周晓宇

(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

长期以来，深基坑工程问题一直是我国建筑工程不可避免遇到的热点问题，深基坑支护设计与施工既要考虑安全性，又要考虑经济性，这给岩土力学工程带来挑战[1]。工程实践表明，不同地区、不同尺度和形状的深基坑引起的地层变形性状差异较大，同时，基坑处于一定地质环境中，不同地质环境具有不同力学特征，这给基坑设计、邻近建(构)筑物的变形预测及保护带来较大困难[2]。国内外学者对于软土地区基坑变形特征进行大量研究，得出很多有价值的成果，对于基坑设计与施工具有很好的指导意义[3-10]。但是，对于岩质地层基坑变形特征研究较少。本文以泥质粉砂岩地层基坑为研究对象，结合基坑监测数据，对以灌注桩为围护结构的基坑变形性状进行分析研究，以期为类似地层基坑工程设计与施工提供参考。

1 工程简介

1.1 工程概况

该基坑是某轨道交通工程明挖区间工程，里程范围为右JYDK57+649.829～右JYDK57+938.900区间，基坑深18 m～23 m，宽12.900 m～14.100 m，左右线侧采用φ1 000@1 200 mm钻孔灌注桩+φ600@1 200 mm高压旋喷桩桩间止水。采用灌注桩+内支撑支护形式，其中第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，其余各道支撑均采用钢管支撑。基坑围护结构剖面如图1所示。

1.2 工程地质条件

本工程场地区域地质相对稳定，区域稳定性较好，场地稳定性分类为稳定。地层由上而下依次如下：

①杂填土：灰黄、灰白、灰黑色，干燥～潮湿，松散～中密，主要由黏性土、砂粒、碎砾石及建筑垃圾、生活垃圾等组成，局部含植物根系。市区路面段上部为混凝土层，厚度0.3 m～0.7 m不等。回填时间1 a～5 a不等。该层局部分布，层厚0.40 m～14.50 m。

②素填土：灰黄、土褐色，稍湿～潮湿，松散～稍密，主要由黏性土、砂粒及碎砾石等组成，局部含植物根系。回填时间为1 a～5 a不等。该层分布广泛，厚为0.60 m～15.60 m。标贯试验实测击数平均值N=7.42击；重型动探试验修正击数标准值N63.5=9.28击。

③粉质黏土：灰黄色，可塑为主，下部局部硬塑，切面稍光滑，干强度中等，韧性中等。局部下部含泥质粉砂岩风化残碎块。天然含水量w=28.24%，塑性指数Ip=14.21，液性指数IL=0.50，φ=14.89°，c=31.96 kPa，压缩系数α1-2=0.36 MPa-1，压缩模量Es=5.31 MPa。该层分布较广泛，层面标高56.64 m～79.13 m，层面埋深0.70 m～15.60 m，厚度0.50 m～8.80 m。标贯试验实测击数标准值N=11.49击，下部含风化碎块段重型动探试验修正击数标准值N63.5=7.92击。

④强风化泥质粉砂岩：褐红色、灰黄色、灰紫色，风化强烈，风化裂隙发育，岩芯破碎呈碎块状，少量短柱状，碎块易碎，质软。局部夹中等风化碎块。该层局部缺失，层面标高55.46 m～75.13 m，层面埋深0.40 m～18.70 m，层厚0.40 m～7.00 m。重型动探试验修正击数标准值N63.5=20.68击。

⑤中等风化泥质粉砂岩：紫红色、灰紫色、灰红色，粉砂结构，薄～厚层状构造，铁泥质胶结。节理裂隙不发育，局部见铁锰质渲染，岩芯较完整，以5 cm～35 cm短柱状、长柱状为主，最长可达1.3 m，局部夹块状。多夹有薄～中厚层状粉砂岩，局部夹中粗砂岩及砂砾岩薄层，易软化、易崩解。干燥抗压强度标准值17.14 MPa，饱和抗压强度标准值为5.78 MPa，天然抗压强度标准值为8.50 MPa，软化系数平均值为0.33，属软岩，岩体较破碎～较完整。该层全区分布，本次勘察未揭穿该层，层面标高54.73 m～72.70 m，层面埋深0.50 m～21.50 m，揭露厚度0.90 m～30.70 m。

明挖区间隧道穿越地层主要为中风化泥质粉砂岩。地貌类型为中山溶丘、岩溶槽谷及岩溶洼地相间地貌，该区段线路主要沿道路顺向敷设，敷设段地形整体平缓，地面标高1 247.5 m～1 224.8 m，北西高南东低，平均坡度1°～2°。

2 地表沉降分析

基坑在开挖过程中，由于地层受到扰动，地下水流失，基坑围护结构变形等因素影响，地层应力重新调整，进而引发地表沉降。对于不同地质条件，相同的围护结构会表现出不同的地表沉降规律。本文以泥质粉砂岩地层基坑为研究对象，统计分析地表沉降数据，同时将研究结果与Peck曲线及Heish曲线进行对比(如图2所示)。

通过对泥质粉砂岩地层基坑围护桩背后地表沉降数据进行分析，同时画出地表沉降曲线包络线，结果显示，地表沉降最大值发生在0.1倍～0.5倍基坑开挖深度范围内，0.5倍～1倍基坑开挖深度范围内地表沉降值逐渐减小。主要影响区集中在0.5倍基坑开挖深度范围内，次要影响区域位于0.5倍～1倍基坑开挖深度范围。Peck提出基坑开挖主要影响区域为基坑开挖2倍范围内，沉降曲线呈现圆滑曲线特征；Heish预测模型给出围护桩背后最大沉降位置在0.5倍基坑开挖深度处，主要影响区域为基坑开挖深度2倍范围内，Heish预测沉降曲线为折线。围护结构背后沉降曲线如图2所示。本文分析结果与Peck预测曲线和Heish预测曲线差别较大，因此Peck预测曲线和Heish预测曲线对于泥质粉砂岩地层基坑地表沉降适应性较差。

3 围护结构水平位移分析

在基坑开挖过程中，随着土方开挖，基坑围护结构在岩土水平压力作用下会向着基坑一侧变形移动。同等围护结构设计条件下，围护结构水平位移大小取决于围护结构背后岩土压力，压力越大，围护结构水平位移值越大。不同地质条件下，岩土体性质不同，岩土压力特征也不尽相同，因此，围护结构水平位移值将表现出不同变形规律。本文针对泥质粉砂岩地层基坑，分析其围护结构水平位移与地表沉降的关系，同时研究围护结构水平位移最大位置与基坑开挖深度之间的关系(见图3～图5)。

通过对研究数据进行对比分析，建立地表沉降最大值(δvm)和围护桩水平最大位移值(δhm)之间的关系，结果显示，地表最大沉降值为围护桩最大变形值的0.27倍～0.96倍，平均值为0.61倍，地表最大沉降值均小于围护桩最大水平位移值。

通过对不同深度基坑围护桩最大变形深度分析，围护桩最大变形深度发生位置在基坑深度(H)的0.36倍～0.84倍基坑开挖深度，平均值发生在0.5倍基坑开挖深度。因此，对于泥质粉砂岩地层，围护结构水平方向位移最大值平均发生位置在0.5倍基坑开挖深度，这一规律与软土地区差别较大。在类似工程施工中，需要注意0.5倍 基坑开挖深度的支护结构效果，同时，根据这一结果可以优化基坑钢支撑布置位置，保证基坑围护结构经济、合理、安全及稳定。

围护桩最大水平位移变化范围为0.02%H～0.16%H，平均值为0.08%H。根据城市轨道交通工程监测技术规范要求，坚硬～中硬地区基坑桩(墙)体向基坑外的水平位移控制值为0.20%H，显然，这一控制值超过大部分变形值，泥质粉砂岩地层围护结构水平位移值小于规范控制值。

4 围护结构水平位移预测

通过上文研究，围护桩最大水平位移与地表最大沉降值之间的关系为δvm=(0.27～0.96)δhm。对于有第一道混凝土支撑的围护结构而言，水平方向变形特征是围护结构顶部和底部变形较小，围护结构中部变形较大，该变形特征符合二次函数抛物线变形特征。通过前述统计分析得知，围护结构变形最大位置出现在0.5倍基坑开挖深度位置。因此，根据以上数据参数，根据地表最大沉降值与围护结构水平位移最大值关系建立如下预测模型：

由于围护结构顶部变形较小，围护结构底部变形近似为零，因此以上方程组边界条件设置如下：

y|x=-0.5≈0；y|x=0.75≈0。

通过对上述方程组进行求解，可得到预测方程模型。

5 结语

通过对现场实测数据总结分析，包括地表沉降、围护结构水平位移，得出泥质粉砂岩地层基坑变形特征，同时提出围护结构水平位移预测模型。

1)泥质粉砂岩地层基坑围护结构背后地表沉降与Peck曲线及Heish预测曲线差异较大，地表沉降最大值出现在0.1倍～0.5倍基坑范围，0.5倍～1倍基坑范围地表沉降值较小，影响区域主要集中在1倍基坑深度范围内。

2)围护结构背后地表沉降最大值为围护结构水平位移最大值的0.27倍～0.96倍，平均倍数为0.61倍，地表沉降最大值均小于围护结构水平位移最大值。

3)围护结构水平位移最大值发生在0.36倍～0.84倍基坑深度位置，平均值为0.5倍基坑深度位置，这与软土地区基坑变形特征差异较大。

4)通过地表沉降最大值与围护结构水平位移最大值之间的关系，建立围护结构水平位移预测模型，对于类似工程地质条件下基坑变形设计及预测具有一定参考价值。