金 鑫，藍(lán)軍劍，孔紫雯，廖紅雨，孫苗苗，吳 熙

（1.杭州交通投資建設(shè)管理集團有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙大城市學(xué)院，浙江 杭州 310015；3.城市基礎(chǔ)設(shè)施智能化浙江省工程研究中心，浙江 杭州 310015）

0 引 言

基坑是一個三維的空間結(jié)構(gòu)，由于基坑本身的幾何尺寸和開挖卸荷順序的設(shè)置，將導(dǎo)致其施工時應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生較大的變化[1]。有研究表明，當(dāng)基坑長寬比為1 到3 之間時，隨著長寬比的增大，基坑長邊會因土體分步分區(qū)開挖卸荷的作用，導(dǎo)致其空間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，這種由于空間結(jié)構(gòu)引起的變形情況就叫做空間效應(yīng)[2]。

目前國內(nèi)外采用不同的變形指標(biāo)對長大基坑的空間效應(yīng)特性開展了大量研究。俞強[3]系統(tǒng)分析了不同施工階段的基坑變形特性，利用實測數(shù)據(jù)表明了地鐵隧道的位移曲線與基坑周圍土層、圍護結(jié)構(gòu)的位移曲線發(fā)展趨勢具有良好的一致性，均表現(xiàn)出顯著的空間效應(yīng)。趙文等[4]通過研究某砂土深基坑的樁頂水平位移、樁體水平位移及變形，發(fā)現(xiàn)圍護樁樁頂水平位移結(jié)構(gòu)時間效應(yīng)并不顯著，但空間效應(yīng)特征明顯。奚家米等[5，6]重點分析了基坑地表沉降、基坑外潛水水位、砼支撐軸力及圍護樁深層水平位移在不同時空條件下的表現(xiàn)形式與內(nèi)在聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)基坑的空間效應(yīng)影響程度沿遠(yuǎn)離坑角方向衰減，且基坑長深比越大，空間效應(yīng)表現(xiàn)得越明顯。樓春暉等人[7]則研究了圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形和地表沉降值的實測值，給出了空間效應(yīng)對這兩個指標(biāo)的影響范圍。俞曉和宋雷[8]通過數(shù)值模擬，利用圍護結(jié)構(gòu)水平位移和探討了長大深基坑開挖過程中圍護樁的受力與變形情況及其空間分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)內(nèi)支撐對基坑空間效應(yīng)存在抑制作用。實際上，眾多的文獻[9-13]已經(jīng)結(jié)合開挖后土體位移、圍護結(jié)構(gòu)位移與基坑范圍存在的對應(yīng)關(guān)系，證實了在基坑設(shè)計和施工時應(yīng)充分重視基坑的空間效應(yīng)。

值得注意的是，上述文獻中對基坑開挖空間效應(yīng)的變形指標(biāo)不盡相同，然而采用基坑圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移和土體側(cè)向位移作為空間效應(yīng)的變形指標(biāo)研究還有待深入。如何采用有效且合理的指標(biāo)確定、預(yù)測和控制長大基坑在開挖期間的空間效應(yīng)影響因素，對保障長大基坑工程的正常施工具有重要的意義。

本項目以砂土地區(qū)的長大基坑工程為研究對象，重點基于側(cè)向位移特性來分析長大隧道基坑空間效應(yīng)，考察長大基坑變形的發(fā)展趨勢，為復(fù)雜地層條件下基坑安全建設(shè)的統(tǒng)籌規(guī)劃、基坑工程優(yōu)化設(shè)計、保障基坑施工安全提供理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

本工程位于杭州某經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)12號路，該路段為杭州市東西向交通要道，車流量大，交通繁忙，地下各類管線眾多，錯綜復(fù)雜，且一般為主干管，對勘察、設(shè)計、施工影響較大。項目道路全長約7.47 km。以其中一段長大基坑作為工程案例進行研究分析，起止樁號為K0+700 至K1+075，全長375 m，寬29.9 m，開挖深度達到12.556～15.878 m，采用圍護形式為800 mm 連續(xù)墻+四（三）道內(nèi)支撐，屬于一級基坑等級，見圖1。

圖1 基坑平面及周邊環(huán)境示意圖

根據(jù)場地巖土工程勘察報告，該工程地形地貌簡單，自然地面平坦，地面標(biāo)高在5.80～7.00 m，屬沖海積平原地貌單位。該基坑為砂性土地區(qū)，表1 為基坑土層物理力學(xué)參數(shù)，在基坑開挖范圍內(nèi)，土層主要為土質(zhì)松散雜填土，含少量礫碎石、稍密的砂質(zhì)粉土、中密的粉砂，含云母碎石?？紤]地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，基坑工程采用800 mm 厚地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的圍護體系，第一道支撐采用鋼筋混凝土，其余為鋼支撐，圖2 為基坑圍護結(jié)構(gòu)的典型橫斷面示意圖。

表1 基坑土層物理力學(xué)參數(shù)

圖2 基坑圍護結(jié)構(gòu)的典型橫斷面示意圖（單位：mm）

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 施工監(jiān)測與工況

2.2.1 施工監(jiān)測

基坑圍護監(jiān)測方案重點包括墻體側(cè)向位移以及坑外土體水平位移監(jiān)測，對該基坑設(shè)置如圖3 所示的監(jiān)測點。

圖3 基坑平面監(jiān)測點布置圖

在地下連續(xù)墻內(nèi)每隔20～25 m 布設(shè)一個測斜管，編號ZQT16-ZQT41，同樣沿基坑周邊等間距布設(shè)土體測斜監(jiān)測點，編號TST16-TST41，為了方便對比分析，每個土體測斜孔均與墻體測斜孔對應(yīng)。

2.2.1 施工監(jiān)測

結(jié)合現(xiàn)場施工開挖狀況，基坑開挖分為A、B、C三個區(qū)域，依次進行開挖，在每個區(qū)域內(nèi)分若干區(qū)段，見圖4。

圖4 基坑施工工序

基坑于2020 年8 月在K0+800～K0+940（A 區(qū)域）開始開挖，A 區(qū)域基坑分A1、A2、A3 以及A4 四個分塊。同理B 區(qū)域（K0+940～K1+075）設(shè)置為B1、B2 以及B3 三個分塊，C 區(qū)域（K0+700～K0+800）設(shè)置C1、C2 以及C3 三個分塊?；邮┕ろ樞驗椋篈 區(qū)域基坑（A1→A4）→B 區(qū)域基坑（B1→B3）→C 區(qū)域基坑（C1→C3）。每個分塊按a ～ j 從上至下的順序開挖土體，具體施工步驟見表2。

表2 基坑施工工況

2.2 墻體側(cè)移變形分析

根據(jù)基坑開挖步驟設(shè)置10 個工況，分析各工況在不同深度、不同位置的墻體側(cè)移累計值變化。

圖5 為各工況墻體側(cè)移變形曲線圖，從圖中可以看出，墻體側(cè)移曲線的變化與開挖工序的進行有關(guān)，基坑先開挖A 區(qū)域，B、C 區(qū)域分別在A、B 區(qū)域地下結(jié)構(gòu)封頂后開挖，可以看出基坑變形隨著開挖分區(qū)域發(fā)展。具體表現(xiàn)為：

圖5 墻體側(cè)移累積位移曲線圖

圖5 墻體側(cè)移累積位移曲線圖

由圖5 基坑一側(cè)的曲線變化可見，開挖A 區(qū)域期間，隨著開挖工序的進行，最大側(cè)移累計值位于工況1、2 的30、32 測點，分別為14.08 mm、14.56 mm，工況3、4 的28、26 測點，分別為17.34 mm、20.98 mm，同時隨著開挖工序的進行，各測點的累計值逐漸增大。開挖B、C 區(qū)域期間，A 區(qū)域數(shù)值變化不大，說明分段開挖和支撐架設(shè)能夠有效減小對已開挖區(qū)域的位移變形。隨著開挖的進行，墻體側(cè)移累計值的變化范圍不斷向基坑中部擴大，區(qū)別于普通基坑分層開挖表現(xiàn)的總體均勻變化趨勢，表明基坑分段分區(qū)開挖存在空間效應(yīng)影響。

隨著A 區(qū)域主體結(jié)構(gòu)建設(shè)完成，B 區(qū)域開始開挖，由圖5 工況5～7 可見，B 區(qū)域內(nèi)36-40 測點墻體側(cè)移值隨著開挖工序進行逐漸增大，且B 區(qū)域范圍內(nèi)最大值位于38 測點，但整體基坑墻體最大側(cè)移始終位于24 測點，最大變形為29.6 mm。同理，由工況8～10 可見，C 區(qū)域開始開挖，16～22 測點墻體側(cè)移值隨著開挖進行逐漸增大，最大側(cè)移值位于20 測點，最大變形為22.27 mm。表明基坑在不同位置對墻體的限制效應(yīng)不一致，基坑坑角處對側(cè)移值限制最大，說明長大基坑存在明顯的坑角效應(yīng)。

由此可知，受開挖方式的影響，墻體側(cè)移沿基坑長邊具有一定的空間分布規(guī)律，主要體現(xiàn)在坑角效應(yīng)上，即墻體側(cè)移的最小值出現(xiàn)在基坑端部，并隨著側(cè)點向基坑中部的移動而不斷增大。由于這種效應(yīng)的作用，使得基坑短邊中部側(cè)移值總是比長邊中部側(cè)移值小。

由工況8 至工況10 可以發(fā)現(xiàn)，位于基坑中部的A 區(qū)域變形值基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，側(cè)移值大約為15.56 mm 至20.36 mm?；娱_挖完成后，最大變形區(qū)域位于B、C 區(qū)域，最大累計值分別為21.77 mm、22.27 mm，大于A 區(qū)域側(cè)移值?？紤]到長大基坑具有明顯的空間效應(yīng)，如果采取從一端開挖至另一端的施工方案，基坑中部會產(chǎn)生較大的水平位移。本項目采取從基坑中部分區(qū)分段開挖的施工方案，原因在于，中部基坑主體結(jié)構(gòu)建設(shè)完成后，對于中部基坑的側(cè)移發(fā)展有一定的限制作用，可以達到減小基坑中部的側(cè)移的目的，從而保障基坑的安全性。

由表3 數(shù)據(jù)可知，基坑墻體最大側(cè)移基本介于0.10%He 和0.19%He 之間，其中He 為基坑開挖深度。與Wang[23]得出的結(jié)論（0.10%He～1.00%He）要小得多，造成這種差別原因一方面由于Wang[23]所統(tǒng)計的300 多各深基坑使用不同的支護方式，導(dǎo)致結(jié)果離散性較大；另一方面可能存在最大側(cè)移發(fā)生深度位于含水量少、壓縮性低的砂質(zhì)粉土土層，受土質(zhì)條件約束導(dǎo)致墻體側(cè)移值與開挖深度的比值較??；最主要是由于本項目對長大基坑分區(qū)分段進行開挖，順應(yīng)了基坑的空間效應(yīng)發(fā)展，一定程度上減小了圍護結(jié)構(gòu)的變形。

表3 監(jiān)測最大累積值及發(fā)生深度

為分析深度對墻體側(cè)向位移分布的影響，選取3個典型工況，增加6 m、16 m 的深度繪制墻體側(cè)移變形曲線見圖6。在6m 至12 m 深度范圍內(nèi)，墻體側(cè)向累計值隨著深度增加而增加。工況1、5、8 最大增加量分別為9.80 mm、12.37 mm、10.58 mm。在12 m至16 m 深度，累計值隨著深度的增加卻在減小。工況1、5、8 最大減小值分別為3.38 mm、8.24 mm、5.24 mm。

圖6 增加6 m、16 m 深度墻體側(cè)移累計值變形曲線

可見，墻體的側(cè)向側(cè)移在橫向上具有一定的空間分布規(guī)律，且不受開挖方式的影響，在數(shù)值上，隨著深度的增加而增加，超過12 m 深度時會隨著開挖深度增加而減小。主要由于在12 m 位置處，墻體受到上方較大的土體自重，自身抵抗變形的能力也在不斷增加，因此基坑墻體側(cè)移隨著深度的增加，圍護墻體更為穩(wěn)定，自身產(chǎn)生水平位移受到約束。因此，在開挖至12～13.5 m 范圍內(nèi)存在墻體側(cè)移累計值較大的情況，需要采取合理的監(jiān)測以及有效減小基坑側(cè)移變形的施工措施。

2.3 土體側(cè)移變形分析

圖7 為根據(jù)土體側(cè)移監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制的土體側(cè)移累計值變形曲線。各工況最大側(cè)移累計值及其發(fā)生深度見表3。

圖7 土體側(cè)移累計值曲線圖

圖7 土體側(cè)移累計值曲線圖

由圖5 變化曲線可以可看出，開挖A 區(qū)域期間，最大側(cè)移累計值位于工況1、2 的30、32 測點，分別為12.52 mm、13.68 mm，工況3、4 的26 測點，分別為15.96 mm、20.28 mm，同時隨著開挖工序的進行，各測點的累計值逐漸增大。開挖B 區(qū)域期間，最大累計值位于24 測點，開挖C 區(qū)域期間，位于20 測點?？梢钥闯鐾馏w側(cè)移與墻體側(cè)移受基坑空間效應(yīng)的影響有相同的變化規(guī)律，均隨著開挖的進行，影響范圍不斷向中部擴大。也可以看出，基坑開挖過程中，基坑側(cè)移變化曲線分布形狀表現(xiàn)為，已施工范圍變化小，施工范圍變化大，未施工范圍幾乎不變，體現(xiàn)了開挖卸載的空間效應(yīng)，即受開挖施工影響最大的為開挖面附近的局部區(qū)域。

分析土體側(cè)移曲線工況1 至工況4 可以發(fā)現(xiàn)，A區(qū)域開挖期間，24 測點與34 測點皆小于中部測點累計值，表現(xiàn)出兩端小，中間大的變化規(guī)律，這與墻體側(cè)移的變形規(guī)律基本符合，均表現(xiàn)出顯著的基坑空間效應(yīng)?；娱_挖深度的增加使得基坑具有明顯的空間效應(yīng)，且土體與墻體側(cè)移沿基坑長邊表現(xiàn)的空間分布規(guī)律在總體上是一致的。原因在于，在土體開挖過程中，支撐的架設(shè)總是滯后于土體的開挖，使得墻體在支撐架設(shè)前就存在位移，而當(dāng)墻體發(fā)生位移時，坑外土體的原始平衡狀態(tài)被破壞，引起土體發(fā)生相應(yīng)的位移，并伴隨著墻體位移的發(fā)展而不斷變化。由表3 可見，墻體側(cè)移與土體側(cè)移的最大累計值數(shù)值與發(fā)生深度基本相同，由于土體側(cè)移的發(fā)展與墻體側(cè)移的發(fā)展具有緊密相關(guān)的聯(lián)系，所以根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向變形預(yù)測土體產(chǎn)生的側(cè)移變形，從而評價基坑開挖對周圍環(huán)境的影響具有重要意義。

2.3 墻體側(cè)移和土體側(cè)移特性分析

選取典型工況1、5、8、10，合并墻體側(cè)移與土體側(cè)移變形曲線見圖8。

圖8 典型工況墻體與土體側(cè)移合并曲線分析圖

工況1、5、8、10 的墻體與土體側(cè)移累計曲線，在變形趨勢、數(shù)值上均保持一致性，反映出土體會隨著墻體變形的性質(zhì)。但是在個別位置存在差異，有工況5 測點24、35 平均差值為6.69 mm、10.98 mm；工況8的B 區(qū)域，土體比墻體側(cè)移累計值平均大4.98 mm；工況10 測點34、35 平均差值為3.91 mm。可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)差值的區(qū)域均發(fā)生在B 區(qū)域，且均表現(xiàn)為土體側(cè)移大于墻體側(cè)移。原因在于B 區(qū)域施工時未及時將開挖土方運出，而是堆積在基坑邊緣，從而導(dǎo)致坑外土體受荷過大，使得土體發(fā)生塑性變形，加之墻體發(fā)生回彈，將無法與墻體位移保持一致。

3 結(jié) 論

以杭州某長大基坑工程為研究對象，通過實測數(shù)據(jù)研究基坑施工過程中的空間效應(yīng)，提出以基坑安全性的保障措施。具體結(jié)論如下：

（1）由于長大基坑采取分區(qū)分段開挖，在空間效應(yīng)的影響下，其變形規(guī)律是有別于整體開挖基坑變形規(guī)律的，即不同開挖位置的基坑變形存在不同的變化，如長大基坑坑角位移明顯小于基坑中部，由于這種空間效應(yīng)的作用，使得基坑短邊中部側(cè)移值總是比長邊中部側(cè)移值小。

（2）由墻體側(cè)移與土體側(cè)移變形曲線具有的一致性可以看出，墻體側(cè)移的發(fā)展與土體側(cè)移的發(fā)展緊密相關(guān)，且均受到相同的空間效應(yīng)影響。在基坑開挖過程中，圍護墻體兩側(cè)土壓力不平衡導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的水平位移，從而帶動土體產(chǎn)生水平位移，并且圍護墻體的位移狀態(tài)直接影響坑外土體的位移狀態(tài)，表現(xiàn)在土體最大側(cè)移累計值與同深度的墻體最大側(cè)移累計值基本保持一致。

（3）由于基坑采取分區(qū)分段開挖施工，先開挖中部基坑，中部結(jié)構(gòu)的建造對基坑整體變形有一定約束作用，從而減小基坑變形的風(fēng)險?？赏ㄟ^加大支撐剛度、進行合理坑底加固等措施，保障基坑安全。