李常茂，祝和意

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院，陜西 渭南 714000)

0 引言

受地質(zhì)條件、基坑開挖及施工機械擾動等因素影響，基坑施工具有空間立體擾動特征，會對安全施工造成潛在威脅，因此，準確掌握基坑施工過程的空間變形特性及危險性狀態(tài)具有重要的工程指導意義[1-6]。目前，已有學者開展基坑空間變形特性研究：張壯等[7]、于富才等[8]利用數(shù)值模擬演化基坑開挖過程，掌握基坑變形的時空效應，為基坑后期施工提供一定的信息數(shù)據(jù)；奚家米等[9]在基坑變形監(jiān)測成果基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得出基坑變形的主要影響因素，達到安全控制的目的。上述研究雖揭示基坑開挖過程的部分空間效應特征，但也存在一定不足，如數(shù)值模擬難以表達基坑所處環(huán)境的不均一性，且未在基坑空間變形特性分析基礎(chǔ)上進一步開展基坑危險性評估，加之基坑所處區(qū)域地質(zhì)條件的差異性，使得仍需針對具體地區(qū)開展相應的基坑空間變形特性分析。

在前述研究的基礎(chǔ)上，也有學者進行基坑危險性評估研究，如徐耀德等[10]利用權(quán)重矩陣分析法實現(xiàn)基坑多項預警因素的風險量化評估，提高基坑施工過程的風險管控水平；夏元友等[11]利用層次分析法構(gòu)建基坑施工過程的風險分級模型，實時掌握基坑施工過程中的風險變化，有效保障安全施工；王飛等[12]則在基坑風險因素分析基礎(chǔ)上，構(gòu)建基坑風險評估體系，實現(xiàn)基坑施工風險的定量評價，合理指導現(xiàn)場施工。上述研究在基坑風險評估方面取得一定成果，但也存在一些不足：采用單一監(jiān)測項目進行安全風險評價難以全面管控基坑施工的安全風險；基于變形限值進行風險評估多依賴于人為確定，缺乏理論基礎(chǔ)，且未涉及基坑變形極值在基坑風險評估中的應用研究。

因此，本文以安元西路站基坑為工程背景，基于其變形監(jiān)測結(jié)果，先開展基坑施工的空間變形特性分析，再通過特征指標計算進行基坑危險性評估，以期為類似工程提供參考和借鑒。

1 基本原理

1.1 基坑空間變形指標的確立

因基坑施工具有空間立體擾動特征，故其空間變形特性分析應在三維空間變形監(jiān)測基礎(chǔ)上進行；同時，在基坑施工過程中，其空間變形的研究對象主要為基坑支護結(jié)構(gòu)自身和周邊土體，進而將二者的空間監(jiān)測指標設(shè)定如下：

1)第1類指標，即基坑支護結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測指標?；又ёo結(jié)構(gòu)是其安全施工的重要保證，其變形能直接體現(xiàn)支護結(jié)構(gòu)的運營狀況，結(jié)合其空間變形特征，將其監(jiān)測項目設(shè)定為墻頂水平位移監(jiān)測和沉降監(jiān)測。

2)第2類指標，即周邊土體的變形監(jiān)測指標?；邮┕χ車馏w造成不同程度的擾動，其空間變形監(jiān)測也尤為重要，類比前述空間變形指標的布設(shè)，將周邊土體空間變形指標設(shè)定為地表沉降監(jiān)測和深部側(cè)位移監(jiān)測。

1.2 基坑危險性評估模型的確立

基坑危險性評估模型構(gòu)建過程如下：

1)在評估判據(jù)的構(gòu)建過程中，累計變形是基坑穩(wěn)定性的直觀體現(xiàn)，但限于支護強度及環(huán)境差異，不同監(jiān)測點可能達到的極限變形值Sc也不相同，進而不宜利用累計變形量的絕對值進行基坑的危險性評估；一般情況下，若某監(jiān)測點的現(xiàn)有變形值St與其極限變形值Sc的比值越大，說明其變形的預留空間越小，危險性也相對越高，故將其作為基坑危險性評估的判別指標，稱為變形分級指標Fr，求解公式如式(1)所示：

Fr=St/Sc

(1)

2)基坑變形發(fā)展趨勢也是其危險性的重要判據(jù)，當變形分級指標Fr相對較小時，若其變形發(fā)展趨勢較強，極易達到極限變形值，應具有較高的危險性；反之，若變形發(fā)展趨勢較弱時，其危險性也相對較弱。

3)將基坑危險性評估判據(jù)設(shè)定為變形分級判據(jù)和發(fā)展趨勢判據(jù)，對應具體判別指標即為變形分級指標和發(fā)展趨勢等級指標。

4)結(jié)合工程實際，將基坑危險性評估等級劃分為4級，具體劃分標準及建議措施見表1。

表1 基坑危險性評估等級劃分標準Table 1 Classification standards for risk assessment of foundation pit

2類判據(jù)及指標的具體求解過程如下：

1)變形分級指標的求解

由式(1)可知，變形分級指標的求解僅需確定現(xiàn)有變形值St和極限變形值Sc即可，前者可通過監(jiān)測結(jié)果直接確定，而后者則需進行針對性求解。同時，Sc值的求解過程應充分利用既有監(jiān)測成果，將其求解方法設(shè)定為指數(shù)回歸擬合，擬合公式如式(2)所示：

y=Ae-B/t

(2)

式中：y為基坑變形值，mm；A為待擬合參數(shù)，mm，B亦為待擬合參數(shù)，d；t為時間變量，d。

根據(jù)式( 2 )，得出時間變量t趨于無窮大時，基坑變形值y趨近于定值A(chǔ)，且該值為最大值，進而確定其為待求解的極限變形值。

2)變形發(fā)展趨勢等級指標的求解

由于R/S分析已被廣泛應用于基坑變形趨勢判斷中，具有較強的適用性，因此，本文利用其實現(xiàn)發(fā)展趨勢等級指標的求解。根據(jù)R/S分析的求解過程[13-15]，可得Hurst指數(shù)(H值)，其可作為基坑變形發(fā)展趨勢的評價指標，其判據(jù)為：當H=0.5時，說明分析過程無效，無法判斷基坑發(fā)展趨勢；當0.5

H值與0.5的差值p可作為基坑變形發(fā)展趨勢強弱的判斷指標，進而利用其實現(xiàn)基坑變形發(fā)展趨勢等級劃分，劃分標準見表2。

表2 基坑變形發(fā)展趨勢等級的劃分標準Table 2 Classification standards for deformation development trend of foundation pit

2 實例分析

2.1 工程概況

安元西路站隸屬蘇州4號線，位于安元路和文靈路交叉口，近似呈南北展布，設(shè)計起始里程為DK2+266.1 m～DK2+532.7 m，結(jié)構(gòu)外包全長為266.6 m，寬度為19.7 m，標準段開挖深度16.5 m，屬深基坑；車站基坑采用地連墻作支護結(jié)構(gòu)，共設(shè)置3道橫撐，開挖土方約8.6萬m3。

為保證基坑施工安全，按前述基坑空間變形監(jiān)測項目進行監(jiān)測點布設(shè)，如圖1所示。由圖1可知，墻頂變形監(jiān)測點共計28組(編號：ZQ)，每組2個監(jiān)測點，分別進行水平位移監(jiān)測(編號：ZQS)和沉降監(jiān)測(編號：ZQC)；土體側(cè)位移監(jiān)測點共計32組，每組1個監(jiān)測點，監(jiān)測深度范圍為28 m，測點豎向間距為0.5 m，用于深層側(cè)位移監(jiān)測(編號：CX)；地表沉降監(jiān)測共計32組，每組3個監(jiān)測點，呈垂直支護結(jié)構(gòu)分布，與支護結(jié)構(gòu)凈距分別為2，5，30 m，編號分別為1#，2#，3#(編號：DB)。

2.2 空間變形特性分析

1)支護結(jié)構(gòu)的空間變形特征

28組墻頂水平位移和沉降的變形監(jiān)測值統(tǒng)計圖如圖2所示。由圖2可知，各監(jiān)測點的變形值存在明顯波動，近似呈“駝峰”特征，結(jié)合圖1中的監(jiān)測點布設(shè)情況，得出在基坑兩端頭的變形值相對較小，而在基坑中部的變形值相對較大，分析其原因，應是支護結(jié)構(gòu)在端部處結(jié)構(gòu)剛度相對較大所致。

圖2 基坑支護結(jié)構(gòu)變形值統(tǒng)計Fig.2 Statistics on deformation values of support structure in foundation pit

圖1 基坑空間變形監(jiān)測點布置Fig.1 Layout of monitoring points for spatial deformation of foundation pit

2)周邊土體的空間變形特征

①地表沉降變形特征。一般情況下，土體距離基坑越近，其受施工擾動程度相對越大。對1#監(jiān)測點的沉降值進行統(tǒng)計，如圖3所示。由圖3可知，其周邊土體的地表沉降也具明顯的波動特征，且結(jié)合其監(jiān)測點位置，得出基坑兩端的沉降值也相對較小，而中部的沉降值相對較大，其中，東側(cè)最大地表沉降值為6.7 mm，而西側(cè)最大地表沉降值為7.2 mm，二者相差不大，且均較小。

圖3 基坑周邊土體沉降變形Fig.3 Settlement and deformation of soil around foundation pit

②土體深層側(cè)位移變形特征。 32個土體深部側(cè)位移監(jiān)測點的最大值統(tǒng)計圖如圖4所示。由圖4可知，不同位置處的側(cè)位移最大值存在明顯差異，變形特征也與前述各監(jiān)測項目相似；東側(cè)的最大深部側(cè)位移值為17.8 mm(CX-09監(jiān)測點)，而西側(cè)的最大深部側(cè)位移值為16.2 mm(CX-24監(jiān)測點)，并對比圖3與圖4，得出基坑施工對周邊土體的側(cè)位移影響要明顯大于其對地表沉降的影響。

圖4 不同位置處的最大深部側(cè)位移對比Fig.4 Comparison of maximum deep lateral displacement at different positions

通過上述分析，得出在安元西路站基坑施工過程中，其周邊土體的側(cè)位移變形量相對最大，其支護結(jié)構(gòu)及地表沉降變形均相對較小，且受基坑結(jié)構(gòu)限制及剛度差異影響，變形多集中于基坑中部，端部的變形量相對較小，可為類似工程的空間變形監(jiān)測提供參考。

2.3 基坑危險性評估

1)變形分級判據(jù)的危險性評估

一般情況下，監(jiān)測點的累計變形值越大，其對應的危險性也應越高，故分別于基坑長邊(東、西兩側(cè))選取變形值較大的監(jiān)測點進行評估研究；結(jié)合前述基坑空間變形特性分析結(jié)果，在墻頂變形分析方面，以ZQS-08，19和ZQC-11，19監(jiān)測點為例進行分析，而在周邊土體變形分析方面，以DB-08，09，24，25和CX-09，24監(jiān)測點為例進行分析。

先對墻頂變形進行變形分級判據(jù)的危險性評估，結(jié)果見表3。由表3可知，在極限變形值求解的擬合過程中，各監(jiān)測點的擬合度均較趨近于1，說明擬合效果較優(yōu)；結(jié)合現(xiàn)有變形值，得出4個監(jiān)測點的變形分級指標為0.56～0.67，即危險性等級間于Ⅰ～Ⅱ級，危險性等級均偏低，即說明支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較好，且二者包含的監(jiān)測點數(shù)相等，均為2個；對比墻頂水平位移及沉降的變形分級指標均值，得前者的均值為0.62，而后者的均值為0.59，以前者變形分級指標相對更大，但對危險性等級劃分的影響較小。

表3 墻頂變形的變形分級判據(jù)評估結(jié)果Table 3 Evaluation results of deformation classification criteria for wall top deformation

對基坑周邊土體的各類代表性監(jiān)測點進行變形分級判據(jù)的危險性評估，所得結(jié)果見表4。在地表沉降變形的評估結(jié)果中，得出各監(jiān)測點的變形分級指標均小于0.6，即其危險性等級均為Ⅰ級；而在側(cè)位移的評估結(jié)果中，得出東側(cè)CX-09監(jiān)測點的變形分級指標為0.72，危險性等級為Ⅲ級，而西側(cè)CX-24監(jiān)測點的變形分級指標為0.64，較前者略低，危險性等級為Ⅱ級。

表4 周邊土體變形的變形分級判據(jù)評估結(jié)果Table 4 Evaluation results of deformation classification criteria for surrounding soil deformation

對比上述各監(jiān)測點的變形分級判據(jù)評估結(jié)果，得出地表沉降變形的危險性等級相對最低，其次是墻頂變形，而深層側(cè)位移的危險性等級相對最高；根據(jù)不利條件原則，在變形分級判據(jù)條件下，安元西路站基坑的危險性等級為Ⅲ級。

2)發(fā)展趨勢判據(jù)的危險性評估

根據(jù)前述評估結(jié)果，得出危險性等級為Ⅱ～Ⅲ級的監(jiān)測點共計有4個，其他監(jiān)測點均為Ⅰ級，因此，再利用發(fā)展趨勢判據(jù)對該4個監(jiān)測點進行發(fā)展趨勢評價，以進一步校核其危險性等級。

通過計算，得各監(jiān)測點在發(fā)展趨勢判據(jù)條件下的評估結(jié)果見表5。由表5可知，4個監(jiān)測點的Hurst指數(shù)均大于0.5，說明其變形具正向持續(xù)性，即其變形仍將持續(xù)增加；同時，結(jié)合差值p的大小進行趨勢等級劃分，得出ZQS-19監(jiān)測點和CX-24監(jiān)測點的趨勢程度較低，趨勢等級為1級，而ZQC-11監(jiān)測點和CX-09監(jiān)測點的趨勢程度一般，趨勢等級為2級。綜上所述，根據(jù)不利條件原則，在發(fā)展趨勢判據(jù)條件下，安元西路站基坑的趨勢等級為2級。

表5 在發(fā)展趨勢判據(jù)條件下的評估結(jié)果Table 5 Evaluation results under development trend criteria

基于2類判據(jù)的評估結(jié)果，結(jié)合表1的危險性評估原則，綜合確定安元西路站基坑的危險性評估等級為Ⅲ級，即危險性等級中等，屬預警狀態(tài)，應加強風險事故防范，并制定處理措施準備。

3 結(jié)論

1)基坑施工過程造成的空間變形顯著，其中，在支護結(jié)構(gòu)空間變形特征方面，各監(jiān)測點的變形值存在明顯波動，近似呈“駝峰”特征，分析其原因，應是支護結(jié)構(gòu)在端部處的結(jié)構(gòu)剛度相對較大所致。

2)基坑周邊土體沉降相對較小，隨著與基坑距離的增加，地表沉降呈下降趨勢；同時，隨基坑持續(xù)施工，不同深度處的土體側(cè)位移也隨之增加。

3)在變形分級判據(jù)的評估結(jié)果中，得出深層側(cè)位移的危險性等級相對最高，其次是墻頂變形和地表沉降，基坑危險性等級為Ⅲ級；在發(fā)展趨勢判據(jù)的評估結(jié)果中，基坑的趨勢等級相對較低，僅為2級。

4)該基坑危險性評估方法具有操作簡單，系統(tǒng)性強等優(yōu)點，能準確判斷基坑危險性等級，具有良好的評價效果，可為類似工程提供參考和借鑒。