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摘要：越来越多的高层建筑是地域城市化的一个符号，而高层建筑基坑施工又是这每个符号的重要开端。本文结合实例，探讨了复杂环境下高层建筑深基坑施工沉降监测与风险控制，可为类似工程提供技术参考。
关键词：高层建筑；深基坑；沉降监测分析；风险控制
高层建筑深基坑监测既是检验基坑设计正确性的重要手段，也是监测基坑支护施工安全的唯一途径。为了减少基坑变形为建筑工程带来严重的安全隐患问题，企业及相关部门应重视研究基坑变形的问题监测。
1.工程概况
某高层建筑工程位于某市中心城区，地上建筑高140m，地下室2层，深12.8m。基坑东侧距市中心道路约13m，距建成轨道交通控制线约6.8m，用地红线即为在建轨道交通线控制线；北侧距离某高层住宅小区（13～18层住宅楼）围墙8～10m。
2.工程地质及水文地质情况
本工程地貌单元属一级阶地，设计地面整平标高为24.8m。在基坑支护施工过程中，必须考虑的不良地层主要包括：⑤层淤泥质黏土，⑥层粉质黏土夹薄层粉土、粉砂，⑦层粉细砂夹淤泥质粉质黏土。
据勘察，场地地下水类型主要为上层滞水及承压水，其中承压水赋存于杂填土以下的淤泥质粉质黏土中，其稳定水位在地表下2.5～3.3 m，水位及水量较为稳定，水量丰富。
3.深基坑设计施工技术路线分析
3.1地勘报告主要地质不良土层风险分析
3.1.1粉土夹薄层性质及不良影响
由工程地质及水文情况可看出，该粉土夹层呈软塑状态，饱含水。由于粉土夹层的水平渗透性大于垂直渗透性，故当基坑开挖至该土层时，容易形成坑底隆起、侧壁涌砂涌水、失稳等病害。究其原因：孔隙承压水在地下水压作用下直接进入基坑，处理不当或将波及周边建筑物而导致其不均匀沉降。
3.1.2淤泥质粉质黏土层性质及不良影响
本工程淤泥质粉质黏土层压缩性大，呈饱和、流塑状态，具有触变性和流变性特点，易形成滑动面，且其力学性能较差，分布范围及深度具有随机性，与地表水、地下水位存在相互作用，增加了设计的不确定性和施工中的风险。该土层开挖过程中一旦出现土体滑移效应，深基坑支撑体系中的桩基随着土体滑移被推动变形，从而引起支撑体系失稳。
3.2基坑支护方案预选
对于本工程来说，基坑开挖深度12.8m，基坑场地为深厚软土，工程地质与水文地质条件复杂，基坑四周都没有施工场地。
根据地勘报告并结合本地深基坑工程施工经验，经过支护设计单位及有关专家分析后，从工期和造价两方面综合考虑，该基坑支护初步拟定采用钻孔灌注桩＋1层内支撑（局部设置被动区加固）的支护方式，外围支护结构采用三轴式水泥土搅拌桩作为止水帷幕。为保证在狭小的场地内进行深基坑作业，在保证支护结构合理性和安全性的同时，建立一整套监测、预报方案及相应的控制措施，便于施工过程中进行风险控制。
3.3深基坑开挖模拟分析
3.3.1基坑支护模型建立
根据现场深基坑支护体系的施工顺序，支护体系与土层的相互作用，在数值分析中采用设计软件建立土体与支撑体系相互作用的三维有限元模型（图1）。在模型初始状态下进行土体初始应力平衡，再模拟分层作对称开挖过程中基坑变形的变化规律。
图1基坑支护结构模型
3.3.2基坑开挖模拟及风险分析
对基坑进行分层对称开挖模拟（图2）。分层挖土打破了原有土体的应力平衡，导致基坑周边土体产生滑移趋势，开挖深度越大，其受到的非平衡应力越大。邻近高层建筑位置最易诱发基坑土体失稳，在实际基坑施工中，要重点监测该侧的荷载和变形，保证基坑开挖过程中的安全。
图2 基坑开挖土体位移云图
3.4基坑支护方案优化
初步方案作模拟开挖后经各方专家的综合分析论证，提出如下优化建议：
（1）北侧靠近高层住宅部分区域存在粉土夹层等不良地质情况，在开挖过程中土体易出现滑移，需在北侧进行被动区加固。对于靠近道路无建筑物一侧，地勘报告未发现不良地层，暂不考虑被动区加固，但仍要布置监测点加强监控，提前制订措施进行预防。
（2）在靠近轨道线控制线区域，由于原设计支护桩施工对轨道隧道四周的土体造成较大扰动，可能破坏隧道周边土体的稳定性，存在较大的安全隐患，应适当缩短该工程支护桩至⑥粉质黏土夹砂层以上。
4.深基坑开挖监测及其相应的风险控制
4.1基坑监测方案
根据周边建筑情况及支护模型分析结果，进行相应的监测点布置（图3）。在施工中设置支护结构顶部（冠梁）水平位移监测点 ZH1、ZH2、ZH3，周边高层建筑的沉降观测点 JC1、JC2，基坑边坡地面沉降监测点 DC1（地勘报告反映不良地质区域）、DC2（地勘报告中未反映不良地质区域，加强监测）。
图3 基坑监测点布置平面示意图
4.2深基坑施工变形监测及技术分析
本工程紧邻3栋高层建筑，通过数值建模对邻近建筑物一侧的基坑位移变形进行了分析，并将其结果与实测数据进行对比分析。由支护结构顶部（冠梁）位置 ZH1、ZH2、ZH3点的水平变形曲线（图4）可知，3个点的位移变化在基坑分层开挖阶段较大，曲线斜率也最大，在开挖结束后土体进入了稳定固结阶段，其支护结构变形也趋于放缓并逐渐减小，说明开挖过程中预处理措施达到了预期效果[1]。
图4支护结构顶部观测点水平位移变化曲线
ZH2点的水平变形是最大的，实测值与数值结果分别为10.72mm和11.51mm，误差为7.4%。最大水平位移与基坑深度之比为0.09%，属于较低水平。从位置来看，ZH2刚好位于基坑长直边线的中部，且刚好是2组内支撑之间，其结构刚度较小，且受到的土体地应力较大，因而其变形数值最大，其他两点刚好在基坑的角点附近，支护结构刚度较大，变形也相对较小。
在邻近基坑高层建筑物监测点 JC1和 JC2的沉降变化曲线（图5）中，JC2是建筑物距基坑边线距离最短的监测点，直线距离为16.92 m，JC1点到基坑边的直线距离为21.25 m。JC2点的最大沉降量实测值与数值结果分别为-6.18mm和-6.25mm，JC1点为-4.82mm和-3.18mm。从监测值与数值结果的变化上看，符合地基沉降的一般规律，均在基坑开挖阶段因地应力的失衡而导致建筑物地基沉降，越是靠近基坑，其建筑物沉降就越大。其最大累计沉降量未达到-25.00mm的报警值，说明基坑支护结构能有效控制基坑周边土体的变形，保证邻近建筑物的安全。
图5邻近基坑建筑物沉降变化曲线
从（图6）基坑边坡测点DC1、DC2的沉降变化曲线可知，测点DC1最大累计实测沉降量为-38.98 mm，累计数值沉降量为-27.8 mm，实测值为数值结果的1.44倍，超过报警值-35.00 mm；测点DC2最大累计实测沉降量为-50.32mm，累计数值沉降量为-32.15mm，实测值为数值结果的1.57倍，同样超过报警值-35.00 mm。
图6基坑边坡沉降变化曲线
4.3现场开挖风险控制情况
现场开挖险情：监测过程中靠近主干道的测点DC2出现沉降量远超报警值，主要原因是该区段基坑在开挖时止水帷幕发生渗漏、坑内侧壁出现涌水，从而导致边坡出现异常较大沉降。可能原因对比分析：测点DC1点出现竖向位移累计监测值超出报警值的原因主要是开挖后不良地质区域基坑止水帷幕发生渗漏，从而减小了土体孔隙压力，相对有效应力增大，导致土体压缩变形随之增大。但由于提前进行被动区加固，并未造成整体三轴搅拌桩帷幕严重变形，故沉降数值及速率相对较小。但测点DC2点出现竖向位移累计监测值超出报警值的原因初步估计此处同样存在与测点DC1点相似的不良地质情况，但并未在地勘报告中反映，该段基坑边坡仅进行内支撑，并未对土体进行被动区加固以增加土体力学性能，竖向止水帷幕搅拌桩在具有弱承压水性质的粉土夹层处施工质量难以保证，存在较多薄弱点，在地表水和弱承压水作用下，竖向帷幕出现相对较大变形，粉土夹层的砂和水突破薄弱点涌出，形成基坑侧壁管涌[2]。
风险控制措施：由于测点DC1点所在的北侧边坡根据地勘报告提前进行了被动区加固，故只对坑内出水点增加降水井进行排水引流即可消除危险。而对于测点DC2点所在的边坡，不仅需对坑内出水点增加降水井进行排水引流，而且需要在三轴搅拌桩止水帷幕外侧约5 m位置增加钢板桩加固（图7），钢板桩植入深度约15 m。
图7钢板桩加固平面示意
现场实际开挖中，北侧边坡除在监测期出现过一段时间的异常沉降外，并未发现其他危险情况，通过井点降水后边坡稳定。而南侧边坡区域在施工钢板桩前发现部分涌水、涌砂，经过快速植入钢板桩加固处理6 h后，坑内涌水、涌砂逐渐减少，直至满足施工条件。边坡土体在12h内，沉降速率逐渐降低并恢复正常，渗漏处围护结构变形慢慢减少直至正常。
5.讨论
该区域沿江建筑物密集，软土层厚度大，地下水丰富，土层对开挖扰动十分敏感，深基坑支护与安全控制难度大。结合上述深基坑支护开挖工程，通过有限元数值结果和监控实测值的对比分析，得出以下结论：
（1）有限元方法在模拟计算基坑变形方面具有较高的可靠性。同时通过模拟云图可以比较直观地了解基坑周边土体变形大小的分布规律，为基坑施工各阶段提供了可靠的参考，同时突出基坑监测重点区域。
（2）本工程采用的钻孔灌注桩＋1层内支撑（局部被动区加固）的支护形式基本可靠，但在不良地质影响下，形成支护方式不稳固，极易因止水帷幕变形而造成基坑边坡沉降滑移和支撑体系变形，进而影响到基坑内支撑体系的安全稳定。
若经济条件允许，则建议将支护形式优化为钻孔灌注桩＋1层内支撑（基坑沿止水帷幕全面进行被动加固）的支护方式，可有效防止基坑止水帷幕渗漏，保证基坑开挖支护施工安全。若经济条件不允许基坑沿止水帷幕进行被动加固，即可进行局部地质不良区域被动加固，同时对全区域边坡加强监测控制，通过科学的监测手段和软件模拟分析加强风险预控，在出现险情时及时制订风险控制措施，调整施工方法，以保证基坑开挖安全。
6.结束语
综上的述，高层建筑深基坑施工中基坑支护技术分析与实时监测尤为重要，为确保施工进度、质量和安全，相关人员必须不断提高施工深基坑支护技术水平，同时更要重视深基坑施工监测数据分析和风险控制，及时根据监测反馈数据调整支护方法，把基坑施工安全事故防范于未然。
参考文献：
[1]黄秋林，邱冬炜. 深基坑变形监测及数据处理[J]. 山西建筑，2005，31（1）：67-68。
[2]李雷生. 基坑变形监测[J]. 技术与市场，2013（6）：99-100
论文作者:梁焯然
论文发表刊物:《建筑科技》2017年第21期
论文发表时间:2018/2/26
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