朱 彬，張貴生

（天津市市政工程設(shè)計研究院，天津市 300051）

0 前言

城市地道、隧道的施工一般都需要進(jìn)行基坑開挖，在城市建筑密集區(qū)由于沒有條件放坡，為了利用有限的空間，通常做成直立式的支擋物，基坑深度一般都超過5 m，有的甚至達(dá)十幾米。小于6 m的淺基坑(包括淺基礎(chǔ)的基坑開挖)的巖土工程問題一般較少且不很嚴(yán)重，大于6 m的深基坑的巖土工程問題一般較為復(fù)雜。

實(shí)踐證明，基坑開挖工作是否順利，不僅影響基礎(chǔ)施工質(zhì)量，而且影響施工周期與工程造價。基坑開挖過程中，常遇到基坑壁過量位移或滑移倒塌、坑底卸荷回彈(或隆起)、坑底滲流(或突涌)、基坑流砂等基坑穩(wěn)定性問題。為保證基坑開挖與基礎(chǔ)施工順利進(jìn)行，首先應(yīng)重視深基坑工程的巖土工程問題的分析與評價確保基坑施工穩(wěn)定安全，根據(jù)需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

1 基坑支護(hù)及其土壓力

1.1 基坑支護(hù)

城市構(gòu)筑物的基坑開挖，由于場地的局限性，大多為有側(cè)壁支護(hù)基坑的開挖，即基坑側(cè)壁常要求垂直開挖，如果不采取支護(hù)措施，一般基坑側(cè)壁土體是不穩(wěn)定的。

1.2 土壓力分析

基坑采取支護(hù)措施時，一般都需要分析作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力性質(zhì)、分布與計算土壓力大小。土壓力應(yīng)根據(jù)土體經(jīng)受的側(cè)向變形條件來確定，土壓力性質(zhì)包括靜止土壓力、主動土壓力、被動土壓力或與側(cè)向變形條件相應(yīng)的可能出現(xiàn)的土壓力。分析土壓力時應(yīng)考慮場地的工程地質(zhì)條件、支護(hù)結(jié)構(gòu)相對于土體的位移、地面坡度、地面超載、鄰近建筑及設(shè)施的影響、地下水位及其變化、支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的剛度、基坑工程的施工方法等。

作用于擋土結(jié)構(gòu)上的土壓力取值應(yīng)根據(jù)土壓力類型、支護(hù)結(jié)構(gòu)類型和允許變形、被支護(hù)土體的性質(zhì)、墻與土之間的摩擦力及擋土結(jié)構(gòu)兩面的地面坡度等因素來綜合考慮。另外，當(dāng)存在地下水時，土壓力值宜按水壓力與土壓力分算的原則計算，即作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的側(cè)壓力為有效土壓力與水壓力之和；有效土壓力按土的浮重度及有效抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算。亦可采用水壓力與土壓力合并計算的原則計算，此時水土合并的壓力按土的飽和重度及總應(yīng)力抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計算。

基坑非開挖側(cè)擋土樁上實(shí)測土壓力基本介于主動土壓力和靜止土壓力之間。實(shí)測主動側(cè)土壓力基本呈三角形分布。

非開挖側(cè)擋土樁側(cè)土壓力大小與施工工況有著密切關(guān)系，對于樁錨支護(hù)的基坑，擋土樁上土壓力受支護(hù)錨桿鎖定影響會顯著增大；對于樁撐支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑，擋土樁受很大剛度的支撐，樁側(cè)土壓力也會增加。

非開挖側(cè)擋土樁上土壓力大小與擋土樁位移變化有著密切的關(guān)系。當(dāng)基坑擋土樁發(fā)生較大位移時，擋土樁上實(shí)測土壓力明顯減小，向朗肯理論計算主動土壓力值靠近。

開挖側(cè)擋土樁上土壓力大小也與擋土樁位移變化有關(guān)。當(dāng)擋土樁位移量增加較大時，擋土樁外側(cè)土壓力也明顯減小。

2 基坑穩(wěn)定性分析

2.1 基坑底卸荷回彈(隆起)

基坑開挖是一種卸荷過程，開挖愈深，初始應(yīng)力狀態(tài)的改變就愈大，這就不可避免地引起坑底土體的隆起變形，有的甚至可能由于受到過大的剪應(yīng)力而導(dǎo)致基底隆起失效?；踊貜?隆起)不只限于基坑的自身范圍，而且要波及四鄰地面，引起地面撓曲，對鄰近建筑物或設(shè)施均產(chǎn)生影響，應(yīng)引起注意。必要時要組織施工開挖過程中坑內(nèi)外地面的變形監(jiān)測，供及時分析趨勢和采取措施之需。在軟至中等強(qiáng)度的粘性土(cu≈12～50 kPa)中進(jìn)行深基坑開挖時，基坑底抗隆起穩(wěn)定性可按下式進(jìn)行驗算(計算模式如圖1所示)：

式（1）中：NC——承載力系數(shù)，NC=5.14；

τ0——由十字板試驗確定的總強(qiáng)度，kPa；

γ——土的重度，kN/m3；

γD——入土深度底部土隆起抗力分項系數(shù)，即抵抗基底隆起的安全系數(shù)，一般要求γD≥1.4；

t——支護(hù)結(jié)構(gòu)入土深度，m；

h——基坑開挖深度，m；

q——地面均布荷載，kPa。

控制基坑回彈(隆起)的措施可采用降低地下水位、凍結(jié)法或在基坑開挖后立即澆搗相等重量的混凝土，使基坑的回彈量盡可能減小。

2.2 基坑底滲透穩(wěn)定性

如果基坑在粘性土中開挖，且坑底下有承壓水存在時，當(dāng)上覆土層減到一定程度時，承壓水水頭壓力便沖破基坑底板造成滲流(或突涌)現(xiàn)象(見圖2)?；拥卓?jié)B流穩(wěn)定性可按下式驗算：

式（2）中：γm——透水層(砂層)以上粘性土的飽和重度，kN/m3；

H——透水層頂面至基坑底面的垂直距離，m；

γw——水的重度，kN/m3；

h——承壓水頭高于透水層頂面的高度，m；

γrw——基坑底土層滲透穩(wěn)定抗力分項系數(shù)。

為使基坑底不因滲流而喪失穩(wěn)定性，一般要求γrw≥1.2，如果驗算的γrw＜1.2，應(yīng)采取必要的措施，如降水等。

3 工程降水對深基坑性狀及周圍環(huán)境的影響

當(dāng)基坑開挖至地下水位以下時，為了防止因地下水作用而引起的滲流、流砂、管涌、坑底隆起、邊坡滑塌以及坑外地層過度變形等，保證施工過程中處于疏干和穩(wěn)態(tài)的工作條件下進(jìn)行開挖，必須做好對地下水的控制工作?；庸こ炭刂频叵滤姆椒ㄓ薪档偷叵滤慌c隔離地下水兩類。對于弱透水地層中的淺基坑，當(dāng)基坑環(huán)境簡單、含水層較薄、降水深度較小時，可考慮采用集水明排的方法進(jìn)行降水；在其他情況下宜采用降水井降水、隔水措施或隔水、降水綜合措施。

工程降水使降深范圍內(nèi)的土層密度增大，應(yīng)力狀態(tài)及力學(xué)性能發(fā)生了改變。不同的降水含水層中，有效應(yīng)力均增加，引起含水層土體的壓密，粘聚力增大。地下水滲流使主動區(qū)的側(cè)壓力減小，也使被動區(qū)的側(cè)壓力減小，所以對基坑穩(wěn)定的影響是不確定的。

基坑底板的突涌不僅與壓力平衡有關(guān)，而且和基坑的平面尺寸、土體的抗剪和彈性模量有關(guān)。對圓形基坑來講，出現(xiàn)最大撓度的部位在基坑的中心點(diǎn)，因此最容易發(fā)生撓曲破壞而產(chǎn)生突涌的部位在基坑的中央。同時基坑邊緣處的剪應(yīng)力最大，因此在邊界處易發(fā)生剪切破壞而產(chǎn)生突涌。因此，對于圓形基坑的開挖應(yīng)采取盆式開挖，對于邊沿和中心部位應(yīng)加強(qiáng)保護(hù)，可采取及時堆壓重物的方式來抵抗突涌。

潛水含水層疏干帶內(nèi)，總應(yīng)力隨深度(從原水面起算)呈線性遞減，有效應(yīng)力隨深度(從原水面起算)呈線性遞增；穩(wěn)定水位以下，有效應(yīng)力增加為常量；下伏隔水層內(nèi)，總應(yīng)力和有效應(yīng)力都減小且相等。

承壓含水層在抽水減壓之后，承壓含水層范圍內(nèi)總應(yīng)力不變，有效應(yīng)力增加，引起含水層本身的壓密。強(qiáng)透水承壓層的減壓會引起上覆土層的固結(jié)沉降，固結(jié)沉降與常規(guī)的雙向排水固結(jié)沉降的效果相同，由承壓水引起的有效應(yīng)力增量隨深度呈三角形線性增大。

半承壓含水系統(tǒng)在含水的承壓層中抽水時，上部弱透水層和含水層產(chǎn)生向下滲流，將使弱透水層中的孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致土層發(fā)生壓密變形，當(dāng)下伏的弱透水層和含水層向上滲流時，孔隙水壓力增加，有效應(yīng)力降低。

在降水引起的地面沉降方面：隨著彈性模量的減小，地表沉降量增大，地表沉降曲線變陡，不均勻沉降越大；隨著最大降水深度的增加，地表總沉降和不均勻沉降均明顯增加；當(dāng)滲透系數(shù)較小時，隨著滲透系數(shù)增加，地表最大沉降增加較快，但當(dāng)滲透系數(shù)增長到一定數(shù)值后，地表最大沉降變化速率減小。

4 基坑破壞對環(huán)境的影響

開挖基坑對周邊環(huán)境影響主要表現(xiàn)形式為：基坑邊坡坍滑與變形、地表沉降變形、坑內(nèi)流沙和管涌、基底隆起變形、支檔結(jié)構(gòu)變形、周圍管線斷裂、對周圍建筑物的影響和復(fù)雜的社會影響等（見表1）。

5 某工程監(jiān)控方案

5.1 工程概況

5.1.1 概況

該基坑平面尺寸為24.4 m×37.9 m，開挖深度22.4 m，采用明挖逆作施工?；訃o(hù)采用厚1000 mm、深34.59 m的地下連續(xù)墻，中間設(shè)一道4層板梁混凝土支撐，底板厚1.2 m。

5.1.2 工程場地的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

施工場區(qū)地形平坦開闊，地面標(biāo)高一般5.0～6.5 m。工作井位置現(xiàn)為荒地，有水塘分布。

工作井位置表層普遍分布有2～4 m厚填土層，該區(qū)早期為大面積魚塘回填而成，土質(zhì)松散。深度20 m以內(nèi)以飽和粉性土為主，“軟土”類的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土在該處出露較薄，一般為30～50 cm厚度，“老粘土”類的粉質(zhì)粘土在該處缺失，層褐黃色粉質(zhì)粘土層灰色粉質(zhì)粘土空間分布及厚度均較穩(wěn)定，粘土較薄。下部普遍分布有粉細(xì)砂和圓礫、卵石層。

表1 基坑破壞對環(huán)境影響

經(jīng)勘察，擬建場地砂土和圓礫、卵石層內(nèi)分布有承壓水，承壓水水頭埋深為9.30～11.15 m，相對標(biāo)高為-3.98～-3.80 m，單位涌水量為1.8×103～2.3×103L/h·m。

5.1.3 工程保護(hù)等級

根據(jù)設(shè)計要求，本基坑保護(hù)等級為一級。

5.2 監(jiān)測內(nèi)容

圍護(hù)體水平位移；圍護(hù)體頂部水平位移；圍護(hù)體頂部垂直位移（沉降）；支撐軸力；地下水位；基坑周圍地表沉降；周圍建（構(gòu)）筑物變形；地下管線變形。

5.3 監(jiān)測的方法和監(jiān)測點(diǎn)布置

5.3.1 圍護(hù)體水平位移

（1）監(jiān)測方法

本項監(jiān)測是深入到圍護(hù)體內(nèi)部，用測斜儀自下而上測量預(yù)先埋設(shè)在圍護(hù)體內(nèi)的測斜管的變形情況，以了解基坑開挖施工過程中，圍護(hù)體因相應(yīng)位置土體的挖除對其整體水平位移的影響程度，分析圍護(hù)體在各深度上的穩(wěn)定情況。

儀器：北京航天CX-03測斜儀；量程：±53°；精度：±0.024%F.S.。

（2）測點(diǎn)布置

測點(diǎn)布置在地下連續(xù)墻圍護(hù)體中，根據(jù)基坑平面布置情況，共布設(shè)3個。

測斜管為外徑70 mm、內(nèi)徑66 mm內(nèi)壁有十字滑槽的PVC管，管長與相應(yīng)維護(hù)體等深（34.59 m），固定在鋼筋籠上隨之一起埋入連續(xù)墻槽內(nèi)。安裝測斜管時，其一對槽口必須與基坑邊線垂直，上下管口用蓋子密封，安裝完成后立即灌注清水，防止泥漿滲入管內(nèi)。如有必要測斜管管口設(shè)可靠的保護(hù)裝置如鋼管。

5.3.2 圍護(hù)體頂部水平位移

（1）監(jiān)測方法

利用經(jīng)緯儀測量圍護(hù)體頂部各測點(diǎn)與測量基線間距離或角度的變化再進(jìn)行計算；如果視線受限制，則建立平面控制網(wǎng)，采用全站儀測水平角、水平距進(jìn)行計算，從而了解圍護(hù)體因相應(yīng)位置土體的挖除對其頂部水平位移的影響程度，分析圍護(hù)體的穩(wěn)定情況。

儀器：南方 NTS-352，測角精度：2″；測距精度：2 mm+2 ppm。

（2）測點(diǎn)布置

測點(diǎn)沿基坑周邊布置，根據(jù)基坑平面布置情況，共布設(shè)6個。

在圍護(hù)墻體頂部的設(shè)計測點(diǎn)處埋入頂部為光滑面的鋼制測釘。測釘與混凝土體間不應(yīng)有松動。

5.3.3 圍護(hù)墻頂部垂直位移(沉降)

（1）監(jiān)測方法

建立高程控制網(wǎng)，利用精密水準(zhǔn)儀觀測測點(diǎn)高程變化情況，從而了解圍護(hù)體因相應(yīng)位置土體的挖除對其豎直方向上的影響程度，分析圍護(hù)體的穩(wěn)定情況。

儀器：蘇光DSZ2型精密水準(zhǔn)儀加測微器；精度：±0.7 mm/km。

（2）測點(diǎn)布置

測點(diǎn)布置與埋設(shè)同“圍護(hù)體頂部水平位移”。共計6個。

5.3.4 支撐軸力

（1）監(jiān)測方法

鋼筋混凝土支撐采用在其內(nèi)部鋼筋上（預(yù)）設(shè)鋼筋應(yīng)力計的方法來監(jiān)測其工作時的支撐軸力的變化。預(yù)設(shè)時需在上下的兩根主鋼筋同時安設(shè)應(yīng)力計；處理檢測數(shù)據(jù)時取其平均值，以消除彎矩的影響。

儀器：鋼弦式鋼筋應(yīng)力計，頻率計（數(shù)字式讀數(shù)儀）；量程：+300/-150 MPa（因未有配筋圖，暫定用 Φ25 mm）；精度：2%。

（2）測點(diǎn)布置

布設(shè)在混凝土板梁支撐內(nèi)，在其上下各道支撐上布置支撐軸力測點(diǎn)。共布設(shè)1個斷面，共需要10個鋼筋應(yīng)力計。

5.3.5 地下水位

（1）監(jiān)測方法

預(yù)埋水位觀測管于土體內(nèi)，用水位計測量，了解止水、降水效果及管涌、流砂等巖土工程病害發(fā)生的可能性。

儀器：國產(chǎn)水位計；量程：30 m；分辨率：1 cm。

（2）測點(diǎn)布置

觀測井布設(shè)在基坑四周，距圍護(hù)墻為2 m處。觀測井深度與相應(yīng)位置的基坑深度一樣或深（如果要觀測承壓水位）。

設(shè)井時，先在土體內(nèi)鉆孔至設(shè)計深度，孔徑100 mm，然后將管徑為53 mm的PVC帶有用土工布裹住的進(jìn)水孔的水位管 (長5 m)放入孔中，再于管外回填中粗砂至進(jìn)水段上方30 cm，其上方回填粘土封孔。管口設(shè)必要的保護(hù)裝置。共布設(shè)4個。

基坑內(nèi)水位可利用降水井進(jìn)行量測，無須埋設(shè)水位管，數(shù)量可根據(jù)實(shí)際情況現(xiàn)場確定。

5.3.6 基坑周圍地表沉降

（1）監(jiān)測方法

利用水準(zhǔn)儀觀測測點(diǎn)高程變化情況，從而了解因相應(yīng)位置土體的挖除對坑外土體的影響程度，分析土體及地下管線的穩(wěn)定情況。

儀器：蘇光DSZ2型精密水準(zhǔn)儀加測微器；精度：±0.7 mm/km。

（2）測點(diǎn)布置

測點(diǎn)沿基坑周邊布置，共布設(shè)兩個斷面，每個斷面內(nèi)有7個測點(diǎn)，斷面內(nèi)測點(diǎn)與圍護(hù)體的距離分別為相應(yīng)位置基坑開挖深度的0.1倍、0.25倍、0.5倍、0.75倍、1.0倍、1.5倍、2.0倍。共計 2個斷面、14個測點(diǎn)。

其他如地下管線等限于資料了解不多，可在實(shí)施時根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況結(jié)合施工過程因地制宜進(jìn)行布設(shè)。

以上所有監(jiān)測內(nèi)容的測點(diǎn)的具體布設(shè)，在實(shí)際布設(shè)時要根據(jù)現(xiàn)場施工需要進(jìn)行數(shù)量和位置的調(diào)整。

5.4 監(jiān)測工序和測點(diǎn)保護(hù)

5.4.1 監(jiān)測工序

各監(jiān)測內(nèi)容所需的監(jiān)測儀器、監(jiān)測點(diǎn)的安裝、埋設(shè)以及測讀的時間應(yīng)隨基坑工程施工工序而展開：

（1）根據(jù)各道工序施工需要，先期布設(shè)地表、建筑物（如有）及地下管線（如有）的沉降點(diǎn)；

（2）地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時，同步安裝圍護(hù)墻體內(nèi)測斜管；

（3）地下圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體加固施工完成后，進(jìn)行水位管測點(diǎn)的埋設(shè)；

（4）圍護(hù)墻頂?shù)娜α簼仓r，同步埋設(shè)墻頂位移、沉降測點(diǎn)，同時做好測斜管口的保護(hù)工作；

（5）基坑開挖之前，應(yīng)建立測量控制網(wǎng)，將所有已埋設(shè)測點(diǎn)測讀初始值，并應(yīng)測讀三次；

（6）在相應(yīng)施工區(qū)段及其影響范圍內(nèi)的測點(diǎn)在施工期間按要求進(jìn)行測讀，并進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，及時完成、提交日報表；

（7）在相應(yīng)支撐施工時，同步安裝鋼筋應(yīng)力計；

（8）某施工段工程全部完成之后，按照有關(guān)要求相應(yīng)測點(diǎn)停止測讀，以此類推直至工程全部完成；

（9）編寫施工監(jiān)測報告。

5.4.2 測點(diǎn)保護(hù)

儀器（傳感器）、測點(diǎn)安裝、埋設(shè)好后應(yīng)作好醒目標(biāo)記，設(shè)置保護(hù)設(shè)施，平時加強(qiáng)測點(diǎn)保護(hù)工作，確保測點(diǎn)成活率，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

5.5 監(jiān)測頻率及報警值

5.5.1 觀測頻率

在施工開始前應(yīng)完成有關(guān)各項測點(diǎn)的埋設(shè)工作，并取前三次讀數(shù)的平均值作為初始讀數(shù)，以保證測試數(shù)據(jù)更接近真實(shí)。

施工開始后，根據(jù)有關(guān)技術(shù)規(guī)程的規(guī)定和開挖進(jìn)度進(jìn)行安排觀測頻率：

（1）基坑圍護(hù)施工期間，影響范圍內(nèi)的建筑物（如有）、地下管線（如有）監(jiān)測每天或每2 d一次；

（2）基坑開挖期間，開挖段內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)每天1～2次，未開挖段每周約1～2次；

（3）基坑底板完成的區(qū)段，約每周1～3次（換撐期間應(yīng)每天1次）；

（4）基坑主體結(jié)構(gòu)施工結(jié)束后2個月內(nèi)，對建筑物（如有）和地下管線（如有）每周監(jiān)測一次；

（5）根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況，監(jiān)測頻率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；

（6）當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到報警范圍，或遇到特殊情況以及其它意外工程事件，應(yīng)適當(dāng)加密觀測，直至24 h不間斷的跟蹤監(jiān)測。

5.5.2 報警值

根據(jù)基坑保護(hù)等級和設(shè)計要求，基坑等級為二級基坑，據(jù)此提出以下報警值供有關(guān)方面參考：

（1）圍護(hù)墻體水平位移0.14%H（開挖深度），即31.4 mm，速率不大于3 mm/24h。

（2）圍護(hù)墻體頂水平位移、沉降0.1%H（開挖深度），即22.4 mm速率不大于3 mm/24 h。

（3）地表沉降量0.1%H（開挖深度），即22.4mm，沉降速率不大于3 mm/24 h。

（4）（如有）剛性管線沉降量10 mm，速率不大于2mm/12 h，或按照相關(guān)管線業(yè)主確定的數(shù)值。

（5）（如有）建筑物整體傾斜。

Hg≤24 m：0.004（Hg為自室外地面起算的建筑物高度）；

24 m＜Hg≤60：0.003；

60 m＜Hg≤100：0.0025；

Hg＞100：0.002。

（6）支撐軸力大于設(shè)計值的70%；

（7）水位下降或上升500 mm。

具體實(shí)施中，將以上述有關(guān)警戒值的80%作為預(yù)警值，此舉可為有關(guān)單位和部門分析情況和采取制止險情的措施爭取寶貴的時間。

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