王體廣

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，102600，北京∥工程師）

隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐的加快，全國各城市地鐵工程日益增多，深基坑工程也向更寬、更長、更深方向發(fā)展。軟土地區(qū)的深基坑因其地質(zhì)條件差、水位高等原因，基坑事故時有發(fā)生，而基底隆起是深基坑在設(shè)計和施工過程中遇到的一類常見問題。因此，對其產(chǎn)生原因的分析顯得格外重要。

基坑隆起問題是一個非常復(fù)雜的課題，涉及的影響因素非常多?；茁∑鹆康拇笮∈桥袛嗷臃€(wěn)定性和變形的重要指標(biāo)。基坑發(fā)生失穩(wěn)是不允許的，但允許產(chǎn)生一定量的隆起。本文采用目前使用較多的日本規(guī)范以及我國的《建筑基坑設(shè)計技術(shù)規(guī)程應(yīng)用手冊》、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》、模型試驗和文獻(xiàn)［1］提供的方法分別進行計算，同時將計算結(jié)果和實際值進行對比分析，以得到基底隆起的原因，供類似工程參考。

1 工程簡介

某地鐵車站位于杭州市錢塘江西岸的沖海積平原，車站為標(biāo)準(zhǔn)的地下兩層車站。其結(jié)構(gòu)尺寸為12.89m×19.50m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度為16.05m，端頭井段基坑深度為17.59m。因車站配線的設(shè)置，本車站長度為451m。本工程最大變形發(fā)生地段的基坑深度為16.79m，最大隆起量為32cm，位于基坑中部。

該地鐵車站北靠河渠，南靠住宅小區(qū)，周邊場地環(huán)境較為復(fù)雜，對基坑結(jié)構(gòu)安全等級和變形控制要求嚴(yán)格。按基坑開挖深度及破壞后果的嚴(yán)重性，根據(jù)DB33/T1001—2003《浙江省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》等規(guī)范要求，基坑安全等級確定為一級。為保證工程本身安全及控制地表沉降，采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻加φ609mm內(nèi)支撐的基坑支護體系。標(biāo)準(zhǔn)段圍護結(jié)構(gòu)采用600mm厚地下連續(xù)墻，端頭井段采用800mm厚地下連續(xù)墻，幅寬為4～6m不等。車站標(biāo)準(zhǔn)斷面共設(shè)置4道支撐和1道換撐。支撐的水平間距一般為3m，豎向間距為3～5m不等，均為標(biāo)準(zhǔn)布置。

根據(jù)勘探和室內(nèi)土工試驗測試成果，本站地基土根據(jù)成因類型及物理力學(xué)指標(biāo)的差異可劃分為8個工程地質(zhì)層，其中3大層細(xì)分為5個亞層。車站底板位于粉砂夾砂質(zhì)粉土、砂質(zhì)粉土及粉質(zhì)黏土層。本場地土類型為中軟場地土。

場區(qū)的地下水，主要有淺層粉（砂）性土層中的潛水和局部砂土層中的弱承壓水。潛水位埋深一般在1.2～4.0m之間；深部承壓水位于場地局部分布的中砂層中，分布深度為40m以下，為弱承壓水。潛水位和承壓水位隨季節(jié)、氣候等原因而有變 化。各層土的力學(xué)參數(shù)指標(biāo)詳見表1。

表1 土的力學(xué)參數(shù)

2 基坑底隆起的計算方法

基坑開挖是開挖面的卸荷過程，由于卸荷及土體的應(yīng)力釋放，引起坑底土體向上回彈；隨著基坑開挖深度的增加，基坑內(nèi)外壓力差也增大，因此又引起支護結(jié)構(gòu)的變形與基坑外土體的位移，加大了基坑開挖面的隆起量?；娱_挖較淺時，基坑只發(fā)生彈性隆起；當(dāng)基坑開挖深度不斷增加，彈性隆起相應(yīng)增大；當(dāng)基坑開挖深度達(dá)到一定程度，地基中的塑性開展區(qū)不斷擴大，直至連通，支護結(jié)構(gòu)的過大變形與坑外土層的位移隨之增大，基坑將由彈性隆起發(fā)展到塑性隆起，致使造成基坑失穩(wěn)，坑內(nèi)產(chǎn)生破壞性滑移，地面產(chǎn)生嚴(yán)重沉降。

計算基坑底隆起的方法雖然較多，但計算結(jié)果和實測值相差較大（一般計算出來的隆起量比實際發(fā)生的大），且多數(shù)方法不能計算開挖面以下任意深度的回彈量；有些方法雖然可以計算任意深度的回彈量，但所采用的某些參數(shù)很難取值，即使能夠確定參數(shù)值，但參數(shù)的準(zhǔn)確性也不易保證，因此關(guān)于基坑底隆起量的計算是一個非常復(fù)雜的問題。

目前計算基坑回彈的方法較多，現(xiàn)采用下面幾種常用的方法分別進行計算。

1）采用日本規(guī)范：日本《建筑基礎(chǔ)構(gòu)造設(shè)計基準(zhǔn)》中，基坑底隆起量δ為

式中：

Csi——坑底開挖面以下第i層土的回彈指數(shù)；

e0i——第i層土的孔隙比；

PNi——第i層土中心的原有土層上覆荷載；

ΔPi——由于開挖引起的第i層土的荷載變化量；

hi——第i層土的厚度。

2）采用《建筑基坑設(shè)計技術(shù)規(guī)程應(yīng)用手冊》：此方法根據(jù)JGJ120—99《建筑基坑設(shè)計技術(shù)規(guī)程》編寫。目前，北京理正深基坑計算軟件采用此方法計算基坑底隆起量（若本公式計算的隆起量為負(fù)值，則按0處理）。

式中：

γ2——基坑外側(cè)坑底至地面之間土的加權(quán)重度，水位以上為天然重度，水位以下取飽和重度；

h1——換算深度，h1＝h＋q/γ2；

q——基坑頂面的地面超載；

D——支護結(jié)構(gòu)嵌入深度；

h——基坑開挖深度；

γ1——基坑外側(cè)支護結(jié)構(gòu)底部至地面之間土層的加權(quán)重度，水位以上為天然重度，水位以下取飽和重度；

C——支護結(jié)構(gòu)底部土的黏聚力；

φ——支護結(jié)構(gòu)底部土的摩擦角。

3）采用GB 50007—2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》：本規(guī)范給出的公式是用來計算基礎(chǔ)底面以下某一深度的地基變形量，而與基底隆起量有一定的差別，但此方法在很多文獻(xiàn)中被采用，因此有一定的代表性。其計算公式如下。

式中：

s1——按分層總和法計算出的地基變形量；

Ψs——沉降計算經(jīng)驗系數(shù)；

p0——對應(yīng)于荷載效應(yīng)準(zhǔn)永久組合時的基礎(chǔ)底面處的附加壓力；

Esi——基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量；

zi、zi－1——基礎(chǔ)底面至第i層土、第i－1層土底面的距離；

ai、ai－1——基礎(chǔ)底面計算點至底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)。

4）采用模型試驗方法：基坑底隆起包含相當(dāng)一大部分的塑性變形，考慮到簡單、實用性，采用土工離心模型試驗方法計算基坑底隆起量。

式中：

h——基坑開挖深度。

5）采用參考文獻(xiàn)［1］給出的計算方法：其關(guān)鍵是對其中一些參數(shù)的計算，具體參數(shù)的取值及計算過程詳見文獻(xiàn)［1］。

3 理論計算結(jié)果與實際結(jié)果的比較

通過采用以上各方法給出的公式進行計算，結(jié)果如表2所示。

表2 不同計算方法結(jié)果對比表

理論計算雖然不是完全模擬實際開挖過程，但是從理論計算結(jié)果和實際結(jié)果來看，兩者有較大的差異。從參考文獻(xiàn)［1］、［2］等大量文獻(xiàn)及實際情況可以看出，一般計算出來的坑底隆起量較實際隆起量要大，但本工程實際的隆起量比計算的還要大，說明本工程的隆起量異常偏大。

從工程現(xiàn)場能夠看出，由于隆起量的異常偏大，車站底板墊層出現(xiàn)多處裂紋，且由于隆起量的影響，底板厚度不能滿足原設(shè)計厚度，在最后的變更設(shè)計中，底板采用0.7～0.9m不等的厚度，并采用加強配筋等方法解決，才使得工程能夠繼續(xù)施工下去。

4 基坑底隆起規(guī)律

坑底隆起是基坑豎直向卸荷而改變坑底土體原始應(yīng)力狀態(tài)的反應(yīng)。在基坑開挖深度不大時，坑底土體在卸荷后發(fā)生豎向的彈性隆起，當(dāng)圍護墻底為清淤良好的原狀土或注漿加固土體時，圍護隨土體回彈而抬高，此時坑底彈性隆起的特征是坑底中部隆起最高，而且坑底隆起基本不會引起圍護墻外側(cè)土體向坑內(nèi)移動。

隨著開挖深度的增加，基坑內(nèi)外的土面高差不斷增大，基坑內(nèi)外土面高差所形成的荷載和地面各種超載就使得圍護墻外側(cè)土體向基坑內(nèi)移動，使基坑坑底產(chǎn)生向上的塑性隆起，同時在基坑周圍產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，并引起地面沉降。此時隆起量也逐漸由中部最大轉(zhuǎn)變?yōu)閮蛇叴笾虚g小的形式即平常所說的雙峰馬鞍形，基底中心點隆起量較小，在位于坑壁一定距離處基坑隆起量最大。這種隆起形式在圓形基坑中較為常見，但對于較窄的基坑或長條形基坑，仍是中間大兩邊小。

本車站基坑深度16.79m，基坑長度為451m，在開挖的過程中雖然是分段開挖，但為開挖方便，基坑開挖采用拉槽開挖形式。本基坑隆起量最大的位置在基坑中部，隆起量為32cm，且基坑周邊地面沉降嚴(yán)重，最大處地面沉降近40cm。實際情況的隆起形式與理論分析基本吻合。

5 本基坑的隆起原因分析

由于本基坑隆起量的異常偏大，結(jié)合本工程的實際情況，分析其原因如下：

1）基坑開挖后，原土壤平衡的應(yīng)力場受到破壞，卸荷后基底要回彈。基坑開挖前，原狀土已經(jīng)形成了穩(wěn)定的應(yīng)力場和變形，由于土體的開挖就是土體的卸荷過程，因此在破壞原有土體的應(yīng)力場和平衡狀態(tài)的同時，必然引起基底的回彈。

2）基底土受回彈后土體的松馳與蠕變的影響加大了基底的隆起。原狀土的平衡狀態(tài)在開挖以后被破壞，原來的密實程度遠(yuǎn)大于開挖后的密實程度，又由于機械、人工等各方面的擾動，回彈后的土體變得更加松弛，因此加大了基底的隆起。

3）地下連續(xù)墻在側(cè)水土壓力作用下，墻角與內(nèi)外側(cè)土體發(fā)生塑性變形而上涌。基坑開挖后，圍護結(jié)構(gòu)必然產(chǎn)生一定的位移和變形，在圍護結(jié)構(gòu)變形的同時，墻角處的內(nèi)外側(cè)土體產(chǎn)生一定的塑性變形，因而導(dǎo)致土體的上涌。

4）黏性土基坑積水，即使時間短也會因黏性土吸水使土的體積增大而隆起。由于基坑底部位于砂質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土層，杭州地區(qū)水位較高，而在施工過程中，降水效果又不好，有很長一段時間內(nèi)，基坑均位于水位以下，整個基坑浸泡于水中，因此由于黏性土吸水使土的體積增大，從而加大了基坑底的隆起量。

5）基坑底部承壓水加大了基底隆起。在車站地質(zhì)報告中，基底以下20m處的水層有一定的微承壓性，因此由于基坑的開挖，下部承壓水層對基坑底板必然有一定的托頂作用，從而加大了基底的隆起。

6）其他原因。由于支撐架設(shè)不及時、降水效果差、坑外堆載等原因，本段地下連續(xù)墻發(fā)生了平均侵限50cm，最大侵限90cm的情況，地下連續(xù)墻最大變形在100cm以上。圍護結(jié)構(gòu)的大變形，必然加大基底土的塑形變形和隆起，同時，基坑開挖要考慮時空效應(yīng)的影響，基坑開挖后的無支撐暴露時間越長，則基坑的隆起量就越大。

6 結(jié)語

基坑底隆起量的大小是判斷基坑穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。但在目前的現(xiàn)狀下，基坑底隆起量的準(zhǔn)確計算是非常困難的。通過以上分析，卸荷回彈、回彈后土體的松馳與蠕變、塑形變形等因素是不可或不易控制的，而且基坑底隆起量的異常偏大與上述因素關(guān)系較小，相反與基坑的降水效果、無支撐暴露時間、施工擾動和基坑周邊堆載等人為因素密切相關(guān)。

在軟土地區(qū)深基坑工程中，地下水的處理效果與工程的成敗密不可分。因此，必須選用合理的降水措施，以保證基坑的降水效果，同時嚴(yán)格按照設(shè)計文件及相關(guān)規(guī)范規(guī)定的“邊撐邊挖”原則，不得無故延長無支撐暴露時間，同時減少施工擾動及基坑周邊堆載，從而保證基坑的穩(wěn)定和工程的順利完成。

［1］劉國彬，黃院雄，侯學(xué)淵.基坑回彈的實用計算法［J］.土木工程學(xué)報，2000，33（4）：61.

［2］田振，顧倩燕.大直徑圓形深基坑基底回彈問題研究［J］.巖土工程學(xué)報，2006，28（增刊）：1360.

［3］黃強.建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程應(yīng)用手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［4］劉國彬，賈付波.基坑回彈時間效應(yīng)的試驗研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（增1）：3040.

［5］原文奎，黨海軍，郭慶昊，等.軟土性質(zhì)對基坑圍護機構(gòu)穩(wěn)定性的影響［J］.城市軌道交通研究，2010（5）：75.