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摘要：基坑开挖使土体受到扰动，破坏其原有的平衡。土体释放压力使基坑产生变形，影响基坑围护结构的稳定性。本文结合洞头区状元南片海景桥桥梁工程承台基坑开挖施工，归纳基坑邻近荷载、基坑开挖宽度与插入深度、岩土性质与地下水、基坑围护结构刚度、开挖与支撑架设顺序等因素对基坑围护结构的影响，并从变形和稳定性的角度列出一些基坑围护结构的后期加固措施。
关键词：基坑 基坑围护结构 变形 稳定性 加固措施
引言
随着我国城市化速度加快，市政工程与房建工程中基坑的规模变大，基坑的施工技术难度上升。基坑的开挖破坏了原有土体的平衡，土体会释放应力，使基坑产生变形。基坑的变形影响工程质量，同时影响周边设施的使用安全。这些年，基坑事故多发，常造成人员伤亡和财产损失等恶劣社会影响。基坑围护作为一种临时性结构，安全储备一般较小[1]。能够控制基坑的变形，因此，基坑围护结构的合理性设计受到越来越多的重视。本文归纳基坑邻近荷载、基坑开挖宽度与插入深度、岩土性质与地下水、基坑围护结构刚度、开挖与支撑架设顺序等因素对基坑围护结构的影响，从变形和稳定性两个角度整理归纳了基坑围护结构的后期加固措施。
1 工程概况
洞头区状元南片海景桥桥梁工程地处温州东部海岛滩涂围垦区，主桥全长214.10米，0#～7#桥台与承台开挖的基坑中尺寸最大达18.20米*7.30米*4.5米，承台下均为桩基础。桥梁承台大部分坐落在素、冲填土层，局部坐落在含砂淤泥层，素填土回填时间3年左右，该地层因表部固化程度不均匀，土性差异大，呈流型状，土质均一性差，在基坑开坑易形成塑性流动式流砂形式出现，密度以中密度状为主。通过方案比选，采用钢板桩支护结构。
2 基坑围护结构的影响因素
影响基坑围护结构变形和稳定性的影响因素很多，这里归纳整理了基坑邻近荷载、基坑开挖宽度与插入深度、岩土性质与地下水、基坑围护结构刚度和开挖与支撑架设顺序等因素对基坑围护结构的影响。
2.1 基坑邻近荷载对基坑围护结构的影响
以基坑围护桩为例，此前已有研究表明基坑围护桩所受荷载由基坑围护桩外侧的主动土压力、基坑开挖面以下的被动土压力、钢支撑的侧向集中支撑力以及地面超载构成[2]。基坑邻近的车辆荷载、周围建筑物荷载等常引起地面超载。荷载对称与否对基坑围护结构的影响不同，不对称荷载作用下的基坑围护结构的稳定性差异较大。因此，在此部分分别整理归纳了车辆荷载、周围建筑物荷载和不对称荷载对基坑围护结构的影响。
（1）车辆荷载
城市交通和房屋建设中越来越多的基坑紧邻投用中的交通干道，使基坑周围的环境变的复杂，紧邻基坑工程的车辆荷载必定会对此基坑围护结构产生影响。
之前的研究结果表明，车辆荷载是变频率、变振幅、长周期的不规则循环荷载[3]。目前在基坑围护结构的设计中，很少考虑车辆荷载对基坑围护结构的影响。
基坑周围的车辆荷载往往是不规律的，所以容易引起基坑不对称超载，对基坑的稳定性影响较大。此前已有研究得出[2]，在不对称荷载的作用下，基坑两侧产生的水平位移、竖向位移都产生不对称影响。围护结构以钢支撑为例，钢支撑随着不对称变形而产生不对称移动，导致钢支撑的受力从轴心受压改为偏心受压，从而影响钢支撑发挥支护作用，应力损失严重。
目前考虑车辆动荷载较为常见的分别是集中荷载法和等效均厚土层法[4]。集中荷载法是将车辆动荷载简化成静荷载，假设车辆荷载分配到各个车轴，然后在车轮的作用下在路面上形成集中力；等效均厚土层法是将基坑支护的影响区域视为一个大的挡土墙，把基坑周围土体破裂面上的车辆荷载换算成为与支护形式后土体有相同容重的布土层。刘素锦等[4]利用广东省一紧靠交通要道的基坑为实例，分析车辆荷载对该不同基坑围护结构的影响。研究忽略振动荷载，主要考虑车辆自重的影响。研究结果得出，车辆荷载转换为等效静力荷载后，对基坑的各种支护形式有不同程度的影响，对土钉墙支护形式的影响最大。
唐丽云等[5]通过基坑稳定性分析、地下连续墙体水平位移分析两方面研究车辆荷载对基坑围护结构的影响。其中稳定性分析从整体稳定性、抗倾覆稳定性、抗隆起稳定性三方面进行分析。基坑开挖深度增大，作用在坑外侧的坑底水平面上的荷载相应增大，坑底土承载力不足时会导致坑底隆起。由于车辆荷载引起的地面超载对基坑的影响深度是有限的，在基坑较深的位置，地面超载对支护结构的影响已经十分微小。
（2）周围建筑物荷载
这些年，我国城市建设迅速发展，楼层越建越高，一幢幢高楼大厦拔地而起。在进行基坑工程施工时，特别是深基坑工程时，不仅要重视基坑自身的安全，还要考虑基坑与周围建筑物的相互影响。之前已有的研究分析表明，基坑周边没有建筑物时，基坑的变形量很小；基坑周围布置建筑物荷载时，基坑的变形量明显加大[6]。基坑周围建筑物的不同荷载等级、建筑物离基坑的不同距离、建筑物的不同分布都会对基坑围护结构产生不同程度的影响。
显而易见，随着建筑物荷载等级的增加，竖向作用力增大，导致基坑的水平位移逐渐增大，而且随着建筑物荷载等级的增加，基坑变形量呈线性增加[7]。建筑物距离的不同，基坑围护结构的变形会有很大的变化，最大位移量呈现幂指数变化[7]。当建筑物离基坑距离由近变远时，基坑水平位移量由大变小。当距离大于某一值时，基坑的变形量就十分微小了，基本可以忽略。
建筑物的规模都不相同，有的建筑物是“细而高”的，有的是“胖而矮”的。对于“细而高”的高层建筑，由于它们的受力面积相对较小，产生的竖向压力可视为比较集中的，进而对基坑的影响较大；对于那些“胖而矮”的低层建筑，虽然占地规模大，但是受力面积大，所以基础均布受力而且受力较小，所以影响会比较小。研究发现[7]，当两者距离和作用力总和相同时，前者使基坑围护结构产生较大的变形。
2.2 基坑开挖宽度与插入深度
基坑的开挖是一个空间的问题，基坑周边会向基坑内产生水平位移[7]。曾庆义等[8]在研究中指出基坑开挖宽度对稳定性的影响很大。基坑宽度一般采用相对值研究比较有意义，例如基坑宽度与围护结构插入深度之比[9]。围护结构的插入深度也对基坑围护结构有一定的影响。基坑的抗倾覆稳定安全系数会随基坑宽度与插入深度之比的变化而变化。同样开挖深度与插入比时，基坑宽度越窄，抗倾覆稳定安全系数越大。抗倾覆稳定安全系数相同时，基坑宽度越窄，达到抗倾覆未定要求时，基坑围护结构的插入深度越小。随着开挖深度的增加，基坑宽度对基坑围护结构插入深度影响的范围越来越大。
研究表明，基坑开挖宽度增大时，围护墙体的水平位移也增大，反之则减小[10]。在工程实际中，基坑的开挖宽度不宜过大。之前的研究表明，基坑围护结构短边的最大水平位移随着基坑长宽比的增大而增大，接近线性关系；而长宽比增大，基坑围护结构长边的最大水平位移增大至一定值后不会再增大[11]。以围护墙为例，墙体插入土体深度增加，围护墙的水平位移明显减小，但是当插入深度达到一定值时，位移将不再有明显变化[11]。
2.3 岩土性质与地下水
基坑开挖的本质就是开挖土体，因而基坑周围的土质条件影响基坑围护结构。
已有的研究表明[12]，土体含水量变化对基坑围护结构的受力性能影响很大：随着含水量的增加，非饱和土中吸力的作用减少基坑围护结构受到的土压力增加，而且合力作用点位置升高。而且随着含水量的增加，基坑围护结构受到的剪力和弯矩增大，基坑竖向开挖深度的允许值减小。
在确定基坑开挖范围内以及下部的土体性质，是细粒土还是粗粒土，因为两者的工程性质完全不同。粗粒土抗剪强度高、变形小、渗透性高，所以在基坑围护工程中容易引起坑壁、坑底冒砂涌水的流土事故。基坑开挖过程中，改变了地下水原来的平衡，地下水流向坑内造成坑壁或者坑底涌水严重。当砂层中的水压力超过砂土的抗渗能力时，那么砂土会连同水一起涌入坑内，导致在粘性土中产生空洞，最后使地面塌陷[13]。
有地下水存在，地下水就会发生渗流作用，增大了作用在支护结构上的水压力，增大了地下水位以下土体的自重应力，所以，地下水的渗流增大了支护结构上的侧压力，影响支护结构的安全使用[14]。
当土体刚度增加时，墙体最大水平位移和底端位移也减小。随着土体弹性模量的提高，基坑围护墙墙体弯矩减小。
在桩基施工时，破坏土体原有的静力平衡状态。对粉细砂可能会引起砂土液化，地下水大量上升到地面，地基土的强度大大减小。对于饱和粘性土，由于挤土压力，产生很大的超静孔隙水压力，土体抗剪强度降低，土体产生水平位移，从而影响基坑围护结构的使用安全[14]。因此，基坑附近的岩土性质和地下水对基坑工程以及基坑围护结构的影响很大。
2.4 基坑围护结构刚度
影响基坑围护结构刚度的一个因素为结构的厚度。何世秀等[11]在之前的研究分析中表明墙体的刚度主要取决于厚度。
控制变量，然后分别取墙体不同厚度进行计算。计算结果表明围护墙厚度增加，围护墙的水平位移减小，并且随着厚度的增加，水平位移减小的幅度降低，但是当墙体厚度增加到一定程度时，水平位移减小量将不再变化。
2.5 开挖与支撑架设顺序
基坑开挖和支撑架设的先后顺序是影响基坑围护结构变形的重要因素[15]。根据基坑开挖和支撑架设的先后顺序，可分为先挖后撑和先撑后挖。两种不同的施工顺序必定对基坑围护结构产生不同的影响。由于先挖后撑是先进行基坑的开挖，此过程中墙体会产生位移，然后再架设支撑来抵抗墙体进一步的位移变形，而先撑后挖是先架设支撑防止围护墙的变形，然后进行基坑开挖，显而易见，这样的施工方法可以减少墙体的位移，所以先挖后撑比先撑后挖的最大位移值增大。
3 加固措施
（1）基坑施工中应采取防水措施
地下水渗流作用会增大基坑围护结构的侧向压力，影响基坑围护结构的使用。基坑内设置排水沟和集水井是比较常见的，及时的排出积水可防止地表水渗透入基坑的周围，对基坑围护结构造成不良影响。如果基坑内有积水，应该在排水施工完成并达到预期要求后再进行下一步施工[16]。在地下水位较高的透水层，例如砂石类土及粉土类土中进行基坑工程施工时，除了配合围护结构设置止水帷幕外，还需要在开挖过程中采用井点降水法，将坑内、外水位降低至开挖面以下[17]。采用井点降水法时，降水井的位置和抽水量是否合理又对降水效果产生的影响很大。井点间间距过小会使入水边界和坑壁之间的自由面过高，井点间间距过大又会使坑底抽水井之间的自由面过高。所以，应该严格控制降水井的位置及抽水量。
支护墙出现渗漏水时，会影响支护结构使用性能。当水量不大时可用砂浆或速凝混凝土堵住坑内渗水的地方。当水量较大时，可将支护墙背开挖至渗水位置范围在500毫米-1000毫米处，采用混凝土将其堵住。在支护结构的施工过程中，各环节要紧密配合，不能出现断浆或者浆液离析，施工中要保持场地干燥，加强排水措施[18]。
（2）采取“自上而下，先撑后挖，分层开挖，严禁超载”的原则[17]
施工的顺序对基坑围护结构的影响很大。在利用锚杆做支护结构时，须等锚杆张拉锁定后才能进行下一步开挖施工。开挖时应该限制和隔离坑顶周围的振动荷载作用，坑边尽可能不要堆放建筑材料。当重型机构在坑边进行作业时，应设置专门的平台或者深基坑，当施工区域为软土地区时，不宜在坑边堆置弃土，若是垂直坑壁，堆放建筑材料的边距应适当增加一点，防止坑壁坍塌，导致对支护结构产生不良影响。
（3）合理增加连续墙的插入深度和刚度
研究得出[11]，增加连续墙的插入深度，能有效减小其水平位移，使结构更加稳定。但是也不是连续墙插入深度越大越好，应该找到最合适的插入深度，因为当插入深度大于某一值时，它的稳定效果变得不太明显，所以，找到合理的插入深度，既能保证结构整体的稳定性，又能增加施工的效率和降低施工成本。
适当增加支护结构的刚度，如增大桩的混凝土标号、增大桩径、增加墙厚度、减少锚撑间距离等，可以有效减少水平位移，但是过分提高刚度，效果不明显也不经济[11]。随着连续墙刚度的增加，其水平位移也逐渐减小，特别是没有插入土体的部分，位移减小的特别明显。当连续墙刚度较小时，适当增加其刚度对减小水平位移的效果十分明显，尤其是对于未插入土体的部分。但是，当刚度达到一定值时，水平位移减小的效果变得不明显。所以，应该选择合适的刚度，既能保证连续墙的稳定性，也降低了成本和增加了施工的效率。
（4）合理加固坑内土体
对基坑内的土体进行加固，可以增加基坑的稳定性，有效地控制基坑的变形12。当土体的刚度增加时，墙体最大位移与底端位移明显减小。在加固时，应尽量增大土体加固区的宽度且保持连续加固，效果更佳，并且能控制加固范围内的土体隆起。在相同费用下，连续加固比间隔加固控制水平位移的效果好[11]。所以，对坑内土体进行合理加固也能有效控制基坑的水平位移，防止使基坑围护结构产生变形与其他不良影响。
4 结语
基坑邻近荷载、基坑开挖宽度与插入深度、岩土性质与地下水、基坑围护结构刚度、开挖与支撑架设顺序等因素都会对基坑围护结构产生影响，是其变形或者降低其稳定性。以上因素的对基坑围护结构的影响如下：
（1）基坑邻近荷载包括扯车辆荷载、周围建筑物荷载等。这些荷载会引起基坑周围地面超载，导致基坑产生水平位移与竖向沉降等变形，从而加大对基坑围护结构的侧向力，使基坑围护结构产生变形。
（2）基坑的抗倾覆稳定安全系数会随基坑宽度与插入深度之比的变化而变化。同样开挖深度与插入比时，基坑宽度越窄，抗倾覆稳定安全系数越大。抗倾覆稳定安全系数相同时，基坑宽度越窄，达到抗倾覆未定要求时，基坑围护结构的插入深度越小。
（3）地下水会发生渗流作用，作用在支护结构上的水压力和地下水位以下土体的自重应力都将增大，影响支护结构的安全使用。当土体刚度增加时，墙体最大水平位移减小，墙体底端位移也减小。随着土体弹性模量的提高，基坑围护墙墙体弯矩减小。
（4）随着地连墙刚度的增加，墙体的水平位移减小，但增加到一定值时，水平位移减小不明显。
（5）先撑后挖的施工方法与先挖后撑相比，可以减少墙体的位移。
采取防水措施和“自上而下，先撑后挖，分层开挖，严禁超载”的原则、合理增加连续墙的插入深度和刚度和加固土体刚度都是有效的基坑围护工程加固的措施。
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