基坑在开挖过程中由于土体卸载应力释放，会对周边土体和围护结构造成挤压和破坏，因此必须开展深基坑施工过程中围护结构深层水平位移监测工作。深层水平位移监测可直观反映围护结构体在土方开挖过程中的变形情况，为确保施工安全提供保障，为指导现场施工作业提供依据。因此，在深基坑施工过程中，掌握围护结构深层水平位移变形原因，采取有效措施控制围护结构变形尤为重要。

一、深层水平位移监测原理

深层水平位移监测点布设通常采用PVC材质的专用测斜管，使用测斜仪进行监测数据的采集（图7.48）。测斜仪主要分为固定式测斜仪、便携式测斜仪，其中应用较为广泛的是便携式测斜仪，便携式测斜仪的组成包括：测斜仪探头、控制电缆、测斜读数仪以及配套的处理软件。

图7.48　便携式测斜仪及PVC测斜管

在深基坑工程中，测斜管通常与围护结构钢筋笼同时进行埋设，在钢筋笼制作时即采用科学稳固的方法将测斜管绑扎在钢筋笼适当位置，在确保测斜管导槽方向垂直基坑边缘以及做好密封措施之后与钢筋笼同时下吊埋入地下。如图7.49。

图7.49　测斜管管口样式及绑扎效果图

测斜仪是一种通过测定围护结构倾斜角从而求得水平向位移数据的仪器。在日常数据采集时，将探头导轮对准与所测位移方向一致的槽口放至管底，以管口作为确定测点位置的基准点，均速提升，每隔1 m或0.5 m读数一次，待探头提升至管口处，旋转180°后再进行一次测量，以消除测斜仪自身的误差。采集到测斜管管型数据后，通过比对两次测量所得管型差异可得出测斜管管身变形情况，进而反映出围护结构深层水平位移变形情况。如图7.50。

图7.50　深层水平位移监测数据采集示意图

计算原理：

如图7.51，假设将测斜管共分成n个测段，每个测段的长度为li（li=500 mm），在某一深度位置上所测得的两对导轮之间的倾角为θi，通过计算可得到这一区段的水平位移变形量Δi，计算公式如下：

图7.51　测斜原理图

某一深度的水平位移变形量δi可通过区段变位Δi的累计得出，即：

设初次测量的变形量为δi(0)，则在进行第j次测量时，所得的某一深度上相对前一次测量时的位移值　Δxi即为：

相对初次测量时总的位移值为：

二、深层水平位移变形形式及原因分析

根据围护结构的变形形式，以地下连续墙为例，将围护结构深层水平位移变形大致总结为以下几种形式。

1.前倾变形

前倾变形是指随着基坑开挖深度的逐步增加，在处于未开挖区域的地连墙下部结构保持相对稳定的情况下，已开挖部分的地连墙上部结构发生栽头或前倾从而导致墙体往基坑内变形的现象。前倾变形在基坑施工过程中如果不能及时有效地控制，当变形过大时有可能引发基坑倾覆的安全事故，该变形形式如图7.52所示。

图7.52　地连墙前倾变形示意图

引发该类变形的原因总结为：

（1）地连墙所处地层为上软下硬，地连墙底部嵌入强风化、中风化或微风化岩层，因此随着基坑内部取土卸载，基坑内外土压平衡受到破坏，基坑外部土体对地连墙产生往坑内挤压的压力，进而可能导致地连墙发生前倾变形。

（2）第一道支撑强度不足等原因导致支撑效果不理想，支撑力不足以平衡基坑外部土压力进而导致地连墙发生变形。

（3）钢支撑架设不及时或预加力不足导致支撑效果不佳。

（4）基坑边荷载过大，基坑边存在大量堆载或重型机械作业时可能导致基坑上部往坑内变形。

（5）在坑内注浆的情况下，因为注浆压力或注浆量过大，有可能造成地连墙底部往基坑外变形，在第一道混凝土支撑拉力作用的影响下反而使得地连墙顶部往基坑内变形，引发倾覆变形。

2.鼓包变形

鼓包变形是指开挖至一定深度时，地连墙顶部和底部在保持相对稳定的情况下，中部发生凸起变形，犹如一个鼓包。鼓包变形过大则有可能造成地连墙中部开裂甚至折断，进而引发基坑坍塌的安全事故。该变形形式如图7.53所示。

图7.53　地连墙鼓包变形及断裂示意图

引发该类变形的原因总结为：

（1）地连墙所处地层为上软下硬，地连墙底部嵌入强风化、中风化或微风化岩层，同时第一道支撑效果较好，进而易导致地连墙顶底部保持相对稳定，而中部发生变形的情况。

（2）第二道或第三道钢支撑架设不及时或预加应力不足时，使得支撑力不足以平衡基坑外部土压力进而导致地连墙发生变形。

（3）地连墙施工质量不满足设计要求，地连墙中部存在薄弱位置，受基坑外部土压力及水压力的影响，容易引发中部鼓包变形甚至断裂的风险。

（4）在对基坑外接缝处注浆处理过程中，可能因为注浆压力或注浆量过大的原因，导致基坑外部压力增大引起地连墙中部产生鼓包变形。

3.整体位移变形

整体位移变形是指在基坑开挖过程中，地连墙整体发生位移变形的现象。整体位移变形分为单侧地连墙变形及同断面地连墙与支撑结构同时变形两种形式，该类变形如果不及时有效地控制，将严重影响车站结构的成型质量，严重时引发基坑失稳坍塌的安全事故。该变形形式如图7.54所示。

图7.54　地连墙整体位移变形示意图

引发该类变形的原因总结为：

（1）地连墙整体处于软弱地层当中，地连墙底部未嵌入强风化、中风化或微风化等稳定岩层，因而随着基坑取土卸载，基坑周边土压失衡，基坑外部土压力大的一侧对地连墙产生更大的挤压力，迫使该处同一断面的两幅地连墙连同支撑发生平移现象。

（2）基坑外注浆时，可能由于注浆压力或注浆量过大，导致基坑外地层结构遭到破坏，迫使整幅地连墙往远离注浆区方向平移变形。

（3）基坑边荷载过大，大量的材料堆载或施工车辆停放，可能导致地连墙整体变形。

4.踢脚变形

踢脚变形是指在基坑开挖过程中，地连墙顶部保持相对稳定，而地连墙底部反而发生向坑内变形的情况。踢脚变形如果不能及时有效地控制，有可能导致坑底上浮，使支撑受压力减小，甚至可能混凝土支撑由受压变为受拉，钢支撑应力直接消散等情况，使得整个围护结构应力体系受到严重破坏，引发基坑坍塌的安全事故。该变形形式如图7.55所示。

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图7.55　地连墙踢脚变形示意图

引发该类变形的原因总结为：

（1）地连墙底部未嵌入强风化、中风化或微风化等稳定岩层，地连墙底部稳定性不足，随着开挖深度的增加，基坑下部土压力失衡进而引起地连墙底部发生踢脚变形。

（2）基坑开挖过程中，钢支撑架设不及时或预加力不足，易导致地连墙下部发生变形。

（3）基坑外注浆时，如果注浆位置正好靠近地连墙底部附近，则极有可能由于注浆压力或注浆量过大，导致地连墙底部往坑内变形，形成踢脚变形。

三、工程案例分析

就上述各类变形情况，对佛山市城市轨道交通三号线工程部分典型工点所发生的类似变形进行比对分析，主要选取桂丹路站、太平站、中山公园站及佛山机场站为例，各案例站点工程概况如下。

1.桂丹路站

桂丹路站为地下二层11 m岛式站台车站，全长486.2 m，标准段宽为19.7 m，标准段基坑深约17.2 m；小里程端端头加宽段基坑宽度24.2 m，端头加宽段基坑深约18.5 m；大里程端端头加宽段基坑宽度24.4 m，端头加宽段基坑深约18.0 m。车站基坑需采用明挖法+局部铺盖法施工，围护结构采用φ 1 000@1 200钻孔灌注桩加3道内支撑的支护形式，内支撑形式标准段采用三道支撑：第一道支撑采用700×900砼撑，第二、三道端头段和第二道临近名城酒店51～55轴采用800×1 000砼支撑，其余支撑采用钢支撑。该站所在场地地层从上至下主要为素填土＜1-1＞、粉质黏土＜4N-2＞、全风化碎屑岩＜6＞、强风化泥质粉砂岩＜7-2＞以及中风化泥质粉砂岩＜8-2＞，地质条件以硬土层为主，对保持基坑围护结构稳定非常有利。该站点典型横剖面如图7.56所示。

图7.56　桂丹路站主体基坑标准段典型横剖面示意图

2.太平站

太平站车站为地下二层单柱双跨车站，全长209.60 m，标准段宽为19.70 m，车站标准段底板埋深约16.58 m。车站大里程端头为盾构到达端，小里程端头为盾构始发端。车站采用明挖法施工，主体基坑选用钻孔桩+内支撑的围护结构形式，标准段基坑共设置三道支撑，第一道采用混凝土米字撑，第二、三道支撑采用钢管支撑。盾构井段基坑共设置三道支撑，第一～三道均采用混凝土支撑，坑内地下水采用明排降水。太平站所在场地上部地层主要为素填土＜1-1＞、可塑状残积粉质黏土＜5N-1＞、硬塑状残积粉质黏土＜5N-2＞及全风化碎屑岩＜6＞，下部为强风化及中风化岩，其中可塑状残积粉质黏土＜5N-1＞、硬塑状残积粉质黏土＜5N-2＞及全风化碎屑岩＜6＞存在遇水易软化的特性，不利于控制基坑围护结构变形。该站点典型横剖面如图7.57所示。

图7.57　太平站主体基坑标准段典型横剖面示意图

3.中山公园站

中山公园站车站为地下二层车站，全长315.5 m，标准段宽为22.70 m，车站标准段底板埋深约16.68 m，换乘节点段底板埋深24.73 m。起终盾构端头宽度27.2 m，底板埋深约17.79 m。车站大、小里程端头均为盾构接收端。车站主体基坑采用明挖法施工，主体基坑选用连续墙+内支撑的围护结构形式，地连墙基本宽幅为6 m。车站标准段基坑共设置三道支撑，第一道采用混凝土米字撑，第二道支撑除靠近文沙大桥段基坑采用混凝土支撑外，其他区域采用钢管支撑，第三道支撑采用。车站盾构井段基坑共设置三道支撑，第一～三道均采用混凝土支撑。换乘段设置四道支撑和一道换撑，第一道采用混凝土支撑，第二道采用钢管支撑，第三道、四道采用混凝土支撑，换撑采用钢管支撑；标准段和换乘节点段均设置中立柱。中山公园站场地内从上至下地层分别为：素填土＜1-1＞、淤泥＜2-1A＞、淤泥质土＜2-1B＞、淤泥质粉细砂＜2-2＞、淤泥质中粗砂＜2-3＞、粉质黏土＜2-4＞、中粗砂＜3-2＞、强风化及中风化岩，基底位于砂层、黏土层和淤泥质土层，地质条件非常不利于基坑围护结构的稳定。该站点典型横剖面如图7.58所示。

4.佛山机场站

佛山机场车站为地下主体两层11 m岛式车站，车站全长219.6 m，标准段宽为19.7 m。主体结构顶板覆土厚度2.4～3.95 m，底板埋深16.7 m（有效站台中心处），车站基坑开挖深度为16.405～19.320 m。车站两端均为盾构接收端。车站采用明挖法施工，主体基坑选用连续墙+内支撑的围护结构形式，标准段采用竖向设置三道支撑，第一道采用混凝土支撑，二、三道采用钢支撑。端头井部位设置三道钢筋混凝土支撑。基坑采用坑内降水。佛山机场站场地内从上至下地层分别为：素填土＜1-1＞、粉质黏土＜2-4＞、淤泥质土＜2-1B＞、中粗砂＜3-2＞、强风化及中风化岩，基底位于主要位于强风化岩层，上部地层不利于基坑围护结构的稳定。该站点典型横剖面如图7.59所示。

图7.58　中山公园站主体基坑标准段典型横剖面示意图

图7.59　佛山机场站主体基坑典型横剖面示意图

对上述各车站典型围护结构深层水平位移进行比对分析。

1.正常开挖时地连墙变形

在不考虑地层因素及其他环境因素影响的情况下，在基坑开挖过程中，若采取合理分段、分层的方式进行开挖，做到随挖随撑、先撑后挖、对称均衡开挖，开挖后及时架设钢支撑或施作混凝土支撑，同时确保钢支撑预应力施加到位的情况下，仅因基坑取土卸载而导致的围护结构深层水平位移变形应表现为一个缓慢渐变的过程，且最终变形量基本可控制在设计控制值之内。如图7.60所示，该图为桂丹路站测斜ZQT-08在基坑开挖全过程中监测数据变化情况，该测斜监测数据始终处于一个渐变的过程，变形速率未超过2 mm/d，最终累计变化量最大为10.9 mm（6 m），围护结构变形控制效果较好。

图7.60　正常开挖时基坑围护结构深层水平位移变化示意图

2.超挖时地连墙变形

当施工过程中未严格按照设计要求施工，基坑存在超挖、支撑架设不及时、钢支撑应力消散等情况时，势必对围护结构深层水平位移产生一定的影响，分别列举桂丹路站、太平站及中山公园站基坑存在超挖时，超挖处测斜变形情况，如图7.61所示。

图7.61　桂丹路站ZQT-12/太平站ZQT-10/中山公园站ZQT-05在基坑超挖时变形情况

由上图可知，2020年1月7日桂丹路站测斜ZQT-12所在位置基坑开挖至第三层土，深约16 m，但第二道钢支撑及第三道钢支撑均未能及时架设，因此导致2020年1月5日至7日期间ZQT-12发生最大变形3 mm，最大累计变形量达20.3 mm（10.5 m）。2018年7月30日太平站测斜ZQT-10所在位置基坑开挖至第二层土，深约7 m，但第一道钢支撑未能及时架设，因此导致2018年7月28日至30日期间ZQT-10发生最大变形3.2 mm（7 m），最大累计变形量达17 mm（7 m）。2019年7月23日，中山公园站测斜ZQT-05所在位置基坑开挖至第三层土，深约14 m，但第三道钢支撑均未能及时架设，因此导致2019年7月22日至23日期间ZQT-05发生最大变形7.6 mm（14 m），最大累计变形量达18.7 mm（14 m）。

综上所述，不管是在地层条件较好的桂丹路站还是在遇水易松散地层的太平站，或者是以软土及砂层为主的中山公园站，超挖均会导致围护结构发生明显的变形，且地质条件越差的地方影响越大、深层水平位移单次变形量越大。此外，图7.61中测斜ZQT-12与ZQT-10变形表现为鼓包变形，而测斜ZQT-05疑似已经发生踢脚变形。

3.注浆引起的踢脚变形

2019年8月27日，中山公园站测斜ZQT-05处基坑外侧进行了注浆止水处理，受注浆影响，测斜ZQT-05发生了明显的变形，且此时ZQT-05已明显处于踢脚变形状态，如图7.62所示。若不通过顶部水平位移监测数据对深层水平位移数据进行修正，则数据反映出2019年8月26日至27日期间ZQT-05发生最大变形量达51.3 mm（15 m），且为整根测斜均发生变形，与仅在地连墙下部注浆的事实不符。通过对数据进行修正，则2019年8月26日至27日期间ZQT-05发生最大变形量达24.4 mm（15 m），且管型基本保持一致，真实反映出围护结构深层水平位移的变形量，从管型来看该处地连墙已发生了明显的底部踢脚变形。

图7.62　中山公园站ZQT-05踢脚变形情况

4.整体位移变形

以佛山机场站测斜ZQT-07及其对面测斜ZQT-25为例，如图7.63所示，在基坑完成第一层取土时，该断面围护结构上部产生了一定的整体位移变形，其中北侧测斜ZQT-07往坑内（南）发生最大累计变形量为4.3 mm，南侧测斜ZQT-25往坑外（南）发生最大累计变形量为-8.9 mm，因此该断面整体往南最大变形约-13.2 mm。分析原因，可能是基坑第一层地层主要为硬塑状残积粉质黏土＜5N-2＞，遇水软化，同时第二道钢支撑架设不及时，导致上部地连墙发生整体往南变形现象。

四、措施建议

围护结构深层水平位移存在多种变形形式，不同的变形形式反映出围护结构不同的形变状态。除围护结构本身质量之外，地质条件、超挖、注浆处理以及基坑边堆载等是导致围护结构变形的主要原因。因此深基坑施工过程中，严格按照设计要求施工，对地层较差的地段开挖前采取槽壁加固等预处理措施，开挖过程中做到“分段分层开、先撑后挖、均衡开挖” 是控制围护结构变形的基础。针对围护结构深层水平位移变形，建议以下控制措施：

（1）保证围护结构施工质量，确保围护结构具备足够的强度、刚度及稳定性。保证地连接接缝处的密封性，防止坑外水通过地连墙接缝处渗流至坑内，更须杜绝涌水涌沙现象。

图7.63　佛山机场站ZQT-07与ZQT-25整体变形情况

（2）基坑开挖过程中采取合理分段、分层的方式进行开挖，开挖后及时进行钢支撑的架设，做到随挖随撑、先撑后挖、对称均衡开挖，先中间后两边，对称安装钢支撑。一般建议在基坑开挖至支撑位置后8～24小时内完成钢支撑架设。同时要确保钢支撑的预加力效果，防止预应力的消散，及时补加预应力，减少基坑暴露时间。对于变形较大的位置，可采取增设钢支撑的方法以确保基坑的稳定性。

（3）基坑开挖过程中如发现围护结构变形过大，及时停止开挖，如果为围护结构顶部变形过大，则检查围护结构左右侧荷载是否失衡，检查支撑与冠梁等结构是否存在变形或裂缝，若存在变形或裂缝及时采取修复措施。如果围护结构中间变形过大，则检查围护结构质量、钢支撑是否正确安装到位、钢支撑是否有效受力。若出现墙体质量不合格及时进行修复，及时补加预应力或增设钢支撑。如果围护结构底变形过大，可采取坑内注浆加固的方法进行加固，并及时有效地架设支撑。

（4）在必须进行坑内外注浆时，务必科学合理地设置注浆参数，控制注浆压力及注浆量，优化注浆工艺，尽量减小注浆对地连墙变形造成的影响。

（5）减少基坑边缘地面荷载，施工材料堆载至远离基坑处，施工车辆在施工完成后不得长时间停放在基坑边缘，对于已经发生明显变形的区域严禁停放重型机械或堆载材料。

（6）在基坑开挖及结构施工期间，必须保持正常监测，通过监测手段对开挖施工过程进行跟踪，根据监测数据分析判定施工安全，指导施工工序。

五、小 结

在深基坑土方开挖过程中，必须通过对深层水平位移的实时监测，由监测数据反映围护结构体的真实变形情况，进而引导下一步施工作业。针对不同的变形形式需要采取不同的措施保证围护结构的稳定性，最终确保整个施工过程的安全。