地下工程施工对周边地表变形特征的研究实践

基坑开挖过程实质上是坑内土体的卸载过程，在基坑本身引起的坑内隆起和围护结构的变形外，基坑周围地层的移动亦是基坑控制变形的重中之重。基坑开挖引起的周边地表沉降的因素有很多，包括重力坝、排桩、地下连续墙等，不同因素引起的地表沉降形式也是不同的。常见的重力坝受力作用面宽，一般受力较远；排桩+内支撑和地下连续墙作用面窄，一般受力较近。

1.重力坝

当周边环境要求相对宽松、工期要求紧时，可采用重力坝围护结构。重力坝一般用于基坑开挖深度不大于7 m的围护结构，重力坝围护设计宽度一般取0.8倍基坑深度。重力坝总体经济效益好，不需要设置支撑，施工快速，但是变形不易控制。

（1）平面布置

重力坝是通过固化剂对土体进行加固后形成有一定厚度和嵌固深度的重力墙体，以承受墙后水、土压力的一种挡土结构。重力坝是无支撑自立式挡土墙，依靠墙体自重、墙底摩阻力和墙前基坑开挖面以下土体的被动土压力稳定墙体，以满足围护墙的整体稳定、抗倾稳定、抗滑稳定和控制墙体变形等要求。搅拌桩水泥土重力坝平面布置有双轴搅拌桩和三轴搅拌桩，在工程实际应用中，以三轴搅拌桩最为常见。搅拌桩水泥重力坝平面布置如图3-7和图3-8所示。

（2）重力坝变形特征

在基坑开挖过程中，重力坝除了受到土压力和水压力的作用外，还要受到自身的重力作用，其变形不同于一般的悬臂式围护结构，采用重力坝围护结构的基坑周边的地表沉降特征形态如图3-9所示。

图3-7　双轴搅拌桩常见平面布置形式

图3-8　三轴搅拌桩常见平面布置形式

图3-9　重力坝周边地表沉降

由图3-9可知，重力坝墙后土体的地表沉降特征表现为三角形沉降，坝体整体向坑内倾斜，坝顶水平位移最大；在重力坝向坑内位移的过程中，由于内外压力差的作用，使坑外土产生塑性区，在向坑内移动的过程中亦会产生地表沉降，坑边的沉降量最大。

（3）控制和减少坝体变形的措施

施工场地的地质条件是固定不变的，为了确保基坑工程的安全，可以从优化围护结构设计和施工方法方面入手。控制和减少坝体变形的具体措施如下：①增加重力坝坝体的宽度；②沿围护边长方向每隔20～30 m增加重力墩；③适度增加重力坝的插入深度；④在坑内开挖面以下加加固墩；⑤在水泥土加固体中插型钢、钢管、刚性桩等；⑥基坑开挖施工时采取分段、分层开挖等。

增加重力坝坝体的宽度可以增加墙体的侧向刚度，在同等受力的情况下，可以减小墙体的侧向位移；沿围护边长方向每隔20～30 m增加重力墩，可以增加坝体刚度；适度增加重力坝的插入深度以满足整体稳定性要求和抗隆起条件；在坑内开挖面以下加加固墩，可以增大被动区土体强度；在水泥土加固体中插型钢、钢管、刚性桩等，可以增加水泥土的刚度；当基坑开挖面较大时，可以考虑开挖施工时采取分段、分层开挖等。

坑内加固可增加被动土压力区的土压力，增加坝体的抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性。土体加固平面布置形式包括满堂式、格栅式、裙边式、抽条式、暗墩式等，如图3-10所示。

图3-10　坑内加固平面布置形式

根据基坑工程的设计需要，采取不同的坑内加固方式，其中圈椅状加固属于新工艺，此种加固方式将坑内加固土与重力坝相结合，整体刚度大。

2.排桩

城市施工用地越来越紧张，这造成了建筑群毗邻间距越来越小，当基坑周围邻近历史建筑物时，为了控制基坑施工质量和保护历史建筑物，一般采用排桩围护结构。排桩是利用常规的各种桩体如钻孔灌注桩、挖孔桩、预制桩及混合桩等并排连续起来形成的地下挡土结构。

（1）排桩围护的种类与特点

按照单个桩体成桩工艺的不同，排桩围护体桩型大致有以下几种：钻孔灌注桩、预制混凝土桩、挖孔桩、压浆桩、SMW工法桩（型钢水泥土搅拌桩）等。这些单个桩体可在平面布置上采取不同的排列形式形成挡土结构，来支挡不同地质和施工条件下基坑开挖时的侧向水土压力。图3-11列举了几种常用的排桩围护体形式。

分离式排桩[图3-11（a）]适用于无地下水或地下水位较深，土质较好的情况。在地下水位较高时应与其他防水措施结合使用，例如在排桩后面另行设置止水帷幕。一字形相切[图3-11（b）]或搭接排列式，往往因在施工中桩的垂直度不能保证及桩体扩颈等原因影响桩体搭接施工，从而达不到防水要求。当为了增大排桩围护体的整体抗弯刚度时，可把桩体交错排列，如图3-11（c）所示。有时因场地狭窄等原因，无法同时设置排桩和止水帷幕，此时可采用桩与桩之间咬合的形式，形成可起到止水作用的排桩围护体，如图3-11（d）所示。相对于交错式排列，当需要进一步增大排桩的整体抗弯刚度和抗侧移能力时，可将桩设置成前后双排，将前后排桩桩顶的帽梁用横向连梁连接，就形成了双排门架式挡土结构，如图3-11（e）所示。有时还将双排式排桩进一步发展为格栅式排桩[图3-11（f）]，在前后排桩之间每隔一定的距离设置横隔式桩墙，以进一步增大排桩的整体抗弯刚度和抗侧移能力。因此，除具有自身防水的SMW桩型挡墙外，常采用间隔排桩与防水措施结合，该方法施工方便，防水可靠，故成为地下水位较高软土地层中最常用的排桩围护体形式。

图3-11　排桩围护体的常见形式

（2）基坑变形简化计算方法

王卫东等（2012）收集了上海地区65个常见的板式支护体系基坑工程案例，并对其进行了分类。对不同类型的排桩支护体系基坑建立不同的基于土体HS-Small模型的平面应变有限元模型进行分析。根据室内土工试验结果与基于实测数据的参数反演分析，确定了上海软土地区典型土层土体的HS-Small模型计算参数。通过对108个有限元计算结果的分析及归一化，推导了能够综合考虑基坑系统刚度、基坑深度和基坑宽度的上海地区板式支护体系基坑围护结构最大侧移和地表最大沉降的简化计算公式，并且提出了基坑围护结构侧移曲线和地表沉降曲线，同时也给出了上海地区板式支护体系基坑变形的预测流程。

综合考虑基坑系统刚度、开挖深度和开挖宽度对基坑变形的影响，得到基坑变形计算公式，式（3-4）为计算围护结构最大侧移的公式，式（3-5）为计算地表最大沉降的公式。

式中　δhmax——围护结构最大侧移；

He——基坑开挖深度；

EI——围护结构的抗弯刚度；

γw——水的重度；

h——支撑的平均竖向间距；

B——基坑开挖宽度；

δvmax——地表最大沉降。

（3）排桩变形特征

影响排桩整体刚度的因素有桩径、支撑道数及间距，当基坑开挖较浅，且未设支撑时，桩体表现为墙顶位移最大，向基坑方向水平位移，呈悬臂式位移分布。随着基坑开挖深度的增加，刚性桩体继续表现为向基坑内的三角形水平位移或平行刚体位移。而一般柔性墙如果设支撑，则表现为墙顶位移不变或逐渐向基坑外移动，墙体腹部向基坑内突出，即抛物线形位移。

有多道内支撑体系的基坑，理论上其桩体变形都应为第三类组合型位移形式。但在实际工程中，深基坑的第一道支撑都接近地表，同时大多数测斜数据都是在第一道支撑施工完成后才开始测量，因此实测的测斜曲线其悬臂部分的位移较小，都接近抛物线形位移，详见图3-12。

图3-12　排桩周边地表沉降(www.xing528.com)

3.地下连续墙

当基坑开挖深度较大，而邻近历史建筑变形控制要求又较高时，应采用地下连续墙围护形式。地下连续墙可有效控制其自身的墙体变形，减少地面沉降，减少邻近历史建筑变形。

（1）地下连续墙的特点

在工程应用中，地下连续墙已被公认为深基坑工程中最佳的挡土结构之一，它具有如下显著的优点：

①施工具有低噪声、低震动等优点，工程施工对环境的影响小；

②连续墙刚度大、整体性好，基坑开挖过程中安全性高，支护结构变形较小；

③墙身具有良好的抗渗能力，坑内降水时对坑外的影响较小；

④可作为地下室结构的外墙，可配合逆作法施工，以缩短工程的工期、降低工程造价。

但地下连续墙也存在弃土和废泥浆处理、粉砂地层易引起槽壁坍塌及渗漏等问题，因而需采取相关措施来保证连续墙施工的质量。

（2）地下连续墙的适用条件

由于受到施工机械的限制，地下连续墙的厚度具有固定的模数，不能像灌注桩一样对桩径和刚度进行灵活调整，因此，地下连续墙只有用在一定深度的基坑工程或其他特殊条件下才能显示其经济性和特有的优势。地下连续墙的选用必须经过技术经济比较，只有确实认为经济合理时才可采用。一般情况下，地下连续墙适用于以下基坑工程：

①深度较大的基坑工程，一般开挖深度大于10 m才有较好的经济性；

②邻近存在保护要求较高的建（构）筑物，对基坑本身的变形和防水要求较高的工程；

③基地内空间有限，地下室外墙与红线距离极近，采用其他围护形式无法满足留设施工操作空间要求的工程；

④围护结构亦作为主体结构的一部分，且对防水、抗渗要求较严格的工程；

⑤采用逆作法施工，地上和地下同步施工时，一般采用地下连续墙作为围护体；

⑥在超深基坑中，例如开挖深度在30～50 m的深基坑工程，采用其他围护体无法满足要求时，常采用地下连续墙作为围护体。

（3）地下连续墙的结构形式

目前在工程中应用的地下连续墙的结构形式主要有壁板式、T形、П形、格形、预应力或非预应力U形折板地下连续墙等几种形式。

壁板式可分为直线壁板式[图3-13（a）]和折线壁板式[图3-13（b）]，折线壁板式多用于模拟弧形段和转角位置。壁板式在地下连续墙工程中应用得最多，适用于各种直线段和圆弧段墙体。例如，在上海世博500 kV地下变电站直径130 m的圆筒形基坑地下连续墙设计中，就采用了80幅直线壁板式地下连续墙来模拟圆弧段。

T形[图3-13（c）]和П形[图3-13（d）]地下连续墙适用于基坑开挖深度较大、支撑竖向间距较大、受到条件限制墙厚无法增加的情况，可通过加肋的方式增加墙体的抗弯刚度。

格形地下连续墙[图3-13（e）]是一种将壁板式和T形地下连续墙两种形式组合在一起的结构形式。格形地下连续墙结构形式的构思出自格形钢板桩岸壁的概念，是靠其自身重量稳定的半重力式结构，是一种用于建（构）筑物地基开挖的无支撑空间坑壁结构。格形地下连续墙多用于船坞及特殊条件下无法设置水平支撑的基坑工程，目前也有应用于大型的工业基坑的情况，如上海耀华-皮尔金顿二期熔窑坑工程，熔窑建成后坑内不允许有任何永久性支撑和隔墙结构，而且要保护邻近一期工程的正常使用。该工程采用了重力式格形地下连续墙方案，利用格形地下连续墙作为基坑支护结构，同时也作为永久结构。格形地下连续墙在特殊条件下具有不可替代的优势，但由于受到自身施工工艺的约束，一般槽段数量较多。

图3-13　地下连续墙平面结构形式

预应力或非预应力U形折板地下连续墙是一种新型的地下连续墙，已应用于上海某地下车库工程。折板是一种空间受力结构，有良好的受力特性，同时还具有抗侧刚度大、变形小、节省材料等特点。

（4）墙体变形简化计算方法

李二兵（2004）根据地下连续墙的受力特征，运用弹性薄板理论对地下连续墙在基坑开挖中的侧向变形进行了分析，导出了其侧向变形的解析计算公式。

地下连续墙围护结构，非开挖侧承受水土压力，开挖侧承受被动土压力及内支撑作用，两侧受两边地下连续墙的约束，墙底受下伏土的约束作用，墙顶面自由，根据这一受力特点求其变形的严密解是非常困难的。为解决这一问题，必须作某些合理的假设，为此在分析时作如下基本假设：

①墙底变形很小，近似认为只发生转动，故地下连续墙可简化为墙跨两端固支，墙底简支，墙顶面自由，如图3-14所示。

图3-14　地下连续墙计算简图

L—地下连续墙长度；H—地下连续墙高度；h—基坑深度；hd—地下连续墙入土深度；b—薄板厚度；ep—被动土压力；ea—主动土压力；e0—基坑底面处主动土压力。

②由于墙厚与墙体跨度、高度相比小得多，故视地下连续墙为弹性平面薄板。③主动土压力按郎肯土压力理论计算，被动土压力按线弹性“m”法计算。

④内支撑视为弹性杆件，其刚度按式（3-6）确定：

式中，Ki为第i个支撑材料的刚度；Ei为该支撑材料的弹性模量；Ai和Li分别为该支撑的截面积和长度。

根据以上基本假设，可用弹性理论的能量法求解该薄板问题。

（5）地下连续墙变形特征

地下连续墙结构在开挖过程中的变形大小与变形规律直接关系到基坑的安全。徐中华等（2008）收集了上海软土地区93个采用地下连续墙作为围护结构并采用常规顺作法施工的基坑实测资料，对连续墙的变形性状进行了统计分析，并研究了软土层厚度、插入比、支撑系统刚度、坑底抗隆起稳定系数大小及首道支撑的位置等对变形影响的规律。

地下连续墙的最大侧移随着开挖深度H的增加而增大，所有基坑的最大侧移基本介于0.1%H和1.0%H之间，平均值为0.42%H。钢筋混凝土支撑和钢支撑在控制墙体的变形上没有明显差别。最大侧移的深度位置大致位于开挖面附近，且基本介于（H-5 m）～（H+5 m）的范围之内。

围护结构的最大侧移随着墙底以上软土厚度的增加而增大；无量纲化最大侧移随着插入比的增大呈现增加的趋势。

对采用混凝土内支撑的基坑而言，无量纲化最大侧移与支撑系统刚度的关系不大；对采用钢支撑的基坑而言，最大侧移随着支撑系统刚度的增大有减小的趋势。

墙顶侧向位移随着首道支撑位置深度的增加而呈现指数增长的趋势，而连续墙的最大侧移与首道支撑位置的深度无明显关系。