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1、软土深基坑变形影响因素分析及控制 摘要：结合工程实例， 就软土地区地铁深基坑变形，设计上从围护结构及支 撑刚度、内支撑竖向间距 , 对支撑施加预应力 , 支护嵌固深度等方面； 施工上从开 挖深度和宽度、开挖顺序、地基加固、开挖顺序、基坑暴露变形、基坑空间效应 等方面综合考虑了影响深基坑变形的因素，并提出了减小基坑和周围地层变形的 具体措施。 0. 引言 城市地铁及高层建筑的基坑具有深、大的特点，挖深一般在1520m之间, 基坑近旁多有建筑物、 道路和管线分布。 为保护周围已有建筑物的正常使用和安 全，不仅要求基坑支护结构具有足够的强度以保证基坑本身安全，而且对于变形 也提出了严格限制。 尤其深
2、圳、 上海等东南沿海软土地区的深基坑工程，很多情 况下变形控制往往起决定性作用， 因此基坑的变形控制和治理问题已经成了目前 地下工程中一个十分热点的课题。 1. 深基坑变形及变形机理 基坑开挖引起的变形主要包括三个部分围护结构的变形和位移、围护结构后 的地表沉降和土体位移、 基坑底部的回弹和隆起。 研究证明这三方面是相互关联 的，两种柔性支护基坑的基坑变形如图1 所示： 图 1 基坑变形示意图 围护结构变形 对于悬臂围护结构和开挖深度较浅时尚未设支撑的带支撑围护结构，墙体侧 向变形一般表现为三角形分布， 即墙顶位移最大， 墙体绕其坑底以下某点向坑内 倾斜。支撑体系设置完毕并开始受力后，随着开挖
3、深度的增加， 墙体的侧向变形 呈现出墙顶位移基本不变，墙体腹部向坑内凸起。 基坑开挖时， 荷载不平衡导致围护墙体产生水平向变形和位移，从而改变基 坑外围土体的原始应力状态而引起地层移动。基坑开挖时， 围护墙内侧卸去原有 上压力，而基坑外侧受主动土压力， 坑底墙体内侧受全部或部分被动土压力，不 平衡土压力使墙体产生变形和位移。 围护墙的变形和位移又使墙体主动土压力区 和被动土压力区的土体发生位移，墙外侧主动土压力区的土体向坑内移动，使背 后土体水平应力减小， 剪力增大，出现塑性区而在开挖面以下的被动区土体向坑 内移动，使坑底土体水平向应力加大， 导致坑底土体剪应力增大而发生水平向挤 压和向上隆起
4、的位移。在软土地区由于围护结构插入比较大（1：0.8 1.2） ，坑 外土体绕过围护结构底向坑内流动受到限制，因此坑外地表沉降和深层土体移动 主要是由围护结构变形引起的。 墙体变形不仅使墙外侧发生地层损失而引起地表沉降，而且使墙外侧塑性区 扩大，因而增加了墙外土体向坑内的移动和相应的坑内隆起，墙体的变形是引起 周围地层移动的重要原因。 围护结构后的地表沉降和土体位移 基坑开挖将引起围护结构后相当范围内地表沉降及土体位移，这是基坑工程 对周围环境的主要危害之一。 目前对地表沉降和土体位移的研究主要集中在分析 地表沉降的分布形式、 范围及沉降的最大值。 而对于周边环境保护更重要的差异 沉降的研究则
5、有待进一步深入。 软土地区的深基坑由于深度较大、土质较弱， 围护结构外土体进入塑性区的 范围较大，土体发生的弹性形变和塑性流动也较大，且墙体变形引起土体向坑内 移动，导致围护结构墙后地表和土层沉降和位移。 基坑底部的回弹和隆起 基坑开挖时，基坑底面的变形量由两部分组成一是由于消除了坑底以上坑内 土体的自重应力，坑底以下土体由于应力释放将产生回弹二是基坑周围土体自重 作用和水平方向对坑内土体的挤压使坑底土向上隆起。在较窄的基坑中， 底部隆 起呈现出中间大、 两边小的形态。 基坑较宽时， 在距离围护结构一定距离处坑底 隆起达到最大，中心区域隆起量相对较小。 坑底土体隆起是坑底土体原有应力状态因垂直
6、卸荷而改变的结果。在开挖深 度不大时，坑底土体在卸荷后发生垂直向隆起，当围护墙底为良好的原状土或注 浆加固土时，围护墙在土体作用下也被抬高。坑底隆起量为中间大，两侧小，这 种隆起基本不会导致两侧围护墙体的侧向变形。随着开挖深度不断加大， 坑内外 土面高差不断加大， 到达一定程度时， 将导致基坑坑底产生塑性隆起，同时在基 坑周围产生较大的塑性区，并引起地表沉降。 对于以上三种基坑变形， 国内外学者进行了大量的研究， 并得到了很多有益 的结果。由于围护结构的位移一般对基坑本身和周围环境影响较小，基坑底部的 回弹和隆起在实际工程中难以区分并精确量测。 以下结合工程实例， 就基坑变形的施工影响因素进行
7、分析，并提出相应的控 制措施。 2. 工程概况及地质条件 2.1 工程概况 某地铁车站位于深圳市南山次中心前海片区，前海湾站基坑开挖长567 米， 深度 1418 米。基坑平面如图 2 所示（分仓开挖，仅绘基坑一段） 。 图2 基坑平面及监测点布置图 2.2 地质条件 该区是以填海为主的7.5 平方公里的新兴区域， 正在进行填海施工， 周围空 旷，无建筑物、管线、道路等。工程地质水文条件复杂，淤泥层厚。土质不均， 呈坚硬流塑状态， 有球状风化残留体存在， 容易引起不均匀沉陷， 施工开挖容 易坍塌， 属较不稳定土体。其工程地层如下： （1） 第四系全新统人工堆积层 （Q4ml ） ： D33 地
8、表沉降测点 支撑轴力测点 桩体位移测点 桩顶水平位移测点 北 车站起点里程DK0-5.7 D32 D31 D35 D34 D36 D23 D22 D21 ZC021 D26 D25 D24 C18 CX3 WS6 WS3 WS2 WS4 WS1 D13 D12 D11 WS5 ZC031A CX5 ZC011+ ZC011 ZC031 WS7 ZC041A ZC041 C3 按照填土填料成分不同分为1 素填土、 3 素填土 2 个亚层。 （2）第四系全新 统海积层 （Q4m ） ： 1 淤泥； 2 淤泥质粘土。 （3） 第四系全新统海冲积层 （Q4m+al ） ： 按照颗粒级配或塑性指数可分为
9、4粘土、 5 粉质粘土、 7 粉砂、9 中砂、 10 粗砂、 11 砾砂 6 个亚层。 （4）残积层（ Qel）由花岗岩风化残积形成，按 照其大于 2mm 颗粒含量（）定名为2 砂质粘性土 1 个亚层。 （5）燕山期花岗 岩（53） 。黄褐色、褐黄色、肉红色、灰白色，中粗粒结构，块状构造，主要 成分为石英、长石、云母，按风化程度可分为1全风化花岗岩、2 强风化花 岗岩和 3 中风化花岗岩 3 个亚层。 2.3 水文条件 本场地地下水按赋存条件主要分为孔隙水及基岩裂隙水。孔隙水主要赋存在 第四系砂层及粘性土、 残积层和全风化花岗岩中， 砂层中地下水略具承压性。 基 岩裂隙水主要赋存在花岗岩强风化
10、层中等风化层中，略具承压性。 地下水水位 高、水源丰富，潮汐水对工程有较大影响。标段范围内的含水层主要为砂层，与 双界河河水及海水有水力联系，结构松散，自稳性差，施工易发生坍塌、涌水、 涌砂等现象。 3. 基坑变形的设计影响因素 3.1 围护结构及支撑刚度 基坑开挖过程中， 桩墙围护结构以及撑锚等支撑构件都会发生变形。以本地 铁基坑为例 , 利用有限元方法分别就900mm 和 1200mm 桩径的灌注桩桩，计算围护 结构刚度变化对基坑最大水平位移的影响。计算结果显示， 围护结构的刚度对控 制基坑变形起到一定的作用，但是效果不是很明显。计算结果见表1。 表 1 不同桩径对基坑变形的影响 围护结构
11、最大水平位移/mm 800mm 桩径43.2 1000mm 桩径33.8 1200mm 桩径28.5 利用有限元方法分析支撑构件刚度对基坑最大水平位移的影响, 以本基坑 1200mm 桩径作为围护结构的前提下, 分别验算壁厚为 9mm 和 16mm 的600 钢管支 撑对基坑最大水平位移的影响。计算结果见表2。 表 2 不同支撑刚度对基坑变形的影响 支撑刚度 (MN/m2) 围护结构最大 水平位移 /mm 9mm 壁厚17 37.1 16mm 壁厚29 32.9 通过计算可以看出， 围护结构正弯矩 （基坑开挖侧受拉为正） 随支撑刚度的 增大而减小， 负弯矩随支撑刚度的增大而一定程度的增加。当支
12、撑刚度达到一定 的量级后，对墙体的变形和弯矩的影响很小， 过于加大支撑刚度没有必要。 此外， 支撑刚度的变化主要影响基坑开挖面以上围护结构的变形和弯矩，对开挖面以下 围护结构的位移和弯矩的影响很小。此两种支撑抗压刚度之比为1：1.76 ，最大 水平位移之比为 1.13：1。 综上所述，采用增加墙厚和支撑刚度并不是减少支护变形最经济有效的办法。 可以考虑采用其他措施来控制基坑变形。 3.2 内支撑竖向间距 适当减少内支撑的竖向间距不仅能增加墙体相对刚度，而且能够缩短墙体从 开挖暴露到支护的时间。 在支撑和锚杆的预应力作用下，墙背有较为均匀的土压 分布，可减少土体的变形。 以本工程为例， 分别采取
13、不同的支撑位置来验算支撑 位置对支护变形的影响。 以第一道支撑在地表下0.7m 和地表下 1.8m 为例来进行比较。经过计算结果 得到，最大围护结构位移分别为34.6mm和 33.7mm ，第一道支撑的位置对于基坑 的变形影响不是很大， 但是也不能无限制的靠下， 离地表距离一般要求不低于土 体的自立高度。 3.3 支撑预加轴力 为了进行对比，计算时对每道支撑施加相同的预加轴力, 选取的预加轴力为 100kN、200kN 。计算结果显示，随着预加轴力的不段增大，基坑开挖面以上的围 护结构最大位移不断减小， 但是开挖面一下的围护结构位移无太大的变化，和支 撑刚度一样， 预加轴力对于控制开挖面以上的
14、围护结构位移具有一定的影响，对 开挖面一下影响不大； 同时最大正弯矩也有一定程度的减小。对支撑进行预加轴 力对于控制围护结构的变形效果很明显。当时无限的增大支撑预加轴力是不可取 的，对于减小围护结构的变形效果不会很明显。一般来说， 预加的轴力可按设计 轴力的 3050进行施加，并且根据现场施工围护结构的变形、受力监测情况 调整实施。计算结果见表3。 表 3 不同支撑预加轴力对基坑变形的影响 围护结构最大 水平位移 /mm 墙身最大正弯 矩/KN*m 无预加轴力34.6 1468.5 100 KN/m 29.6 1435.6 200KN/m 25 1426 3.4 支护结构的嵌固深度 增加支护结
15、构的嵌固深度可以有效提高基坑抗隆起安全系数，以本基坑工程 为例，分别就 3 种嵌固深度来验算其对基坑变形的影响。计算结果如表4 所示。 表 4 不同支撑嵌固深度对基坑变形的影响 围护结构最大 水平位移 /mm 坑底抗隆起安 全系数 嵌固深度10m 29.9 2.48 嵌固深度12m 29.6 2.63 嵌固深度14m 29.5 2.78 从表中可以看出，增加支撑的嵌固深度可以有效增加基坑坑底的抗隆起安全 系数，但是对于减小围护结构的变形效果不明显，几乎没有变化。 4. 基坑变形的施工影响因素 4.1 开挖深度和宽度的影响 通过对现场监测数据的统计分析，随着基坑开挖深度的增大， 基坑围护结构 的
16、变形随之越来越来明显。见下图2 所示。 图 3 桩体水平位移变化（测点18） 通过对基坑开挖的模拟计算分析， 设置了不同开挖宽度条件下基坑开挖对围 护结构水平位移的影响， 结果表明，随着宽度的增大，围护结构水平位移也增大， 同时墙体的弯矩也有比较明显的增大。因此，在实际工程中， 为了保证墙体的安 全，不应使基坑开挖宽度过大。 4.2 坑底加固或底板浇注 通过对基坑底部的加固或者开挖完毕之后底板的及时浇注，对于控制基坑围 护结构的变形非常有效， 通过监测数据分析， 得到当基坑底板浇注完毕以后，随 着时间的增长，围护的变形趋于稳定，水平位移有一定的增加，但是数值很小。 见图 4 所示。 图 4 桩体水平位移变化（测点3） 4.3 基坑安装时间和基坑暴露时间的影响 软土基坑施工中， 周围土体均达到一定应力， 且有部分区域成为塑性区。 软 土一般有明显的流变特征，开挖卸载后还存在固结现象，在相对稳定的状态下， 土体开挖后会不断变形。 因此，有支撑基坑每级开挖后安装支撑前的无支撑暴露 时间和基坑坑底浇注地下室底板前的暴露时间越长，基坑围护墙侧向变形
