城市深基坑分坑开挖变形影响分析

城市深基坑分坑开挖变形影响分析

郭玉达1   ,冯小朋2

杭州市建设工程质量安全监督总站 310011中铁一局集团建筑安装工程有限公司710054

[摘要] 本文以杭州市某深基坑工程为例，对在城市中进行深基坑开挖对自身围护结构及周围土体的变形影响规律进行了分析。分析结果表明，随着开挖深度的增加，围护结构的水平位移逐渐增大，并呈现出拟“弓”形的变化规律；在基坑开挖过程中周围土体沉降量随着距基坑边缘距离增大呈现出先增大后减小的趋势；采用分坑开挖加上合理的支护体系能够有效的控制围护结构水平位移和周围土体沉降，确保城市中深基坑开挖的施工安全。研究成果为类似工程提供了参考依据。

[关键词]  深基坑；分坑开挖；地下连续墙；地表沉降

中图分类号：TU753      文献标识码：A

作者简介：

Analysis on deformation of urban deep foundation pit dividing excavation

Abstract:  Taking a deep foundation pit project in Hangzhou as an example, this paper analyzes the influence of deep foundation pit excavation on the deformation of self retaining structure and surrounding soil. The results show that with the increase of excavation depth, the horizontal displacement of the retaining structure increases gradually, and presents a quasi "bow" shaped change rule; In the process of foundation pit excavation, the settlement of the surrounding soil first increases and then decreases with the increase of the distance from the edge of the foundation pit; The adoption of separate pit excavation and reasonable support system can effectively control the horizontal displacement of the retaining structure and the settlement of the surrounding soil, and ensure the construction safety of urban medium and deep foundation pit excavation. The research results provide a reference for similar projects.

Keywords: deep Excavation ; pit piding excavation ; diaphragm wall ; surface subsidence

0引言

随着城市的不断发展，在城市中进行深基坑工程建设的现象越来越多。随之而来，如何在城市复杂施工条件下安全、快速的进行基坑工程建设是我们当前面对的一大难题。在基坑过程中，土体开挖会导致周围土体卸荷从而对基坑自身及周围构筑物产生一定的影响，如果在施工过程中处理不当，可能会酿成严重的工程事故[1]。陈勇超[2]通过对广州某超大深基坑工程实例，采用支护理论与数值模拟相结合的方法，认为基坑开挖每增大1m，卸载状态下土体的工程性质及力学状态就会发生巨大变化，施工风险也会明显增大。庄海洋等[3]以上海某深软场地狭长基坑为背景，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。汪中卫等[4]以某地铁深基坑实测数据为依据，经过分析后发现，采用基于时空效应的分层分块的快挖快撑、坑内注浆和支撑预加轴力等措施，可以显著减小围护结构水平位移和地表沉降。霍润科等[5]通过研宄深基坑开挖过程中各道支撑轴力的变化规律，认为第一道支撑采用混凝土支撑比钢支撑更能有效的抑制基坑开挖所导致的围护结构变形。

本文基于杭州市某深基坑工程，研究深基坑开挖对自身围护结构和周围土体的变形影响规律。通过对实测数据的分析，验证了本项目所提出的施工方案的合理性，对类似工程提供了参考依据。

1工程概况

1.1 工程简述

本工程基坑位置及场地现状如图1所示。本工程地下室主体基坑东西向长约264m，南北向宽约 114m，基坑周长约766m，基坑面积约3万平方米，挖深13.1m。基坑整体划分为K1~K5五个分坑进行施工。开挖顺序为先K1、K2号分坑              再K3、K4号分坑最后开挖K5分坑。

图1 基坑位置示意图

其中K1~K4东、南、西侧采用800厚地连墙结合三道内支撑支护（其中第一道为混凝土支撑，第二、三道为钢支撑），K1~K4分隔桩采用φ800@1100钻孔桩。K5区域采用φ800@1000钻孔桩结合两道型钢组合支撑支护，桩外采用一排三轴水泥搅拌桩止土止水。本工程典型的内支撑系统剖面图如图2所示。

图2 基坑内支撑系统典型剖面图

1.2 地质水文情况简述

根据现场勘察，工程基坑开挖范围内以素填土、粘质粉土和砂质粉土为主。根据基坑的实际开挖情况，所涉及主要土层参数如表1所示。

表1 土层参数

场地勘探深度以浅的地下水类型按其含水介质、水动力特征及其赋存条件，主要分为第四系松散岩类孔隙潜水、第四系松散岩类孔隙承压水和基岩裂隙水三类。

2 基坑围护结构实测结果分析

2.1 监测点分布

根据本工程实际情况，选取毗邻地铁的K1~K4号分坑南侧的部分监测点位数据进行分析。具体点位分布结果如图3所示。

图3 围护结构水平位移监测点位分布图

2.2 K1~K4分坑开挖对围护结构影响结果分析

以地下连续墙和内支撑作为基坑的支护体系，在基坑内土体开挖后，开挖部分的地下连续墙受到了较大的主动土压力，从而产生了向基坑内部变形的趋势，这与基坑周围土体的水平位移保持相同的变形趋势[]。随着基坑开挖深度的不断增加，地下连续墙的水平向位移不断增大，朝向基坑内部不断变形。本文以围护结构水平位移朝向坑内方向为正。

图4 ZQT14号点位围护结构位移结果图

ZQT14号点位位于K1号分坑南侧，亦是最早进行监测的点位之一。由图4可知，当基坑开挖深度较浅时，地下连续墙的水平位移均控制在3m以内，且水平位移最大值均出现在现阶段开挖面附近。当第三层土方开挖完成后，地下连续墙的水平向位移有较大发展，最大值达到了6.1mm。随后第三道钢支撑架设完成后，水平位移最大值达到了8.5mm。按照理论来说，这两道工况下的围护结构水平位移水平位移因较为接近。参考现场实际施工情况，造成两道工况下围护结构变形相差较大的原因可能是两道工况的施工间隔长，基坑暴露时间较长。当基坑开挖至坑底位置时，围护结构水平变形相较于前道工况无明显发展，最大变形量仅为9.1mm，出现在深度为-14m位置，同时这一位置也非常接近本工程最终坑底位置。

图5 ZQT8号点位围护结构位移结果图

ZQT8号点位位于K2号分坑南侧， K2号分坑与K1号分坑同期施工。由图5可知，在第二道钢支撑架设完成后，围护结构水平变形量非常小，相较于第二层土方开挖时有所减小。随着基坑开挖深度的不断增加，该点位的围护结构水平位移也在不断增大。当第三层土方开挖完成时，围护结构水平位移最大值为3.2mm。同K1号分坑的情况，当第三道钢支撑架设完成时，围护结构水平位移最大值达到6.4mm，增量为100%，这可能与基坑第三道钢支撑架设时间较晚有关。在K2号分坑最后一层土方开挖完成后，围护结构水平位移的最大值为12.7mm，位于深度为-16m位置。从上述可知，地连墙的整体水平位移随着开挖深度的增大而不断增大，同时呈现出“弓”形的变化规律。

图6 ZQT13号点位围护结构位移结果图

ZQT13号点位位于K3号分坑南侧，在K1和K2号分坑地板施工完成后进行土方开挖工程。由图6可知，在K1和K2号分坑开挖完成的基础上，K3号分坑的围护结构也受到了一定的影响，在基坑开挖深度较浅时，围护结构就产生了较大的水平位移。在K3号分坑第二层土方开挖完成后，ZQT13号点位的最大水平位移达到了13.3mm，相较于ZQT14号点位的1.6mm与ZQT8号点位的1.8mm有显著增长。在后续工况特别是第三层土方开挖完成与第三道钢支撑架设中，两者的围护结构水平位移量非常接近，同时根据现场调研K3号分坑这两道工况施工间隔短，也验证了基坑暴露时间会影响基坑围护结构的变形。在最后一层土体开挖完成后，ZQT13号点位的围护结构水平位移最大值达到了26.7mm，出现在深度为-12m位置，与坑底位置较为接近。

图7~8为ZQT3号和ZQT1号监测点位的围护结构变形结果，其中ZQT3号点位位于K4号分坑南侧，ZQT1号点位位于K4号分坑西侧。由图7可知，ZQT3号点位的前期围护结构水平变形接近于“拟线性”分布，围护结构水平位移最大值在顶部附近，位移量为5.5mm。随着开挖深度的进一步增大，围护结构水平位移的变化规律逐步变为“弓”形。 当K4号基坑第三道钢支撑架设完成后，围护结构水平位移最大值发生在深度为-12.5m处，位移量为13.5mm。当基坑全部开挖完成后，围护结构水平位移最大值减小至12.4mm，仍然位于深度为-12.5m位置。由图8可知，ZQT1号点位整体地下连续墙变形量要小于ZQT3号点位。与ZQT3号点位不同，1号点位的围护结构在基坑开挖深度不大的时候就呈现出了“弓”形的变化规律，并且在后续的施工中仍然保持这样的规律。在K4号分坑开挖完成后，ZQT1号点位的围护结构水平位移最大值达到7.6mm，位于坑底位置附近深度为-15mm位置。

图7 ZQT3号点位围护结构位移结果图

图8 ZQT1号点位围护结构位移结果图

综上所述，本工程K1~K4号分坑开挖对于南侧临近地铁的围护结构的水平位移影响结果并不大。在各个工况下，围护结构水平位移最大值主要控制在10mm左右，最大值也不超过30mm，完全符合设计要求的40mm变形量。

2.3 K5号分坑开挖对围护结构影响结果分析

本工程K5号分坑是开挖面积最大的分坑,同时在K1~K4号分坑开挖完成后一段时间后才进行K5号分坑的开挖。为探究分坑开挖对于围护结构水平位移影响的规律，取K5号分坑开挖前后本基坑南侧围护结构典型点位的水平位移结果进行分析。

图9 ZQT1号点位水平位移对比图

图10 ZQT3号点位水平位移对比图

图11 ZQT13号点位水平位移对比图

图9~11是ZQT1、ZQT3和ZQT13号点位的围护结构在K5号分坑开挖前后水平位移量的对比结果图。从图中可以看出，相较于K5号分坑开挖前各个点位的围护结构水平位移量均有不同程度的增加，其中在基坑开挖深度范围内的位移量增量显著高于坑开挖深度范围外。

对于ZQT1号点位，围护结构顶部的位移量由1.8mm增大至10.6mm，同时最大位移量由9.3mm增大至22.4mm；对于ZQT3号点位，围护结构顶部水平位移量由9.6mm增大至17.4mm，最大水平位移量由15.2mm增大至22.7mm；对于ZQT13号点位，K5号分坑开挖前后围护结构整体水平位移变化规律基本类似，均近似于“弓”形，此处地下连续墙顶部位移量由13.8mm增大至19.4mm，而最大位移量由26.4mm增大至34.2mm。

综上所述，K5号分坑开挖对于K1~K4号分坑南侧的围护结构变形仍然有一定的影响。在K5号分坑施工完成后这些位置的地下连续墙水平位移量会有一定程度的发展，但是也依然控制在设计要求的40mm以内。从而进一步证明了本工程所设计的支护方案的安全性。

3 基坑周围地表沉降结果分析

基坑开挖过程中会造成周围土体的变形沉降，若变形沉降量过大则易造成周围构筑的结构损伤甚至产生严重的安全事故。因此对于基坑开挖过程中周围土体的沉降变形进行监测是非常有必要的。图12是选取的几个地表沉降监测点位位置示意图。

图12 地表沉降监测点位分布图

图13 DBC14号点位地表沉降结果图

DBC14号点位位于K1号分坑南侧，图13是DBC14号点位地表沉降随着K1号分坑开挖地表沉降实测变化结果。由图可知，在各个施工工况中，地表沉降最大值均出现在DBC14-2号点位，该点位整体的地表沉降变化呈现出先增大后减小的规律，且各点位的沉降结果随着基坑开挖深度的增加而不断增加。最终DBC14-2号点位的沉降值为-12.7mm。

图14 DBC8号点位地表沉降结果图

DBC8号点位位于K2号分坑南侧，与DBC14号点位的结果类似，DBC8号点位的地表沉降最大值均出现在DBC8-2号点位处。整体呈现出“V”形的变化规律。DBC8-2号点位的沉降值为-14.2mm。

图15 DBC13号点位地表沉降结果图

DBC13号点位位于K3号分坑南侧。由图15可知，与DBC14和DBC8号点位相比，DBC13号点位的地表沉降量随着开挖深度增加量较小，地表沉降最大值仅从-15.1mm增大至-18.7mm，增量仅为23.8%。说明DBC13号点位在K3号分坑开挖前期就产生了较大的沉降量。根据现场勘察，在DBC13点位附近存在远超于其余点位的施工堆载，这也说明基坑周围地表堆载过大会影响基坑施工过程中的安全。

图16为位于K4号分坑南侧的DBC3号点位的地表沉降量随施工工况变化的结果图。由图可知，DBC3号点位的地表沉降最大值也是出现在DBC3-2号点位，地表沉降呈现出先增大后减小的变化规律。

图16 DBC3号点位地表沉降结果图

综上所述，在K1~K4基坑开挖期间，基坑南侧 各监测点位的地表沉降变化规律较为接近，且最终沉降量均控制在20mm以内，小于设计要求的30mm。说明本项目设计的支护形式能够有效控制基坑周围土体的沉降变形。

4结论

本文基于杭州市某临近地铁深基坑工程的现场实测数据，研究了在分坑施工条件下开挖对基坑围护结构水平位移和地表沉降的变形规律，主要得到以下结论。

1、在基坑开挖过程中，围护结构水平位移量会随着基坑开挖深度的增大而增大，最终整体变化规律呈现出拟“弓”形。同时在采用分坑开挖的条件下，后开挖基坑在施工过程中仍然会对已经开挖完成的基坑的围护结构产生一定影响。

2、基坑开挖会对周围地表土体产生一定影响，从而导致地表土体的沉降。同时基坑周边存在施工堆载则会对地表沉降值产生一定的影响。

参 考 文 献

[1] 朱炎兵, 周小华, 魏仕锋,等. 临近既有地铁车站的基坑变形性状研究[J]. 岩土力学, 2013, 34(10):6.

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