑工程变形特征的研究具有十分重要的工程应用价值。

1 工程概况

都市茗荟花园(一期)位于深圳市宝安中心区，新湖路与甲岸路交汇处北侧，场地东南侧紧邻甲岸路，西南侧与新湖路相距约30m(新湖路下有正在运营的地铁1号线)。场地高程介于3.840～4.950m，总用地面积19 359.5m2，拟建地下室3层。场地内主要地层为杂填土(Qml)、第四系全新统海漫滩相沉积层(Qm(b))、第四系冲洪积层(Qal+pl)、残积层(Qel)、下伏基岩为燕山第三期花岗岩。地下水主要有两种类型：一是孔隙潜水，赋存于第四系粗砂层(③2)中，其透水性较强，为区内主要含水层；二是花岗岩中的风化裂隙水，主要赋存于强、中风化岩风化裂隙中，其透水性及富水性受裂隙发育程度控制，总体上属于弱透水层。其余各土层属弱透水层。勘察期间测得终孔稳定地下水位埋深介于1.00～1.80m，各土层物理力学参数如表1所示。

表1 各土层物理力学参数

该项目基坑呈不规则四边形，开挖深度约14.1m，周长约525.0m，面积约15 000m2，基坑支护安全等级定为一级。基坑支护采用咬合桩+2道钢筋混凝土支撑结构形式(咬合搭接0.2m)，基坑北侧局部采用咬合桩+预应力锚索支护。基坑西侧为保护地铁，在咬合桩外侧再布设1排高压旋喷桩作止水帷幕。基坑支护典型剖面如图1所示。

图1 基坑支护典型剖面

本基坑工程于2015年7月开始施工，2016年3月开始土方开挖，2016年11月完成基坑工程竣工验收，基坑开挖主要工况如表2所示。

表2 主要开挖工况

2 监测方案

为了及时掌握基坑和周边道路的变形情况，对基坑支护工程实施变形监测，主要监测项目包括支护桩顶水平位移、基坑地表沉降、支撑立柱沉降、周边道路沉降、内支撑轴力、支护桩内力、锚索应力、地下水位、支护桩桩身测斜。

3 监测数据分析

提取2016年3月31日—2016年11月31日的现场实测数据，按基坑开挖、支撑架设、拆撑主要工况进行统计与分析，重点对基坑支护结构位移、坡顶位移、内支撑轴力变化深入分析，总结变形规律。

3.1 支护桩桩身测斜数据分析

为分析本工程支护桩变形趋势，选取支护桩测斜监测点X2(基坑北侧)、X5(基坑南侧)、X10(基坑西侧)和X3(基坑东侧)监测数据进行分析，基坑主要施工工况、开挖深度及对应各监测点桩身变形最大值统计如表3所示，水平位移-时程曲线如图2所示。

表3 开挖工况与支护桩最大位移统计

图2 支护桩位移-时程曲线

基坑开挖引起各侧支护桩不同程度变形，监测数据表明：①本工程支护桩测斜最大位移点均位于桩顶位置。②支护桩最大位移监测点为基坑西侧监测点X10，最大位移为25.54mm，由于基坑形状条件限制，该侧采用支护桩+锚索支护，在软土地质条件下，锚索相较于内支撑对控制基坑变形效果差。③基坑开挖至第2道支撑底向下开挖至基坑底期间，支护桩侧向变形变化量最大，此期间基坑风险最高。④拆撑期间第2道支撑拆除后，支护桩侧向变形变化量相较于第1道支撑拆除后大。

统计支护桩测斜监测点X1～X10最大侧向变形与开挖深度关系如图3所示。

图3为支护桩侧向最大变形与开挖深度关系，变化范围为(0.08%～0.29%)He，取其平均值，支护桩最大侧向变形及其对应开挖深度关系为δhm=0.16%He。受开挖时间、开挖顺序、开挖土方量、支撑架设时间等多种因素影响，基坑开挖深度增加6m，围护桩最大变形增量集中在2～12mm范围内。其中X1～X8监测点最大变形增量集中在2～5mm范围内，X9～X10监测点最大变形增量集中在9～12mm范围内，分析其主要原因为该侧采用桩锚支护形式，相较于其余区域采用桩撑支护形式控制变形能力较差。

图3 支护桩最大侧向变形与开挖深度关系

3.2 坡顶位移监测

为分析本工程基坑坡顶位移变化趋势，选取坡顶位移监测点CW3(基坑北侧)、CW12(基坑南侧)、CW22(基坑西侧)和CW7(基坑东侧)监测数据进行分析，统计基坑主要施工工况、开挖深度及对应各监测点最大位移统计如表4所示，位移-时程曲线如图4所示。

表4 开挖工况与最大坡顶位移统计

图4 坡顶位移时程曲线

监测数据表明：①坡顶最大位移监测点为基坑西侧监测点CW22，最大竖向位移值13.70mm，最大水平位移25.80mm，该侧为支护桩+锚索支护段。②坡顶位移监测点竖向位移及水平位移变化趋势基本一致，随着基坑开挖深度增加，坡顶位移逐渐增加后趋于平稳。③基坑开挖至第1道支撑底至基坑开挖至第2道支撑底期间坡顶位移变化量最大。④拆撑期间坡顶位移趋于稳定，内支撑拆除对基坑坡顶影响较小。

分别统计基坑坡顶位移监测点CW1～CW23水平位移、竖向位移与开挖深度关系如图5,6所示。

图5 坡顶水平位移与开挖深度关系

图6 坡顶竖向位移与开挖深度关系

图5,6分别为坡顶水平位移及坡顶竖向位移与开挖深度关系，坡顶水平位移与开挖深度变化范围为(0.03%～0.35%)He，取其平均值，坡顶水平位移及其对应开挖深度关系为δshm=0.19%He。坡顶竖向位移与开挖深度变化范围为(0.02%～0.24%)He，取其平均值，坡顶竖向位移及其对应开挖深度关系为δvm=0.13%He。由上述分析可知，坡顶水平位移平均值略大于支护桩最大水平位移平均值，二者较接近，坡顶竖向位移平均值最小。

3.3 支撑轴力监测

基坑开挖阶段，东北侧角撑轴力监测点ZL1～ZL5、东南侧角撑轴力监测点ZL6～ZL11、中部对撑轴力监测点ZL12～ZL15、西南侧角撑轴力监测点ZL16～ZL19轴力监测值与开挖深度关系如图7所示。

图7 支撑轴力与开挖深度关系

监测数据表明：①基坑开挖至第2道支撑底期间，第1道支撑轴力逐渐增大，变化幅度大，第2道支撑架设后，第1道支撑轴力逐渐趋于平稳或略有增加，但变化幅度不大。②第2道支撑架设后，随基坑开挖深度增加，第2道支撑轴力逐渐增大，并在基坑开挖至坑底后达到峰值。③基坑开挖至坑底后第1道支撑轴力与第2道支撑轴力监测值差值逐渐减小，呈逐渐靠近趋势。④基坑开挖阶段东北侧角撑轴力监测最大值达到5 777kN，东南侧角撑轴力监测最大值达到5 475kN，中部对撑轴力监测最大值达到6 801kN，西南侧角撑轴力监测最大值达到4 038kN。基坑中部对撑受力最大，内支撑轴力变化受基坑形状、内支撑布置、开挖顺序等因素影响。

4 数值模拟与实测分析

采用有限元软件Midas/GTS建立了三维有限元模型，模拟基坑开挖的全过程。计算模型平面上为260m×250m的矩形。模型的深度取约2.5倍基坑开挖深度(底部为全～强风化花岗岩)，深度为40m。岩土体本构模型采用莫尔-库仑弹塑性本构模型，单元类型为四面体单元；结构体均采用线弹性材料，单元类型为板单元和梁单元；支护桩按照等效刚度法简化为板结构(仅考虑咬合桩中配筋桩的刚度)，锚索腰梁采用梁单元模拟，水泥搅拌桩采用硬质土层模拟，喷射混凝土和隧道衬砌采用板单元模拟，数值模型如图8,9所示。

图8 围护结构侧向变形监测点示意

图9 坡顶位移监测点示意

为与现场实测数据进行对比分析，提取与现场实测点位一致监测点在基坑开挖至第1道支撑底部(2.5m)、第2道支撑底部(8.4m)、基坑底部(14.1m)变形值，围护结构侧向变形及坡顶位移分析监测点选取如图8,9所示。统计围护结构侧向变形监测点X1～X10数值模拟最大侧向变形值与开挖深度关系如图10所示，并将数值模拟计算结果与实测值进行对比分析。

图10 支护桩最大侧向位移与开挖深度关系(数值模拟与实测对比)

从图10中可以看出，支护桩最大侧向变形数值模拟值λhm变化范围为(0.06%～0.68%)He,平均值为0.21%He；实测值变化范围为(0.08%～0.29%)He，平均值δhm=0.16%He。数值模拟与实测统计平均值接近，数值模拟统计平均值略大于实测值。与文献[7]中统计的上海地区软土深基坑围护结构最大侧向变形平均值0.42%He相比[7]，本项目支护结构对软土深基坑变形起到较好地控制作用。

分别统计基坑顶位移监测点CW1～CW23数值模拟水平位移变形值、竖向位移值与开挖深度关系如图11,12所示，同时将数值模拟计算结果与实测值进行对比分析。

图11 坡顶水平位移与开挖深度关系(数值模拟与实测对比)

从图12中可以看出，本工程坡顶水平位移数值模拟值γshm变化范围为(0.06%～0.45%)He,平均值为0.25%He；实测值变化范围为(0.03%～0.35%)He，平均值δhm=0.19%He。数值模拟与实测统计平均值较接近，数值模拟统计平均值略大于实测值。坡顶竖向位移数值模拟值γvm变化范围为(0.006%～0.23%)He平均值为0.12%He；实测值变化范围为(0.02%～0.24%)He，平均值δhm=0.13%He。数值模拟与实测统计平均值基本一致。坡顶竖向位移平均值小于坡顶水平位移平均值。通过数值模拟及现场实测数据相互验证，进一步证明本项目支护结构对软土深基坑变形起到较好地控制作用。

图12 坡顶竖向位移与开挖深度关系(数值模拟与实测对比)

5 结语

1)本工程支护桩测斜最大位移点均位于桩顶位置，在软土地质条件下，锚索相较于内支撑对控制基坑变形效果差。基坑开挖至第2道支撑底向下开挖至基坑底期间，支护桩侧向变形变化量最大，此期间基坑风险最高。拆撑期间第2道支撑拆除后，支护桩侧向变形变化量相较于第1道支撑拆除后大。

2)坡顶最大位移监测点位于支护桩+锚索支护段。坡顶位移监测点竖向位移及水平位移变化趋势基本一致，随着基坑开挖深度增加，坡顶位移逐渐增加后趋于平稳。基坑开挖至第1道支撑底至基坑开挖至第2道支撑底期间坡顶位移变化量最大。拆撑期间坡顶位移趋于稳定，内支撑拆除对基坑坡顶变形影响较小。

3)基坑开挖至第2道支撑底期间，第1道支撑轴力逐渐增大，变化幅度大，第2道支撑架设后，第1道支撑轴力逐渐趋于平稳或略有增加，但变化幅度不大。第2道支撑架设后，随基坑开挖深度增加，第2道支撑轴力逐渐增大，并在基坑开挖至坑底后达到峰值。基坑开挖至坑底后第1道支撑轴力与第2道支撑轴力监测值差值逐渐减小，呈逐渐靠近趋势。基坑中部对撑受力大于角撑。

4)本工程支护桩最大侧向变形数值模拟值λhm变化范围为(0.06%～0.68%)He,平均值为0.21%He；实测值变化范围为(0.08%～0.29%)He，平均值δhm=0.16%He。数值模拟与实测统计平均值较为接近，数值模拟统计平均值略大于实测值。坡顶水平位移数值模拟值γshm变化范围为(0.06%～0.45%)He,平均值为0.25%He；实测值变化范围为(0.03%～0.35%)He，平均值δhm=0.19%He。数值模拟与实测统计平均值接近，数值模拟统计平均值略大于实测值。坡顶竖向位移数值模拟值γvm变化范围为(0.006%～0.23%)He,平均值为0.12%He；实测值变化范围为(0.02%～0.24%)He，平均值δhm=0.13%He。数值模拟与实测统计平均值基本一致。