文／謝云 中節(jié)能華座（上海）環(huán)保發(fā)展有限公司 上海 200090

引言：

深基坑始終是工程界的焦點，如何減小深基坑開挖過程中對于周邊環(huán)境的影響是工程人面臨的挑戰(zhàn)。在深基坑開挖過程中，常用圍護結(jié)構(gòu)的水平向位移評估施工對周邊環(huán)境的影響程度。國內(nèi)許多學者[1-4]對此展開研究，采用有限單元法、有限差分法等方法，對不同條件下基坑圍護結(jié)構(gòu)變形進行模擬，得到許多經(jīng)典的結(jié)論。然而在目前的研究中，大多只刻畫了圍護結(jié)構(gòu)變形隨深度的變化規(guī)律，雖然在部分研究中考慮了基坑開挖的時空效應，但針對圍護結(jié)構(gòu)最大變形隨時間的變化規(guī)律，總結(jié)的較少。在工程實踐中，需要根據(jù)當前地墻變形與施工節(jié)奏，對基坑狀況進行研判，從而采取相應措施，控制圍護結(jié)構(gòu)變形。本文將結(jié)合工程實例，嘗試總結(jié)歸納圍護結(jié)構(gòu)最大變形隨時間的變化規(guī)律，從而對圍護結(jié)構(gòu)變形控制提出合理的建議。

1、工程概況

1.1 基坑設計

上海某地下車站基坑，長172.8m，寬27.8m，最大挖深28.05m?；硬捎?m 厚地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)，第一、三道為1×0.8m 鋼筋混凝土支撐，第二、四、五、六道為φ800 鋼管支撐。

1.2 監(jiān)測方案

在基坑地下連續(xù)墻中埋設測斜管作為圍護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測點。監(jiān)測點之間間隔10m，沿基坑長邊單側(cè)布置14 個，共28 個監(jiān)測點；基坑短邊單側(cè)布置1 個，共2 個監(jiān)測點（如圖1所示）。

圖1 基坑圍護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測點平面布置圖

1.3 基坑施工

基坑采用分段、分層階梯狀開挖形式，從東側(cè)向西側(cè)施工，隨挖隨撐。由于基坑南側(cè)存在多處房屋未拆除，場地內(nèi)設置施工道路，故近可利用北側(cè)，形成單側(cè)出土工況。該基坑從開挖至最后一塊底板澆筑完成，共歷時100 天。施工過程中，以四根鋼支撐或兩根混凝土支撐施工作業(yè)空間為一個施工段，從土方開挖至鋼支撐軸力施加完畢平均用時18h，至混凝土支撐澆筑完畢平均用時60h。

2、變形分析

選取其中P09、P10、P11、P13 四點作為研究對象，做出圍護結(jié)構(gòu)變形隨深度的變化規(guī)律圖，如圖2。對比已有的研究結(jié)果，無論是與數(shù)值模擬結(jié)果還是工程實踐結(jié)果比對，這四點的變形規(guī)律都與現(xiàn)有的結(jié)果相符。因此，這四點的結(jié)果具有代表性。

圖2 圍護結(jié)構(gòu)變形隨深度變化曲線

而后，用散點圖描繪此四點圍護結(jié)構(gòu)變形隨時間變化規(guī)律（如圖3），當根據(jù)監(jiān)測頻率，采用全部監(jiān)測數(shù)據(jù)進行描繪時，可以發(fā)現(xiàn)，由于基坑變形加速集中在土方開挖施工過程中，而在該監(jiān)測點對應支撐形成后，作業(yè)面移動至其他位置時，該點圍護結(jié)構(gòu)變形增量穩(wěn)定且較小，因此變形呈現(xiàn)出階梯狀上升的形式。該曲線的規(guī)律性較難總結(jié)，難以根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)判斷基坑后續(xù)變形情況。因此，需要對數(shù)據(jù)處理方式進行調(diào)整。

圖3 監(jiān)測點P09 圍護結(jié)構(gòu)變形隨時間變化規(guī)律

在土方開挖過程中，每一個施工段都是“土方開挖-支撐施工”的循環(huán)，而最后一個“循環(huán)”是以“土方開挖-墊層澆筑-底板施工”結(jié)尾，底板澆筑完成后，圍護結(jié)構(gòu)變形收斂。因此，可以將一個“循環(huán)”當作一個時間單元，對數(shù)據(jù)進行處理，再次繪制圍護結(jié)構(gòu)變形隨時間的變化規(guī)律曲線，得到圖4。從圖4 中可以看出，選取的4 個監(jiān)測點散點的分布形式相似，近似在一條直線附近。

圖4 圍護結(jié)構(gòu)變形隨時間變化規(guī)律

分別對四個監(jiān)測點變形-時間散點進行回歸擬合。由于散點近似分布在一條直線附近，因此首先采用線性擬合。通過線性擬合，可以發(fā)現(xiàn)R均大于0.985，可以認為擬合程度很高。而后，繼續(xù)采用2 次多項式對散點進行擬合，將擬合結(jié)果與線性擬合進行對比。主要參數(shù)如表1所示。

表1 擬合參數(shù)表

就R而言，二次多項式擬合結(jié)果略好于線性擬合結(jié)果。但當關注到二次項系數(shù)時不難發(fā)現(xiàn)，二次項系數(shù)均小于10，而在實際監(jiān)測過程中，測斜變形的精度是10mm，且從結(jié)構(gòu)宏觀角度而言，精確到1mm 的精度控制已經(jīng)符合工程實踐要求。同時，結(jié)合截距來看，理論上在基坑開挖前，監(jiān)測單位會對初始值進行復測歸零，方便記錄開挖后的圍護結(jié)構(gòu)開挖情況。但在實際的施工過程中，初始值的標定和基坑開挖的時間存在差值，尤其是在非首段開挖的區(qū)段，變形值受前序地墻影響，導致初始值不一定為0。但這種影響在實際施工過程中較小，因此，在擬合過程中雖不必將f(0)=0 的初條件對擬合曲線進行約束，但擬合后截距也應盡可能小。從擬合結(jié)果來看，二次多項式擬合的截距約比線性擬合結(jié)果大50%。因此，用線性擬合結(jié)果相較于二次多項式擬合結(jié)果，更接近工程實際情況。

該擬合曲線是以一個“循環(huán)”作為一個時間單元，取每個“循環(huán)”的末狀態(tài)作為時間節(jié)點，該狀態(tài)是該“循環(huán)”中圍護結(jié)構(gòu)變形最大的時刻。因此，該擬合曲線應被視作各階段圍護結(jié)構(gòu)變形最大值隨時間變化規(guī)律曲線，即圍護結(jié)構(gòu)變形的包絡線。

為了驗證這一結(jié)論，選取此4 個測點以外的測點進行預測與驗證。對于測點P76，在第二道支撐完成是DAY 5，此時圍護結(jié)構(gòu)變形最大值為7.76mm；第三道支撐完成是DAY 22，此時圍護結(jié)構(gòu)變形最大值為22.50mm。根據(jù)土方開挖進度計劃，該區(qū)域在DAY 65 時完成底板澆筑，采用線性擬合結(jié)果可以對此進行預判，得到完成底板澆筑后，圍護結(jié)構(gòu)最大變形為59.78mm。該區(qū)域?qū)嶋H在DAY 66 時完成底板澆筑，最大變形為56.89mm，誤差5%，且結(jié)果偏大。

從基坑安全管理角度而言，預測結(jié)果偏大有利于督促施工環(huán)節(jié)增加保護措施，確?；娱_挖安全。因此，該預測結(jié)果是滿足對基坑狀況進行研判的要求的。

該結(jié)果的應用前提條件中有一條至關重要的假設，即在施工過程中，不改變循環(huán)間的節(jié)奏；同時，基坑變形必須在安全許可范圍內(nèi)，若在施工過程中，發(fā)現(xiàn)變形超過該結(jié)果10%，應當對基坑進行安全風險報警，需要對基坑安全進行重新評估。

3、影響因素分析

結(jié)合施工過程，對影響圍護結(jié)構(gòu)變形的因素進行分析。按南北兩側(cè)劃分，做出每側(cè)14 個測點最大變形曲線（如圖5）?？梢园l(fā)現(xiàn)，基坑中段距離明顯大于兩側(cè)。西段，南側(cè)比北側(cè)大；東段北側(cè)略大于南側(cè)。結(jié)合現(xiàn)場周邊環(huán)境與施工過程，對該現(xiàn)象進行分析。

圖5 各測點最大變形曲線

（1）基坑兩側(cè)受兩條短邊約束，其剛度比中段圍護結(jié)構(gòu)大，變形??；

（2）基坑西段，南側(cè)緊鄰基坑為未拆除房屋，北側(cè)為市政道路且車流量不大，使南側(cè)地面超載大于北側(cè)；且現(xiàn)場基坑北側(cè)設置棧橋作為施工道路，施工荷載使地墻產(chǎn)生迎土面受拉的彎矩，平衡一部分因土壓力產(chǎn)生的內(nèi)力。

（3）基坑東段，南側(cè)為未拆除磚混結(jié)構(gòu)房屋，北側(cè)為施工道路；根據(jù)計算，施工荷載大于房屋自重，即北側(cè)地面超載大于南側(cè)，因此圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力大，位移較大。

（4）西段采用鋼支撐伺服系統(tǒng)，東段未采用，不同的施工措施也會影響圍護結(jié)構(gòu)的發(fā)展。

4、施工管理要點

由前所述，基坑圍護結(jié)構(gòu)變形最大值包絡線與開挖時長近似成線性正相關，因此，為了有效控制基坑圍護結(jié)構(gòu)變形，應當盡可能降低基坑開挖時間。在施工管理過程中，可以參考淺埋暗挖法的工藝要求，即“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測”。

對于深基坑開挖，“管超前”與“嚴注漿”在絕大多數(shù)場景中不適用，在部分地質(zhì)條件極差的案例中，在開挖過程中，不僅要考慮基坑圍護結(jié)構(gòu)變形，還要對未開挖區(qū)段的土體進行相應處理。一般情況下，進行放坡即可。在少數(shù)土質(zhì)極軟或流動性高的極端情況下，應首先類比淺埋暗挖法的“管超前”，將未開挖部分土進行“超前加固”。

而類比“短進尺、強支護、快封閉、勤量測”，應當盡量縮短每一次土方開挖的長度，只要滿足支撐的施工面即可，不宜一次開挖過長，支撐施工跟不上土方施工，導致支撐不及時，引起圍護結(jié)構(gòu)變形過大。同時，要盡可能縮短土體擾動到支撐形成的時間間隔，縮短每一個“循環(huán)”的時長，即“快封閉”，這一點也是控制基坑開挖變形的關鍵環(huán)節(jié)。“勤量測”要求制定合理的監(jiān)測方案，對圍護結(jié)構(gòu)變形、周邊環(huán)境變形（地表、房屋、管線等）、地下水位變化等指標進行監(jiān)測，在基坑開挖的過程中，應當加大監(jiān)測頻率，為基坑狀況研判提供數(shù)據(jù)支持。

結(jié)語：

本文結(jié)合工程實例，對上海某地下車站深基坑土方開挖階段圍護結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得到以下結(jié)論：

（1）深基坑圍護結(jié)構(gòu)在非對應區(qū)域開挖時，變形增量穩(wěn)定且較小，圍護結(jié)構(gòu)變形突變發(fā)生在對應區(qū)域土方開挖過程中；

（2）基坑在安全范圍內(nèi)，且不大幅度改變基坑施工節(jié)奏時，基坑圍護結(jié)構(gòu)變形包絡線與基坑開挖時長大致線性正相關；

（3）采用線性估計預測基坑圍護結(jié)構(gòu)最大變形的方法，對基坑開挖安全管控具有指導意義。

在日后的研究工作中，可以在以下方面對該結(jié)論進行深入研究：

（1）基坑最大變形發(fā)生深度的變化規(guī)律，對基坑圍護結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生位置進行預判，進而為采取地層加固、調(diào)整支撐軸力等方式改變其發(fā)生位置提供理論依據(jù)，從而達到控制圍護結(jié)構(gòu)變形的效果；

（2）線性相關規(guī)律僅為定性分析，預測只能通過線性外插得到，一次項系數(shù)可能受地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、施工工藝等因素影響，可以通過進一步研究確定該系數(shù)取值方法；

（3）當采取措施時，改變基坑開挖條件，該結(jié)論是否依然適用，仍有待后續(xù)研究驗證。