软土超深圆形基坑开挖卸载土体回弹变形性状研究

Study on the Springback Deformation Behavior of the Soft Soil during Excavation of the Ultra-Deep Circular Foundation Pit

摘要: 本文通过上海苏州河段深层排水调蓄管道系统工程云岭超深圆形竖井基坑施工过程中，基坑土方卸载施工引起坑内各土层回弹隆起变形，基于大量详实的测试数据，系统总结了深基坑开挖卸载全程土体的回弹变形规律及相关影响因素，为后续软土地区超深基坑工程设计参数的选取与优化提供了相关借鉴与参考。

Abstract: In this paper, based on the detailed and accurate testing data of springback and uplifting of the soil layers caused by unloading construction during the excavation of Yunling ultra-deep circular shaft foundation pit in the project of the deep drainage and storage pipeline system of Suzhou River in Shanghai, the law of the soil rebound deformation and related influencing factors during the whole process of deep foundation pit excavation and unloading are summarized as references for the selection and optimization of design parameters of super deep foundation pit in soft soil area.

1. 引言

近年来，全国各地深层地下空间的开发利用越来越普遍，深层地下空间开发项目如雨后春笋般不断涌现，深大基坑以及超深基坑工程层出不穷。以目前国内项目为例，国家大剧院项目基坑最大挖深约33 m；润扬长江大桥北锚碇深基坑近48 m。上海软土地区，上海国际金融中心项目基坑最大挖深约28 m [1] ，上海中心大厦塔楼基坑普遍挖深约31 m [2] ，上海轨道交通13号线淮海中路站基坑挖深33 m [3] ，上海张江硬X射线项目基坑开挖更是超40 m深度 [4] 。

超深基坑工程施工带来的土建施工风险不断加大，深基坑开挖过程中土体回弹量的大小直接关系到基坑支护结构的稳定性及对周边环境沉降变形的影响程度，通过坑内土体回弹监测准确掌握基坑开挖卸载引起土体回弹量的大小，进而合理控制后续基坑分层分块及开挖卸载速率等开挖施工参数，对控制地下土建工程施工风险大有裨益。目前国内诸多专家学者针对基坑工程开挖卸载土体回弹进行了相关研究，例如：李德宁 [5] 将土体回弹实测值与不同方法计算结果进行比较，发现不同方法计算结果相差较大；陆善佳 [6] 基于现行一些基底土回弹变形计算方法，结合实际工程案例得出自重应力抵消法与土体回弹实测数据更为接近等研究工作。

超深基坑工程土方开挖卸载后，坑内土体回弹量的大小对基坑土方开挖方案的调整与动态控制十分重要，直接影响基坑支护结构的稳定性与深基坑的安全。但由于工程地质条件及岩土参数的不确知性，设计计算条件的模糊性与边界条件的局限性，致使基坑工程的设计理论计算与实测成果存在一定的差异 [7] 。为了探明及掌握深基坑开挖过程中坑内土层的回弹隆起情况，为后续软土地区深基坑工程设计参数优化提供必要的经验数据，本文在对软土地区深基坑卸载过程坑内土体回弹测试实践的基础上，分析深基坑开挖卸载全程坑内土体回弹变形规律及相关影响因素，为后续类似深基坑实践提供了相关工程经验。

2. 工程概况

2.1. 工程简况

苏州河段深层排水调蓄管道系统工程云岭设施总用地面积4800 m²，总建筑面积556.0 m²；云岭综合设施土建部分包括竖井与综合设施，共分4个分区先后施工，1区竖井基坑整体呈圆形，基坑面积约908 m²，直径34 m，采用105 m深的地下连续墙作为围护；2区综合设施基坑呈长方形，基坑面积约2120 m²；3区综合设施基坑面积约168 m²；4区综合设施包围1区竖井，基坑面积约1390 m²，基坑平面与回弹测点平面布置见图1。

Figure 1. Foundation pit and springback layout of measuring points

图1. 基坑平面与回弹测点平面布置图

2.2. 围护设计

云岭I区竖井基坑开挖深度57.84 m，采用地下连续墙围护，地墙采用铣接头，墙深105 m，墙厚1500 mm，明挖逆作法施工，分15层土方进行开挖，逆作内衬墙作为支撑。竖井外侧设1000 mm和1200 mm防渗墙，墙深均为105 m，外侧防渗墙与附属设施围护结合设置，其中1区竖井围护结构剖面与回弹测点剖面见图2。

3. 测试方法原理

土体回弹监测采用钻孔法布设分层沉降管与分层沉降磁环，根据分层沉降磁环的设计布设位置，下套管前按设计深度将各磁环套在分层沉降管外，并设置相应的定位装置。逐节向孔内下入套管时，将套管徐徐下放，管与管的连接采用螺钉定位，下管时要平稳放入，然后加压使磁环脚外伸，插入孔壁土体中固定。下压套管至设计深度，并固定孔内PVC管，密实回填泥球或膨润土将磁环和土层粘结固定。待分层沉降磁环埋设经历一定的稳定期后，按照地面起算高程，实测并记录各分层沉降磁环所处剖面深度的高程，分层沉降磁环位置以绝对高程表示，计算公式如下：

Figure 2. District 1 shaft palisade structure profile and rebound measuring point section

图2. 1区竖井围护结构剖面与回弹测点剖面图

$Dc=Hc-hc$

式中，Dc为分层沉降磁环的绝对高程，m；Hc为分层沉降管管口绝对高程，m；hc为分层沉降磁环距分层沉降管管口的距离，m。

根据上式可以分别计算出磁环前后两次位置变化，即本次竖向位移量和累计竖向位移量。

4. 测试工作布置

在本工程开挖深度最深的1区竖井内布设2组坑内土体回弹监测点，其中一组土体回弹测点HT1布设于离圆形竖井围护边线约3 m处，另一组土体回弹测点HT2布设于圆形竖井基坑中部圆心部位，测点布设平面位置如图1所示。

每组坑内土体回弹监测点剖面方向，在坑底以上从地表以下起每隔约5 m埋设一个沉降磁环测点，坑底以上布设11个分层沉降磁环，坑底以下每隔2 m设置一个沉降磁环测点，坑底以下布设3个分层沉降磁环，每组测点共计布设14个分层沉降磁环，坑内土体回弹监测孔设置深度约65 m，回弹测点布设剖面位置如图2所示，回弹监测孔各深度处磁环测点绝对标高信息如表1所示。

Table 1. Pit soil rebound measuring point embedding depth information table

表1. 坑内土体回弹测点埋设深度信息表

5. 实测数据分析

1区竖井基坑共分为15层土方开挖，在各层土方开挖完成后，对开挖面以下各土体回弹监测点进行实测实量，各阶段坑内土体回弹数据与土体回弹曲线如下。

通过不同开挖深度1区竖井底部土体的隆起测量结果分析，随着开挖深度的增大，坑底土体的隆起值呈现不断发展的趋势，坑底土体隆起在深度方向近似呈线性分布，且随着深度的增大，土体累计隆起值逐渐减小(图3和图4)。在基坑开挖深度10 m左右出现的土体隆起值回落现象，主要与春节期间坑内持续的疏干降水及节假日长时间停工引起土体固结沉降回落有关。

坑内土体回弹呈现出上部临近开挖面附近的土体回弹量大于深部土体，且基坑中部土体回弹量大于基坑边土体回弹量的规律(图5和图6)。同时随着开挖深度的加深及分层开挖厚度的减小，同一深度的土体回弹整体呈放缓的趋势(32 m以上)。在第九层至第十二层土方开挖期间，深层土体回弹有一定的增大趋势，主要与第⑦层与第⑧层等深部土体回弹模量相对较大因素密切相关，地质勘察报告相关参数显示，第⑦层与第⑧层土的回弹模量在35 MPa至45 MPa之间，而浅层的第④层与第⑤层土回弹模量在10 MPa左右。

Figure 3. Pit soil rebound HT1 point curve-The seventh excavation layers above

图3. 坑内土体回弹HT1测点曲线–第七开挖分层以上

Figure 4. Pit soil rebound HT1 point curve-The seventh excavation under stratified

图4. 坑内土体回弹HT1测点曲线–第七开挖分层以下

Figure 5. Pit soil rebound HT2 point curve-The seventh excavation layers above

图5. 坑内土体回弹HT2测点曲线–第七开挖分层以上

Figure 6. Pit soil rebound HT2 point curve-The seventh excavation under stratified

图6. 坑内土体回弹HT2测点曲线–第七开挖分层以下

由于地连墙对坑边土体约束作用，整体上竖井中心测孔HT2各深度处的回弹值明显大于围护坑边HT1各深度处的回弹值。在竖井基坑开挖至32 m深度，对应第七层开挖分层时，靠近围护结构的边孔HT1在35 m深度处的土体回弹值为64 mm，回弹数据见表2；而基坑中心部位测孔HT2的土体回弹值为108 mm，回弹数据见表3，土体回弹量有一定的差异。

Table 2. Pit springback HT1 point data of soil -The seventh excavation layers above

表2. 坑内土体回弹HT1测点回弹数据–第七开挖分层以上

Table 3. Pit springback HT2 point data of soil -The seventh excavation layers above

表3. 坑内土体回弹HT2测点回弹数据–第七开挖分层以上

对于竖井中心回弹测点HT2来讲，不同深度土体回弹随开挖深度的发展趋势出现了明显的不同，比如30 m处的土体回弹值一致保持较大的发展速率，而35 m~45 m处的土体回弹值在开挖深度大于26 m时出现了快速发展，深度大于45 m处的土体回弹值仍保持着较小的速率，见表4与表5，这与土体卸荷对回弹影响深度有关，即土体的卸荷只能引起开挖面以下一定深度范围的土体发生较大回弹。但是这个规律在围护边回弹测点HT1中却不明显，不同深度的回弹值随开挖深度的发展趋势近似平行，这与基坑围护对坑边土的侧摩阻力影响相关。

Table 4. Pit springback HT1 point data of soil -The seventh excavation under stratified

表4. 坑内土体回弹HT1测点回弹数据–第七开挖分层以下

Table 5. Pit springback HT2 point data of soil -The seventh excavation under stratified

表5. 坑内土体回弹HT2测点回弹数据–第七开挖分层以下

6. 结语

通过本超深基坑工程开挖卸土过程中坑内土体回弹监测实践与数据分析工作，可以得出以下结论：

1) 上海软土地区开挖深度近60 m的直径34 m圆形深基坑，在开挖过程中，开挖面以下土体最大回弹量，在基坑围护结构边达129 mm，最大回弹量约为基坑开挖深度的2.6‰，在基坑中部达197 mm，最大回弹量约为基坑开挖深度的4‰，基坑中部各深度土体回弹量明显大于基坑边各深度土体回弹量，基坑围护与基坑边土体间的侧摩阻力作用对基坑边的土体回弹有一定的牵制抑制作用。

2) 软土地层深基坑开挖卸载，坑底土体累计回弹量随着深度增大而逐渐减小，呈一定的线性相关。临近基坑开挖面附近土体的回弹增量要大于深部土体的回弹增量，基坑开挖卸载引起土体回弹的深度效应明显，即土体的卸荷只能引起开挖面以下一定深度范围的土体发生较大回弹现象。

3) 在基坑各分层土方开挖过程中，同步进行坑内疏干降水及承压降水施工，坑内土体回弹量的大小是土方卸载引起坑底土体应力释放致使土体回弹变形及降水施工引起土体固结沉降共同作用的结果，与基坑开挖及基坑降水施工参数密切相关。

参考文献