李 杰， 傅志峰， 羅曉輝， 熊朝輝

(1. 華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2. 武漢地鐵集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430030；3. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430063)

基坑安全是基坑設(shè)計(jì)與施工控制的關(guān)鍵問題。文獻(xiàn)[1]在概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)之上，確定了“基坑側(cè)壁安全等級及重要性系數(shù)”，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)承載能力及基坑土體出現(xiàn)的可能破壞按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，因而對荷載效應(yīng)施加荷載分項(xiàng)系數(shù)(安全系數(shù))[2]。例如，對于確定圍護(hù)結(jié)構(gòu)插入深度采用的荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.2[1]，采用圓弧滑動穩(wěn)定性分析方法則取安全系數(shù)為1.3[3～4]。基坑施工過程的安全控制則是通過位移、荷載、地下水位等相關(guān)監(jiān)測[1，5～6]，一方面通過數(shù)值反分析預(yù)測可能發(fā)生的位移[7～8]，另一方面根據(jù)其對應(yīng)的監(jiān)測報(bào)警值[5～6]進(jìn)行施工過程監(jiān)控。由此可見，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的安全控制與施工過程中的安全監(jiān)控都是“單項(xiàng)控制”，即各個(gè)單項(xiàng)的安全控制是彼此無關(guān)的?，F(xiàn)實(shí)基坑工程的安全性研究表明[9]，基坑工程失效(事故)發(fā)生存在有三種情況：(1) 多項(xiàng)監(jiān)測項(xiàng)目中往往是某一個(gè)或幾個(gè)監(jiān)測值達(dá)到或超過報(bào)警值，并非所有監(jiān)測項(xiàng)目同時(shí)達(dá)到報(bào)警值；(2) 某一個(gè)或幾個(gè)監(jiān)測值達(dá)到或超過報(bào)警值，但基坑并未出現(xiàn)整體破壞；(3) 相關(guān)監(jiān)測報(bào)警值[5]缺乏預(yù)警過程，即基坑破壞時(shí)顯示出“突然性”。另外，由于基坑環(huán)境因素的復(fù)雜性以及數(shù)值反演技術(shù)的局限性，還不可能將所有監(jiān)測項(xiàng)目的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為已知量進(jìn)行反演分析[10]，因而有必要在施工報(bào)警控制方面建立分級報(bào)警值制度，在單項(xiàng)安全控制的基礎(chǔ)之上給出施工過程的整體安全描述與控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 監(jiān)測預(yù)警與預(yù)警分級

1.1 監(jiān)測預(yù)警的設(shè)置

文獻(xiàn)[5]、[6]規(guī)定了不同安全等級基坑的監(jiān)測項(xiàng)目與預(yù)警值。以武漢地區(qū)的長江沖積一級階地的地鐵深基坑為例，其安全等級為一級，圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系一般為鋼管內(nèi)支撐地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，因此根據(jù)文獻(xiàn)[5]可得到本工程相關(guān)監(jiān)測項(xiàng)目的預(yù)警值(表1)。

1.2 預(yù)警值的分級

監(jiān)測預(yù)警值分級目的是：增加預(yù)警等級，進(jìn)而增強(qiáng)施工組織與人員的安全意識；強(qiáng)化監(jiān)控密度與預(yù)測分析；時(shí)時(shí)關(guān)注預(yù)警進(jìn)程，減少事故的“突然性”。為此所采用的監(jiān)測分級劃分原則應(yīng)包含如下內(nèi)容：

(1)任何一個(gè)基坑施工項(xiàng)目部，在擬定施工方案時(shí)都應(yīng)有基坑狀態(tài)達(dá)到預(yù)警值時(shí)的搶險(xiǎn)安全預(yù)案，因此預(yù)警值分級不宜過多。故將預(yù)警等級劃分為紅色、橙色和黃色三個(gè)等級；

(2)如果將規(guī)范所列監(jiān)測預(yù)警值視為最高預(yù)警狀態(tài)(紅色預(yù)警)，那么次一級的預(yù)警值與前一級預(yù)警值的差異不宜過大。根據(jù)不同的監(jiān)測項(xiàng)目對基坑安全影響程度，建議預(yù)警值級差幅度不大于25%；

(3)以規(guī)范的預(yù)警值為范圍值時(shí)，次一級預(yù)警值按較小值確定；

(4)建筑基坑工程的環(huán)境安全采用類似的預(yù)警等級劃分，預(yù)警等級形式見表2。

表1 安全等級一級、地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑的監(jiān)測預(yù)警分級

注：h為基坑設(shè)計(jì)開挖深度；f為設(shè)計(jì)極限值。

表2 建筑基坑工程周邊環(huán)境監(jiān)測報(bào)警分級

注：H為建(構(gòu))筑物承重結(jié)構(gòu)高度；第3項(xiàng)累計(jì)值取最大沉降和差異沉降兩者的小值。

(5) 當(dāng)有關(guān)預(yù)警值尚未達(dá)到紅色預(yù)警值，但基坑出現(xiàn)滲漏、流砂、管涌、隆起或陷落等現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)視為基坑預(yù)警達(dá)到紅色預(yù)警狀態(tài)。

2 預(yù)警分級的應(yīng)用

2.1 工程概況

表3 車站基坑地基土厚度與主要物理力學(xué)參數(shù)

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面圖

2.2 監(jiān)測及反演的安全狀態(tài)

2.2.1基于開挖進(jìn)程描述的安全狀態(tài)

由于實(shí)際監(jiān)測期間未完全按照文獻(xiàn)[5]、[6]的監(jiān)測時(shí)限要求，因此給出圖2、圖3描述地連墻墻身最大水平位移隨開挖進(jìn)程的變化。由圖2可見，墻身水平位移最大值隨開挖深度增加所產(chǎn)生的變化大致可分為三個(gè)階段：(1) 在開挖深度為8.0 m之前墻身水平位移最大值隨開挖深度基本上呈直線型變化，開挖深度每增加1.0 m，墻身最大水平位移約增大1.37 mm；(2) 開挖深度在8.0～10.8 m之間時(shí)，開挖深度每增加1.0 m，墻身最大水平位移約增大1.04 mm；(3) 開挖深度在10.8 m之后，開挖深度每增加1.0 m，墻身最大水平位移約增大1.93 mm；(4)水平位移的近60%發(fā)生在第二道橫撐設(shè)置后的開挖進(jìn)程中。另外基坑澆注地下結(jié)構(gòu)底板時(shí)墻身最大水平位移增加了2.78 mm，且總水平位移達(dá)到32.64 mm。由圖3可見，Smax/h隨開挖深度的變化與圖2正好相反，開挖深度在10.8 m之后Smax/h最小，開挖完成時(shí)Smax/h僅有0.19%，而開挖深度為8.0 m之前時(shí)Smax/h最大，達(dá)到0.39。對照表1，開挖完成時(shí)實(shí)際水平位移最大值達(dá)到了32.64 mm，而相對基坑深度控制值僅為0.19%(要達(dá)到相對基坑深度控制值0.4%時(shí)水平位移最大值需達(dá)到70.4 mm)，由此可知水平位移最大絕對值與相對基坑深度控制值并非同步控制參數(shù)。應(yīng)按墻體最大水平位移絕對值來判斷預(yù)警狀態(tài)：開挖深度小于12.6 m過程為黃色預(yù)警值(狀態(tài))；開挖深度12.6 ～17.6 m為橙色預(yù)警值(狀態(tài))；開挖完成至澆注地下結(jié)構(gòu)底板期間達(dá)到紅色預(yù)警值(狀態(tài))。

圖2 開挖過程中的地連墻最大水平位移變化

圖3 開挖過程中的Smax/h的變化

考慮到基坑周邊近40.0 m范圍內(nèi)無大型建筑物，圖4、圖5描述了地連墻墻頂面及坑外6.0 m、12.6 m處的地面沉陷位移隨開挖進(jìn)程的變化。由圖4可見，墻體頂面的沉陷隨開挖深度不斷增加，開挖深度達(dá)12.6 m之前每挖深1.0 m，墻頂面發(fā)生0.5 mm的沉陷，而此后則是每挖深1.0 m墻頂面發(fā)生1.69 mm的沉陷。在坑外6.0 m、12.6 m處地面沉陷與墻頂面沉陷位移規(guī)律正好相反(圖5)，分別在挖深為10.8 m、12.6 m之前每挖深1.0 m，發(fā)生0.69 mm和0.22 mm的地面沉陷位移，此后相對沉陷梯度為0.40 mm/m和0.02 mm/m。圖6描述了墻頂面、坑外6.0 m、12.6 m處的沉陷值與坑深的百分比，反映出墻頂面、坑外6.0 m的沉陷隨挖深的增長性質(zhì)，而坑外12.6 m處的沉陷在挖深10.8 m之后就趨于穩(wěn)定了。由此可得出這樣的推斷：坑外受開挖影響的范圍在12.6 m之內(nèi)，且影響范圍約為設(shè)計(jì)開挖深度的70%。因此可按坑外沉陷預(yù)警值上限(即60 mm)作為紅色預(yù)警控制值。

圖4 開挖過程中的墻頂頂面沉陷變化

圖5 開挖過程中距墻體6.0 m、12.6 m處的地面沉陷變化

圖6 相對基坑深度控制值(Δ/h)隨開挖深度的變化

圖7、圖8為三道橫撐力及其與設(shè)計(jì)值的百分比隨開挖深度的變化。由圖可見：(1) 由于橫撐的初始設(shè)置內(nèi)力為零，因此橫撐力初始階段變化較大，之后隨挖深的增加而改變；(2)第一道橫撐在挖深12.6 m之后基本不變，略微還有減小，第二、三道橫撐作用力隨挖深的變化不大，實(shí)際橫撐力由設(shè)計(jì)值的53%增加至69%，由表1判斷已達(dá)到紅色預(yù)警值上限。

圖7 開挖過程中的橫撐力變化

圖8 實(shí)測橫撐力與設(shè)計(jì)橫撐力比值的變化

2.2.2基于反演預(yù)測描述的安全狀態(tài)

運(yùn)用監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行基坑土體本構(gòu)參數(shù)反演分析，進(jìn)而對后續(xù)開挖進(jìn)程的位移場進(jìn)行預(yù)測是基坑預(yù)警系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)[8]。方便起見，反演計(jì)算值不考慮位移監(jiān)測數(shù)據(jù)的系列，只考慮當(dāng)前監(jiān)測的位移數(shù)據(jù)，因此將基坑土體假定為彈性體[10]，在圖2～ 5、圖7中均給出了經(jīng)反演計(jì)算的有關(guān)預(yù)測值。上述圖示與實(shí)測值的比較可見：(1) 在挖深12.6 m之后地連墻水平位移預(yù)測值顯著小于實(shí)測值(圖2、圖3)；(2) 就沉陷而言，在挖深10.8 m之后墻頂面沉陷幅度預(yù)測值比實(shí)測要大(圖4)；對于坑外6.0 m處的地面沉陷，在挖深14.8 m之前預(yù)測值較實(shí)測要小，而之后預(yù)測值則相比要大；對于坑外12.0 m處的地面沉陷，在挖深8.0 m之后預(yù)測值總體要大于實(shí)測值(圖5)；由于預(yù)測值與實(shí)測值的差異主要體現(xiàn)在挖深10.8 m之后，因此就沉陷方面而言，預(yù)測值總體是高估了；(3) 就橫撐力而言(圖7)，因?yàn)榭紤]了每道橫撐的預(yù)加力(約為設(shè)計(jì)橫撐力的30%)，因此隨挖深的增加橫撐力的預(yù)測值均大于實(shí)測值。總結(jié)地連墻水平位移、墻頂及坑外地面沉陷、橫撐力三方面的比較可見，其預(yù)測值均大于實(shí)測值(或在挖深大于10.8 m之后)，但就其預(yù)警分級而言與實(shí)測值是一致的。

3 結(jié) 論

(1) 文獻(xiàn)[5]、[6]中所列的某項(xiàng)監(jiān)測預(yù)警值，例如描述地連墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的三種預(yù)警值方法在實(shí)際應(yīng)用中并不一定具有同步性。對于不同的監(jiān)測項(xiàng)目，也不具有同步進(jìn)程，均應(yīng)考慮以優(yōu)先達(dá)到者進(jìn)行控制。

(2) 就水平位移而言，約60%發(fā)生在第二道橫撐設(shè)置之后，且大約50%發(fā)生在開挖深度大于12.6 m之后，即開挖深度大于8.0 m即進(jìn)入到預(yù)警狀態(tài)，以后預(yù)警狀態(tài)逐步提升。

(3) 由所分析的基坑，其坑外地面沉陷影響范圍約為設(shè)計(jì)開挖深度的70%，且墻頂面、坑外地面沉陷均未達(dá)到黃色預(yù)警要求。

(4) 當(dāng)橫撐預(yù)加力設(shè)置為零時(shí)，橫撐力達(dá)到紅色預(yù)警狀態(tài)的主要是第二、三道橫撐，而第一道橫撐僅為黃色預(yù)警狀態(tài)。

(5) 基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的反演分析計(jì)算，其總體預(yù)警效果高于實(shí)測預(yù)警，因此這有利于對施工過程預(yù)警判斷的超前要求。

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