深基坑开挖过程中的变形与支护措施研究

深基坑开挖过程中的变形与支护措施研究

荣飞

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摘要:随着中国城市化和轨道交通建设的推进，深基坑工程往往规划和建设在城市交通要道和人口密集地区。由于区域和支护结构的差异，基坑开挖对相邻建筑的影响是复杂多变的。因此，基于砂砾石地层的地质条件，分析深基坑开挖对邻近建筑物的影响具有重要意义。

关键词:超深基坑开挖;变形控制;研究

1项目概述

某轨道交通线路基坑尺寸(长度)17 ×宽×深244.1m × 21.3m × 22m。深基坑围护结构主要采用Φ，采用1200mm旋挖桩及支护形式，桩间悬挂网喷混凝土，提高围护结构刚度。为缓解施工过程中造成的交通拥堵，采用半覆盖开挖方法施工，在覆盖开挖侧先施工结构顶板。

施工步骤如下:①施工南侧挡土桩和中柱;②南侧挖土，提供临时钢支撑，覆盖南侧结构;③筑挡土墙，南侧回填土;④北侧按顺序开挖5步，设4个支撑物。每次开挖深度为支座以下0.5m，直至达到基坑底板标高。基坑南侧为无地下室的7层砖石结构建筑，与车站外墙的最小净空距离为2.23m。根据物探资料，该建筑平面尺寸约为50m × 27m，高度约为21m。

施工现场地面标高约为501.4~504.9米，现场地下水主要有三种类型:①存在于粘土层以上的上部滞水;②第四纪松散岩孔隙水;③基岩裂隙水。根据地质调查报告可知，站区内的地质条件从上到下依次为上覆(Q4ml)人工填方、(Q4al)粘性土、砂质土、卵石土。下伏基岩为白垩系关口组(K2g)泥岩，泥岩中发育局部节理和裂缝。该站主结构基坑底板和辅助结构底板主要位于卵石土中。

2数据分析

2.1挡土桩水平位移分析

开挖完成后，对建筑盖开挖侧附近挡土桩的位移进行了分析。挡土桩最大水平位移位于桩体中上位置，模拟值为15.50mm，监测值为14.24mm。模拟的桩底最大反位移接近监测值，约为3.22mm。原因分析:模拟过程中简化了挡土墙上部，将盖板与挡土结构绑定，忽略了盖板上土层分布不均匀、施工临时荷载等因素。此外，盖板的侧移刚度极大地约束了该位置挡土结构的变形，导致7m深度处(盖板所在位置)挡土结构水平位移监测值与模拟值存在差异。然而，本次数值模拟的重点是研究桩身的最大水平位移。

2.2地表沉降分析

对比开挖后开挖侧实测和计算的地表沉降值，地表变化曲线呈勺形，最大沉降发生在距离挡土结构约15m处，即建筑基础中间。模拟值为9.61mm，监测值为9.17mm。原因分析:基坑穿过河道，周围土壤有地下水渗流作用，导致砂层土颗粒固结或流失。模拟过程未考虑渗流情况;另外，由于井盖开挖侧存在车辆荷载的扰动，所以模拟值与计算值本身也存在一定的差异。但模拟值和监测值的变化趋势一致，说明土本构模型和计算参数的选择相对合理。

3参数比较

3.1注浆加固效果与加固深度影响分析

3.1.1围护结构水平位移分析

三种加固方案下的挡土结构水平位移，方案1最大位移位于桩的中上部，随着注浆深度的增加，桩的最大位移向中部偏移。三种方案桩的最大水平位移分别为12.4mm、9.2mm和7.6mm。方案二的位移较方案一减少25.8%;方案3的排水量较方案2减少17.4%。对比三种方案可以看出，注浆后支护结构变形明显减小，桩身最大水平位移位置逐渐下移，说明注浆深度由微密卵石土层增加到中密卵石土层。与增加中密卵石土层注浆深度相比，加固效果变化更为显著。当注浆深度从微密卵石土层与中密卵石土层接触面增加到中密卵石土层与致密卵石土层接触面时，挡土桩与结构盖板连接处(7m左右)位移减小2.18mm，桩底位移减小3.94mm，方案2的底部位移比方案1减小61.11%;方案3的底部位移比方案2减小了38.21%，当注浆深度位于中密卵石土层时，桩底位移可控制在2mm以内，说明在稍密卵石土层下方注浆可有效减小挡土结构的侧向位移和桩底的反向位移。当工程对变形控制要求较高时，可考虑将注浆深度增加到中密卵石土层底部，与不注浆相比，可使最大变形减小51.0%左右。

3.1.2地表沉降分析

采用地表沉降代替建筑沉降进行分析，三种加固方案的最大地表沉降分别为7.4mm、6.2mm和5.7mm，均位于建筑中心。建筑基础两侧竖向变形呈现中间大、两侧小的趋势，说明注浆不仅可以控制建筑基础沉降，还可以抑制建筑两侧基础变形。方案二的结算金额较方案一减少16.2%，而方案三的结算金额较方案二减少8.0%。当注浆深度从微密卵石土层与中密卵石土层接触面增加到中密卵石土层与致密卵石土层接触面时，覆盖开挖侧基坑地面沉降逐渐减小。但当深度达到中密卵石土层时，注浆抑制地面沉降的效果逐渐减弱。结果表明:在选择注浆加固措施时，注浆范围应确定在中密卵石土层，可将地表沉降控制在8mm以内，远低于地表沉降警戒值(14.67mm)。

3.2挡土桩插入比和刚度影响分析

挡土桩的嵌入深度与非嵌入部分的长度之比称为挡土桩的嵌入比。挡土桩的插入比直接影响基坑的稳定性和地面沉降。对7m、10m、13m(原工况)、16m、19m(非预埋部分长度22m) 5种挡土桩的嵌入深度进行了数值模拟分析，其嵌入率分别为31.8%、45.5%、59.1%(原工况)、72.7%、86.4%。除挡土桩的插入比外，桩径和桩间距也会影响支护结构的刚度。通过改变挡土桩桩径和间距，研究其对基坑变形的影响。成都基坑施工中常用的挡土桩桩径和桩间距为:Φ 800@1000mm、Φ 1200@2000mm、Φ 1200@2200mm。在以上三种布置的基础上，研究不同参数下支护结构刚度对基坑变形的影响。当挡土桩插入率分别为72.7%和86.4%时，挡土结构的变形基本相同，因为挡土桩已经嵌埋在致密的卵石土层中，嵌埋部位的位移基本相等;如果降低插入比，挡土桩的水平位移值会略有增加，但不会迅速增加。

当挡土桩插入比大于72.7%时，地表沉降值和建筑基础沉降值基本不变。因此，在原基础上适当增加挡土桩的插入比，可以略微减少沉降，但效果不如注浆加固明显。与插入比类似，围护结构的刚度参数对支撑体系也有显著的影响。当等效连接墙厚度减小时，地表和建筑基础的变形也会相应增大。当等效连接壁厚度增加时，沉降略有减小。因此，在采用支护结构方案时，应选择适当的桩径和桩间距，以保证支护结构具有一定的刚度，从而达到控制基坑变形，减少对周围建筑物影响的目的。

3.3变形控制措施

本文在对上述基坑加固方法进行优化分析的基础上，提出了降低建筑地基沉降的三点措施:(1)加强基坑监测。根据相关规范和设计要求布置监测点。如果在施工过程中围护结构的水平位移、垂直位移、地表沉降或建筑沉降超过警戒值，应迅速采取应急措施，增加监测频率。(2)施工过程中，根据监测数据反馈，在基坑及建筑物影响范围内采取注浆加固措施，确定注浆加固深度。(3)提高支撑结构设计标准。为保证砂砾石层中基坑的稳定性，支护结构的抗弯刚度应略大于一般土质条件下基坑工程的抗弯刚度。

4结论

(1)半覆盖开挖基坑开挖引起的邻近建筑物周围地表沉降主要表现为离基坑越近，沉降值越大，最大沉降发生在建筑物基础中部。

(2)对建筑物进行注浆加固时，为减少建筑资源浪费，应将加固深度控制在微密与中密卵石土层之间的接触面(7m)以下，对提高土体整体变形能力效果最好。可使桩的水平位移减小51.0%左右，地表沉降控制在8mm以内。

(3)适当改变挡土桩桩径、桩间距或插入比，可有效控制地表和建筑沉降，但当插入比达到72.7%时，调整插入比的效果不明显。

(4)开挖邻近建筑基坑时，可采取注浆加固、增加挡土桩埋深、增加挡土结构刚度等措施，控制基坑变形。综合比较设计和施工难点，从技术可行性角度考虑，注浆加固措施的可操作性优于通过改变支护结构参数和强度所达到的预期效果，建议在施工过程中灵活采取各种措施。

参考文献

[1]于素慧,耿永常.明挖法地下工程近接既有建筑施工影响分析[J].地下空间与工程学报,2019,15(S1):266-277.

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