时空效应理论在深基坑工程中的应用技术研究

1、时空效应理论在深基坑工程中的应用技术研究摘 要：随着我国城市建设的快速、大规模发展，地下工程也在向着大面积、超深度方向发展，而深基坑工程的安全和基坑变形控制问题已成为土木工程建设中的重点难点问题，受到工程界越来越多的重视。如何控制深基坑工程开挖和支护过程中的安全稳定和基坑变形问题，以避免因基坑变形过大而造成支护结构、周边环境和设施的破坏，已成为一个重要研究课题。本文简要介绍了时空效应理论以及基于时空效应理论的深基坑工程信息化施工技术，结合工程案例深入分析了时空效应理论在深基坑工程中的应用。关键词：地下工程；深基坑；时空效应；开挖与支护中图分类号：TU470+.1 文献标识码：AStudy on

2、 the application of space-time effect theory in deep foundation pit engineeringZhang Longlong , Hu Ruigeng , Wang Longsheng , Liu Qiangsen (School of Civil Engineering, Qingdao Technological University, Qingdao 266033, China)Abstract：With the rapid development of China's large-scale city constru

3、ction, the underground engineering is being developed toward large area and super depth, while the safety and deformation control of foundation pit engineering has to be paid more and more attention by the engineering community. How to control the safety, stability and deformation of deep foundation

4、 pit in soft soil area, in order to avoid the damage of the surrounding environment and facilities caused by the deformation of foundation pit, has become an important issue at present. This paper briefly introduced the theory of space-time effect in the process of foundation pit excavation, focusin

5、g on the design and construction technology of deep foundation pit based on the theory of space-time effect. At last, this paper illustrates the practical application of the principle of space-time in deep foundation pit engineering by combining with the engineering case.Key words: underground engin

6、eering; space-time effect; deep foundation pit; excavation and support0引言近年来我国城市建设的大规模发展，使得城市建筑的分布越来越密集，地上建筑的高度亦越来越高，由此涌现出了大量的深基坑工程。此类深基坑工程四周往往密布着各种地下管线和建（构）筑物，施工场地狭小，施工条件复杂，周边环境影响要求高。受地质条件的限制，有些地区的建筑物坐落于软弱土层上，而软土地层具有孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、灵敏度高、流变性大等特性，此类场地中深基坑工程的开挖和支护具有很强的时空效应。因此，在进行深基坑工程的设计与施工时必须考虑时空效应，根

7、据基坑的实时监测信息，采取及时有效的措施，以实现深基坑工程的安全稳定，将基坑的变形控制在允许的范围内以避免对周围的地下管线和邻近的建（构）筑物产生不良影响。工程实践分析表明，应用时空效应理论进行深基坑开挖，与常规基坑开挖方法相比，可减小软土基坑变形30%50%1。本文结合工程实例来探讨时空效应理论在深基坑工程中的应用，为类似深基坑工程的设计和施工提供参考依据。1深基坑开挖支护的时空效应理论 基坑工程的“时空效应”是指在基坑开挖支护过程中，基坑支护结构及基坑周边土体的变形会随时间推移而发展，也因基坑开挖的空间尺度、开挖后的坑底暴露面积而不同。软土地区近年来关于深基坑的开挖支护施工实践和现场试验研

8、究表明，基坑开挖的空间几何尺寸和围护结构开挖部分的无支撑暴露时间，对基坑围护结构和基坑周围地层位移有明显的相关性，这就反映了深基坑开挖与支护过程中时空效应作用的规律性。1.1深基坑开挖支护的时间效应 深基坑开挖支护施工中体现的时间效应影响，反映在深基坑的开挖支护施工不同的工况中，基坑支护结构与周围土体呈现出各种和时间有关的工作状态和工程问题。深基坑施工涉及的时间因素由以下几部分组成:（1）基坑开挖所用时间；（2）无支撑暴露时间；（3）施工间歇（有支撑暴露时间）；（4）坑底暴露时间等2。以上时间因素表现为不同的施工工况，各部分时间的长短，都对基坑支护结构和地表变形有很大的影响。深基坑每一工况开挖

9、完毕后，基坑周边地表土体的沉降会随时间缓慢的增加，一般呈现抛物线型关系。基坑周边地表的沉降量主要是由以下两部分构成：（1）由于基坑开挖土体卸载，荷载减小而形成支护结构两侧存在一定压力差，导致支护结构发生一定的水平位移和变形，进而导致了支护结构外一定范围内地面的沉陷，这是基坑周边土体产生的主要变形；（2）由于土体的流变性（如蠕变、应力松弛等）引起的土体变形，蠕变引起的基坑变形发生在以下工况:（1）整个深基坑开挖时间内；（2）无支撑暴露时间内；（3）有支撑暴露时间内；（4）坑底暴露时间内。1.2深基坑开挖支护的空间效应 深基坑开挖与支护技术的空间效应，主要体现在基坑支护结构和周围土体的应力和变形随

10、着基坑的形状、尺寸、开挖深度、支护型式等因素的不同而发生变化。 基坑的平面形状越复杂，其时空效应越显著；基坑的平面尺寸越小，其空间效应也越显著。大量的基坑工程监测资料表明，长宽比较大的长条形基坑开挖施工时，所引起的基坑坑底隆起、基坑周围地表沉降及其影响范围也较方形基坑更加明显。因此应用深基坑工程空间效应分析，在进行深基坑开挖时，可将长条形基坑划分为多个方形的小块进行考虑，以提高基坑的稳定性和安全性，降低基坑开挖对周围环境的影响。 由于土体的拱效应和基坑角点两个方向围护结构的支撑作用3，基坑支护结构在靠近基坑中心对称面的水平位移较大，而基坑角点附近位移较小，在基坑支护结构优化选型中，可减小基坑中

11、部支护结构的水平间距，从而增大支护体系的刚度，有效控制土体的侧向位移。2基于时空效应理论的深基坑工程信息化施工技术刘建航院士结合我国软土多年的深基坑工程开挖与支护工程实践经验，提出了经济适用的基于“时空效应”理论的基坑开挖支护技术4。2.1 开挖原则在深基坑工程的设计、施工中，首先要根据基坑规模、几何尺寸、围护及支撑结构体系的布置、基坑土体加固和施工条件来选择基坑分层、分块、对称、平衡、限时开挖的顺序，并确立各工序的时限5。对长条形深基坑，基坑宽度较窄，开挖施工时可按长度方向分段开挖和浇筑底板，每段开挖中又分层、分小段，限时完成每小段的开挖和支撑工作。对大宽度、不规则的深基坑，可采用盆式开挖，

12、在每层开挖中先开挖出中间土方并及时加好支撑，然后再开挖周边土体。对平面形状较规则的基坑，对称开挖往往导致对称的坑侧土体的变形，但当基坑某边周围环境能容许土体较大变形时，可采用“非对称”形式开挖，控制该边坑侧土体发生适量位移，减少其他需要重点保护的坑侧土体变形，从而控制整个基坑侧土体变形在环境容许的范围内6-7。 2.2 支撑原则由于软土的流变性，坑侧土体的变形随基坑暴露时间的延长而增大8。因此在深基坑开挖过程中，应合理利用基坑的时间效应，加强土方开挖和支撑架设的衔接工作，土方开挖完成应及时架设支撑并施加预应力，尽可能减小基坑的无支撑暴露时间，从而有效地控制基坑的变形和稳定。2.3 实时监测和控

13、制 基坑工程的影响因素极多，基坑开挖过程中，基坑土体状态和支护结构的力学特性都在不断变化之中，而现有的支护方案，大多是在勘察、规范、经验的的基础上进行设计的，没有考虑施工中岩土力学参数的变化，是不符合基坑变形的时空效应理论的。 基于基坑变形的时空效应理论，提出信息化施工的概念。信息化施工是动态设计的一部分, 是设计的完善和补充,通过监测开挖引起的最新岩土体状态，如果满足强度控制标准和变形控制标准，则继续施工，如果不能满足相关要求，则根据最新的岩土体状态信息反演基坑和支护结构的其他力学特征，进行前期设计的修正完善，补充施工勘察，并更正施工路线和支护技术，如此循环，直至工程竣工，如图1所示。 图1

14、 基坑工程信息化施工 3利用时空效应理论的深基坑工程实例分析3.1工程概况某地铁车站南北全长232.2m，东西向宽22m，基坑净长230.6m，净宽20.4m，开挖深度14.6114.99m。基坑工程场地各土层分布情况如表1所示。表1 工程地质状况标高/m层号土层名称土层参数4.43.511杂填土3.512.212褐黄色粉质黏土=28.1,=19.4c=0.81,=15.22.211.513褐黄色黏土=38.9,=18c=1.12,=121.51-2.894灰色淤泥质粉质黏土=44,=17.7c=1.23,=14.8-2.89-10.895灰色淤泥质黏土=48.1,=17.1=8.5,e=1.

15、375-10.89-13.396灰色黏土=35.4,=18.4=13,e=1.017-13.39-18.007灰色粉砂夹粉质黏土=32.4,=18.3=24.4,e=0.956 车站基坑周围环境如图2所示，车站西侧机动车道边缘离车站结构仅2.1m，东侧在留出通行公交、区域内车辆的机动车道后，开辟一条宽10m的单侧施工通道。距车站结构最近并与之平行的地下管线有：东侧有煤气管，距端头井地下墙边线约1.7m，西侧有国际通讯电缆，距端头井地下墙边线约1.1m。车站东侧靠近体育馆大门，西侧有宾馆和六幢高层住宅楼，因此深基坑开挖时必须严格控制地表沉降，以确保建筑物的安全和管线的变形。图2 工程及周边环境平

16、面示意图3.2 基坑围护方案根据车站基坑的土层和周边环境的情况，基坑采用地下连续墙支护，厚度0.8m，沿基坑深度方向一般设四道支撑（局部段5 道支撑），将端头井的第一、二道纵向支撑改为斜撑，并对端头井顶部先行支撑，基坑底到地下墙底以下2m进行分层劈裂注浆加固。3.3基于时空效应理论的深基坑信息化施工3.3.1 基坑开挖方案将基坑划分成北、中、南三个施工区域共十一个施工分段，如图3所示。图3 基坑分段开挖及监测点布置示意图每一个施工分段开挖过程中, 考虑时空效应的开挖方法（工况划分见图4）如下：（1）首次开挖两道撑的深度, 开挖标高为-5.800 m, 开挖宽度为两道支撑间距(6m), 无支撑暴

17、露时间限制在16h以内。（2）第二次开挖到第三道撑标高处(-9.500 m), 开挖宽度为12 道撑间距(36 m)，无支撑暴露时间限制在12h以内。（3）第三次开挖至第四道撑标高处(-12.700 m), 开挖宽度为3m ,无支撑暴露时间限制在8h 以内。（4）第四次开挖至坑底标高处(-14.800m), 开挖宽度为68m ,且在2d内开始浇筑垫层及底板。图4 基坑开挖工况划分3.3.2 支撑安装方案支撑安装的及时性及稳定性直接影响到基坑变形，应掌握“随挖随撑”的原则。每分层、每小段开挖至支撑底面，要求在16h内完成，之后立即装设两根支撑并施加预应力，以减少无支撑暴露时间，考虑到所加预应力损

18、失10%，可按设计轴力的80%进行施加。在实际深基坑开挖施工中，考虑到预应力损失引起的那部分变形往往是不可逆的，因而应及时有效地复加支撑轴力来控制支护结构变形。轴力的复加应尽量选择夜晚(温度较低时)进行，可按设计要求及轴力实际损失值进行复加。3.3.3 实时监测和反馈 通过布置监测点来掌握整个过程中基坑的变形情况，图6为墙顶各水平位移观测点实测的最终水平位移。 （a）基坑西侧墙顶最终水平位移 （b）基坑东侧墙顶最终水平位移图5 墙顶最终水平位移由图5可知，在基坑平面轮廓上，位于基坑长边中点附近的7#、18#观测点墙顶最终水平位移分别为34.29mm和33.45mm，而位于基坑角点附近的3#、10#、15#观测点墙顶最终水平位移分别为24.52mm、28.47mm和26.17mm，可见，基坑轮廓长边中心部位变形值明显大于基坑角点。位于阳角部位的2#、14#观测点墙顶最终水平位移分别为30.18mm和31.33mm，而阴角部位的1#、13#观测点墙顶最终水平位移分别为24.42mm和25.43mm，阳角部位变形明显大于阴角部位。因此，施工过程中应特别注意对长边中心部位和阳角部位的围护和监测，如在这些位置减小水平支撑间距，增大支撑体系刚度，并加强对该部位的监测。4结论 （1）深基坑开挖的空间尺寸和坑侧土体