张玉山 李光诚 王建筱 邵 勇

（湖北省城市地质工程院）

随着城市的快速发展以及地下空间规模的日益增大，城市轨道交通在城市现代化建设中起着重要的作用，在既有地铁隧道区间或者地铁车站周边进行深基坑开挖变得越来频繁［1］。

近些年来，学者对邻近地铁的深基坑在开挖过程中支护结构和周围土体的变形做了大量研究，包含理论分析［2］、监测分析［3-4］以及数值模拟［5］等。本研究结合既有邻近地铁隧道深基坑案例现场监测数据，研究深基坑开挖过程中支护结构、坑外地表时程变形规律，并提出深基坑开挖过程中的过程控制措施，以确保深基坑和地铁隧道在开挖过程中的稳定性和安全性。

1 工程概况

某深基坑工程邻近既有武汉4、6号地铁隧道运营区间隧道，平面呈不规则形状，基坑周长为398.90 m，面积为9 660 m2，基坑挖深为12.70～15.70 m。基坑与轨道交通线的平面关系见图1。本基坑工程主要采用支护桩+两道钢筋混凝土内支撑+侧向止水帷幕的支护形式，支护剖面见图2。基坑范围内各土层的物理力学参数见表1。

2 基坑监测方案和监测结果分析

2.1 基坑监测方案

该基坑监测方案中布置了支护结构顶部水平/沉降位移监测点22个、坑外地表水平/沉降位移监测点20个。位移变形方向规定：（1）水平位移曲线增加量为负即向位移基坑内发展，为正即向基坑外发展；（2）沉降位移曲线沉降量为负即为向下发展，为正即为向上发展。

2.2 基坑支护结构、坑外地表变形特征

针对基坑支护结构、坑外地表和地铁隧道变形特征，主要从水平位移时程变化特征和沉降位移时程变化特征2个方面对其变形特征进行分析，详见下述。

2.2.1 基坑支护结构变形特征

图3、图4分别为基坑支护结构水平位移和沉降位移时程变化关系图。根据曲线变化特征，将其时程曲线划分为阶段Ⅰ（基坑施工到第二道内支撑施工完成）、阶段Ⅱ（阶段Ⅰ到承台底板施工完成）和阶段Ⅲ（阶段Ⅱ到承台及拆撑施工完成）。基于深基坑开挖过程中现场监测数据的支护结构变形时程曲线3阶段具体特征如下：

（1）阶段Ⅰ。由图3、图4可得，第二道内支撑施工完成前，支护结构顶部水平位移和沉降位移变化幅度小，水平位移变化幅度为2 mm，沉降位移变化幅度为4 mm。在此阶段支护结构顶部位移变化幅度较小。

（2）阶段Ⅱ。支护结构顶部各监测点沉降位移在阶段Ⅱ沉降趋势均表现出明显增大趋势，这是由于随着基坑开挖深度的增加，支护结构坑内侧临空面面积增大，导致支护结构承受的土压力增大，最终致使支护结构沉降增大。支护结构顶部部分监测点水平位移出现向坑外发展，这是由于在该监测点处支撑轴力出现多角度叠合，致使支撑发挥作用时轴力叠合处产生较大的向基坑外侧发展的力。

（3）阶段Ⅲ。由图3可得，随着基坑工程的施工，阶段Ⅲ支护结构顶部各监测点水平位移均表现出向坑外方向发展；由图4可得，随着基坑工程的施工，阶段Ⅲ支护结构顶部各监测点沉降速率均表现出减缓趋势。

基于上述，支护结构水平和沉降位移在基坑开挖过程中变现出“稳→增→缓”的变化趋势。

2.2.2 基坑外地表变形特征

图5、图6是基坑外地表水平位移和沉降位移时程变化关系，由图5和图6可明显看出基坑外地表水平位移和沉降位移时程曲线具有明显的阶段性特征。分析各监测点基坑外地表变形规律与支护结构顶部位移之间的共性，详见下述。

（1）基坑外地表水平和沉降位移阶段Ⅰ的变化幅度很小，除个别监测点外，变化幅度均在1 mm以内。基坑外地表沉降位移变化速率v表现出的变化规律为vⅡ＞vⅢ，这是由于随着开挖深度的增加，各地层的变形传递机制的不同；且在开挖深度较小时，基坑范围内地层物理力学性质差，致使阶段Ⅱ沉降速率大于阶段Ⅲ。

（2）除个别监测点外，其他各监测点水平和沉降位移均表现出“稳→增→缓”的发展趋势（图6），基于此趋势得出坑外地表水平位移在发展方向上均表现出先向基坑内发展，再向基坑外发展；沉降位移均沉降的一致规律。因此，坑外地表位移与支护结构位移具有相同的时程变化趋势。

3 基坑开挖过程中稳定性精细化控制措施

深基坑在施工过程中保证基坑支护结构和周边环境变形的本质是深基坑施工方案与地质条件、周边环境的相适应问题。主要体现在3个方面：（1）由于地质勘察不够详细致使地质条件不明，导致施工方案选择不当；（2）在地质条件明确的条件下，施工方案及控制措施不到位；（3）对于地下既有结构不明确以及对卸荷条件下地下结构的变形特性不清楚，导致周边环境出现过大沉降，甚至发生较大事故。

3.1 超前风险预报

由于地层及地下结构的未知性以及勘察的局限性，勘察阶段的地质资料很难得到准确地反映地下水分布、不良地质体分布以及地下结构的空间位置分布特征。针对基坑支护工程，基坑支护结构及周边环境变形是风险核心。因此，以超前勘察地层与勘察资料偏差及地下结构空间位置分布作为指标进行基坑支护风险分级（表2），形成三级风险等级（Q）。

3.2 深基坑开挖过程中预测预警体系

深基坑开挖过程中稳定性控制问题，除了要关注变形、应力和地下水位等因素外，构建基坑开挖过程变形预测预警系统亦是研究重点［6］。因此，结合现场实时监测数据，构建快捷、高效的预测系统显得尤为重要。

通过第2章节内容分析可得，深基坑支护结构、地层及周边环境监测数据具有明显的阶段性特征，也能够较好地反应深基坑在开挖过程中其应力、变形随时间的演化特征，为构建深基坑开挖过程中预测预警系统提供了前提保障。深基坑开挖过程监测数据的实施分析、学者的研究主要集中在其与深基坑稳定性之间的关系，对于利用深基坑监测数据构建多层次多角度的预测预警系统研究较少。文中以支护桩+两道内支撑为主的深基坑支护形式为例，以开挖过程中的支护结构的沉降数据为例，构建深基坑开挖过程中预测预警体系，如图7所示（以沉降变形为例）。图7中U2、U4分别为基坑开挖到第二层撑、底板时沉降变形累计变形临界值。

当U＜U1、U2＜U＜U3、U4＜U＜U5时，基坑变形速率小，内支撑对此阶段的变形控制起到本质性作用，在此阶段的可正常施工；当U1＜U＜U2、U3＜U＜U4时，基坑变形速率大，但此阶段基坑支护结构、周边土体及建（构）筑物的变形尚处在可控范围内，应加大基坑监测频率和密度；同时，进一步根据现场情况制定必要的加固手段防止基坑变形过大引起的事故。当t＞t5时，若基坑还在要开挖，基坑变形预测应按照上述分析分级预测预计；若开挖到基底，应进一步判断累计变形值、变形速率等是否在规范控制标准范围内，并加快底板和基础结构的施工和基坑回填。当基坑变形超过规范控制标准时，应立即启动基坑支护应急救援预案，并由指挥部和相关专家组进行决策，制定出更为详细的支护、加固方案，确保基坑的安全。

3.3 基坑工程精细化过程控制体系

基坑施工过程中分阶段预测、分阶段抢救与分级管理的精细化控制措施可以较好地预防其在开挖过程中的安全性。为此，本文提出了深基坑开挖过程中变形精细化控制措施，如图8所示。

（1）深基坑方案优化。根据勘察报告、结构基础设计文件以及相关规范，形成专家评审通过的深基坑支护方案。根据基坑超前地质预报风险等级以及综合超前地质预报分析为保证深基坑开挖过程中稳定性提供了前期保障。

（2）深基坑监测方案与预测预警体系。周边环境复杂的深基坑监测方案要综合和考虑基坑支护结构的变形和周边环境的变形。变形监测、支撑轴力监测、地下水监测等可反映出支护体系下的变形速率、轴力值、地下水位，再结合地裂缝等破坏现象；可为深基坑工程开挖过程中提供多参数监测数据。进一步根据地下结构监测数据和支护结构与地下结构变形的响应关系进行实时反映变形和对地下结构变形预测预警，双向保证地下结构的变形在合理的控制范围内。基于此，针对支护桩+内支撑支护形式形成多参数分阶段预测预警体系。

（3）深基坑开挖过程质量管控体系。深基坑开挖过程中影响其工程质量的因素有人、施工材料、施工机械、施工方法（包括顺作法、逆作法和顺逆法结合等）、技术、环境以及检测等多方面因素。施工过程中应进一步健全质量管理体系，提高人员质量管理意识，统筹管理施工材料和施工机械，严格把控技术措施，综合考虑施工环境，做好施工中间验收和质量验收；结合PDCA循环基本科学理论，实现深基坑开挖过程中的PDCA循环，从而形成深基坑开挖过程质量管控体系，提高和保证工程质量。

在针对具体工程中，首先应先按步骤（1），进而得出深基坑支护风险分级，判断是否要进行优化方案。结合深基坑施工工序，步骤（2）、（3）相互组合，在深基坑开挖过程中形成分阶段预测、分阶段抢救与分级管理的精细化控制措施，保证深基坑在开挖过程中的安全性和稳定性，降低深基坑在开挖过程中各因素造成的风险。

4 结 论

（1）支护结构变形与坑外地表变形在基坑开挖过程中均表现出“稳→增→缓”的发展趋势，且阶段性特征与基坑开挖各阶段密切对应。

（2）联合基坑支护结构施工前以及施工过程中地质条件，基坑支护结构、地层及周边环境变形预测预警系统以及基坑工程精细化过程控制措施，最终形成了针对支护桩+内支撑支护形式形成的多参数分阶段预测预警、分阶段抢救与分级管理的精细化控制体系，为基坑开挖过程中其稳定性和安全性提供了理论保障。