王体广

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，102600，北京∥工程师）

随着国家基础设施建设步伐的加快，全国各城市地铁工程日益增多，深基坑工程也向更宽、更长、更深方向发展。软土地区的深基坑因其地质条件差、水位高等原因，基坑事故时有发生，而基底隆起是深基坑在设计和施工过程中遇到的一类常见问题。因此，对其产生原因的分析显得格外重要。

基坑隆起问题是一个非常复杂的课题，涉及的影响因素非常多。基底隆起量的大小是判断基坑稳定性和变形的重要指标。基坑发生失稳是不允许的，但允许产生一定量的隆起。本文采用目前使用较多的日本规范以及我国的《建筑基坑设计技术规程应用手册》、《建筑地基基础设计规范》、模型试验和文献［1］提供的方法分别进行计算，同时将计算结果和实际值进行对比分析，以得到基底隆起的原因，供类似工程参考。

1 工程简介

某地铁车站位于杭州市钱塘江西岸的冲海积平原，车站为标准的地下两层车站。其结构尺寸为12.89m×19.50m，标准段基坑深度为16.05m，端头井段基坑深度为17.59m。因车站配线的设置，本车站长度为451m。本工程最大变形发生地段的基坑深度为16.79m，最大隆起量为32cm，位于基坑中部。

该地铁车站北靠河渠，南靠住宅小区，周边场地环境较为复杂，对基坑结构安全等级和变形控制要求严格。按基坑开挖深度及破坏后果的严重性，根据DB33/T1001—2003《浙江省建筑地基基础设计规范》等规范要求，基坑安全等级确定为一级。为保证工程本身安全及控制地表沉降，采用钢筋混凝土地下连续墙加φ609mm内支撑的基坑支护体系。标准段围护结构采用600mm厚地下连续墙，端头井段采用800mm厚地下连续墙，幅宽为4～6m不等。车站标准断面共设置4道支撑和1道换撑。支撑的水平间距一般为3m，竖向间距为3～5m不等，均为标准布置。

根据勘探和室内土工试验测试成果，本站地基土根据成因类型及物理力学指标的差异可划分为8个工程地质层，其中3大层细分为5个亚层。车站底板位于粉砂夹砂质粉土、砂质粉土及粉质黏土层。本场地土类型为中软场地土。

场区的地下水，主要有浅层粉（砂）性土层中的潜水和局部砂土层中的弱承压水。潜水位埋深一般在1.2～4.0m之间；深部承压水位于场地局部分布的中砂层中，分布深度为40m以下，为弱承压水。潜水位和承压水位随季节、气候等原因而有变 化。各层土的力学参数指标详见表1。

表1 土的力学参数

2 基坑底隆起的计算方法

基坑开挖是开挖面的卸荷过程，由于卸荷及土体的应力释放，引起坑底土体向上回弹；随着基坑开挖深度的增加，基坑内外压力差也增大，因此又引起支护结构的变形与基坑外土体的位移，加大了基坑开挖面的隆起量。基坑开挖较浅时，基坑只发生弹性隆起；当基坑开挖深度不断增加，弹性隆起相应增大；当基坑开挖深度达到一定程度，地基中的塑性开展区不断扩大，直至连通，支护结构的过大变形与坑外土层的位移随之增大，基坑将由弹性隆起发展到塑性隆起，致使造成基坑失稳，坑内产生破坏性滑移，地面产生严重沉降。

计算基坑底隆起的方法虽然较多，但计算结果和实测值相差较大（一般计算出来的隆起量比实际发生的大），且多数方法不能计算开挖面以下任意深度的回弹量；有些方法虽然可以计算任意深度的回弹量，但所采用的某些参数很难取值，即使能够确定参数值，但参数的准确性也不易保证，因此关于基坑底隆起量的计算是一个非常复杂的问题。

目前计算基坑回弹的方法较多，现采用下面几种常用的方法分别进行计算。

1）采用日本规范：日本《建筑基础构造设计基准》中，基坑底隆起量δ为

式中：

Csi——坑底开挖面以下第i层土的回弹指数；

e0i——第i层土的孔隙比；

PNi——第i层土中心的原有土层上覆荷载；

ΔPi——由于开挖引起的第i层土的荷载变化量；

hi——第i层土的厚度。

2）采用《建筑基坑设计技术规程应用手册》：此方法根据JGJ120—99《建筑基坑设计技术规程》编写。目前，北京理正深基坑计算软件采用此方法计算基坑底隆起量（若本公式计算的隆起量为负值，则按0处理）。

式中：

γ2——基坑外侧坑底至地面之间土的加权重度，水位以上为天然重度，水位以下取饱和重度；

h1——换算深度，h1＝h＋q/γ2；

q——基坑顶面的地面超载；

D——支护结构嵌入深度；

h——基坑开挖深度；

γ1——基坑外侧支护结构底部至地面之间土层的加权重度，水位以上为天然重度，水位以下取饱和重度；

C——支护结构底部土的黏聚力；

φ——支护结构底部土的摩擦角。

3）采用GB 50007—2002《建筑地基基础设计规范》：本规范给出的公式是用来计算基础底面以下某一深度的地基变形量，而与基底隆起量有一定的差别，但此方法在很多文献中被采用，因此有一定的代表性。其计算公式如下。

式中：

s1——按分层总和法计算出的地基变形量；

Ψs——沉降计算经验系数；

p0——对应于荷载效应准永久组合时的基础底面处的附加压力；

Esi——基础底面下第i层土的压缩模量；

zi、zi－1——基础底面至第i层土、第i－1层土底面的距离；

ai、ai－1——基础底面计算点至底面范围内平均附加应力系数。

4）采用模型试验方法：基坑底隆起包含相当一大部分的塑性变形，考虑到简单、实用性，采用土工离心模型试验方法计算基坑底隆起量。

式中：

h——基坑开挖深度。

5）采用参考文献［1］给出的计算方法：其关键是对其中一些参数的计算，具体参数的取值及计算过程详见文献［1］。

3 理论计算结果与实际结果的比较

通过采用以上各方法给出的公式进行计算，结果如表2所示。

表2 不同计算方法结果对比表

理论计算虽然不是完全模拟实际开挖过程，但是从理论计算结果和实际结果来看，两者有较大的差异。从参考文献［1］、［2］等大量文献及实际情况可以看出，一般计算出来的坑底隆起量较实际隆起量要大，但本工程实际的隆起量比计算的还要大，说明本工程的隆起量异常偏大。

从工程现场能够看出，由于隆起量的异常偏大，车站底板垫层出现多处裂纹，且由于隆起量的影响，底板厚度不能满足原设计厚度，在最后的变更设计中，底板采用0.7～0.9m不等的厚度，并采用加强配筋等方法解决，才使得工程能够继续施工下去。

4 基坑底隆起规律

坑底隆起是基坑竖直向卸荷而改变坑底土体原始应力状态的反应。在基坑开挖深度不大时，坑底土体在卸荷后发生竖向的弹性隆起，当围护墙底为清淤良好的原状土或注浆加固土体时，围护随土体回弹而抬高，此时坑底弹性隆起的特征是坑底中部隆起最高，而且坑底隆起基本不会引起围护墙外侧土体向坑内移动。

随着开挖深度的增加，基坑内外的土面高差不断增大，基坑内外土面高差所形成的荷载和地面各种超载就使得围护墙外侧土体向基坑内移动，使基坑坑底产生向上的塑性隆起，同时在基坑周围产生较大的塑性区，并引起地面沉降。此时隆起量也逐渐由中部最大转变为两边大中间小的形式即平常所说的双峰马鞍形，基底中心点隆起量较小，在位于坑壁一定距离处基坑隆起量最大。这种隆起形式在圆形基坑中较为常见，但对于较窄的基坑或长条形基坑，仍是中间大两边小。

本车站基坑深度16.79m，基坑长度为451m，在开挖的过程中虽然是分段开挖，但为开挖方便，基坑开挖采用拉槽开挖形式。本基坑隆起量最大的位置在基坑中部，隆起量为32cm，且基坑周边地面沉降严重，最大处地面沉降近40cm。实际情况的隆起形式与理论分析基本吻合。

5 本基坑的隆起原因分析

由于本基坑隆起量的异常偏大，结合本工程的实际情况，分析其原因如下：

1）基坑开挖后，原土壤平衡的应力场受到破坏，卸荷后基底要回弹。基坑开挖前，原状土已经形成了稳定的应力场和变形，由于土体的开挖就是土体的卸荷过程，因此在破坏原有土体的应力场和平衡状态的同时，必然引起基底的回弹。

2）基底土受回弹后土体的松驰与蠕变的影响加大了基底的隆起。原状土的平衡状态在开挖以后被破坏，原来的密实程度远大于开挖后的密实程度，又由于机械、人工等各方面的扰动，回弹后的土体变得更加松弛，因此加大了基底的隆起。

3）地下连续墙在侧水土压力作用下，墙角与内外侧土体发生塑性变形而上涌。基坑开挖后，围护结构必然产生一定的位移和变形，在围护结构变形的同时，墙角处的内外侧土体产生一定的塑性变形，因而导致土体的上涌。

4）黏性土基坑积水，即使时间短也会因黏性土吸水使土的体积增大而隆起。由于基坑底部位于砂质粉土和粉质黏土层，杭州地区水位较高，而在施工过程中，降水效果又不好，有很长一段时间内，基坑均位于水位以下，整个基坑浸泡于水中，因此由于黏性土吸水使土的体积增大，从而加大了基坑底的隆起量。

5）基坑底部承压水加大了基底隆起。在车站地质报告中，基底以下20m处的水层有一定的微承压性，因此由于基坑的开挖，下部承压水层对基坑底板必然有一定的托顶作用，从而加大了基底的隆起。

6）其他原因。由于支撑架设不及时、降水效果差、坑外堆载等原因，本段地下连续墙发生了平均侵限50cm，最大侵限90cm的情况，地下连续墙最大变形在100cm以上。围护结构的大变形，必然加大基底土的塑形变形和隆起，同时，基坑开挖要考虑时空效应的影响，基坑开挖后的无支撑暴露时间越长，则基坑的隆起量就越大。

6 结语

基坑底隆起量的大小是判断基坑稳定性的重要指标。但在目前的现状下，基坑底隆起量的准确计算是非常困难的。通过以上分析，卸荷回弹、回弹后土体的松驰与蠕变、塑形变形等因素是不可或不易控制的，而且基坑底隆起量的异常偏大与上述因素关系较小，相反与基坑的降水效果、无支撑暴露时间、施工扰动和基坑周边堆载等人为因素密切相关。

在软土地区深基坑工程中，地下水的处理效果与工程的成败密不可分。因此，必须选用合理的降水措施，以保证基坑的降水效果，同时严格按照设计文件及相关规范规定的“边撑边挖”原则，不得无故延长无支撑暴露时间，同时减少施工扰动及基坑周边堆载，从而保证基坑的稳定和工程的顺利完成。

［1］刘国彬，黄院雄，侯学渊.基坑回弹的实用计算法［J］.土木工程学报，2000，33（4）：61.

［2］田振，顾倩燕.大直径圆形深基坑基底回弹问题研究［J］.岩土工程学报，2006，28（增刊）：1360.

［3］黄强.建筑基坑支护技术规程应用手册［M］.北京：中国建筑工业出版社，1999.

［4］刘国彬，贾付波.基坑回弹时间效应的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（增1）：3040.

［5］原文奎，党海军，郭庆昊，等.软土性质对基坑围护机构稳定性的影响［J］.城市轨道交通研究，2010（5）：75.