半地下污水处理厂超大基坑对周边环境沉降变形影响研究

[中图分类号]P258 [文献标识码] A [文章编号]

1 引言

随着城市的不断发展，近年来，我国污水处理厂的建设步伐加快，具有环保优势的半地下污水处理厂应运而生，该类项目的特点是基坑规模超大，尤其是当基坑位于软土地区时，施工时开挖的超大基坑容易对周边环境产生明显的变形影响。软土地区土层具有含水量高、渗透性差、抗剪强度低、变形量大等特点，且存在多组承压含水层。在这种复杂的水文地质及工程地质条件下，进行大面积的地下工程一方面给工程施工带来了困难，另一方面基坑的开挖和降水将对周边地表和道路的稳定性构成威胁。因而该文通过对某位于软土地区的半地下式污水处理厂超大基坑变形影响进行研究，在取得大量监测数据同时对工程总结经验、将为今后合理控制基坑开挖对周边环境的影响提供依据。

2 工程概况与地质条件

2.1 工程概况

某半地下式污水处理厂位于华北地区，现场地势平坦开阔，周边无建筑物，在该地块新建一座建设规模为60 万 m³/d 的污水处理设施，项目基坑开挖面积约 17.5 万平方米，基坑长 501.2m、宽 414.3m，基坑总周长约1750 米。基坑按区块划分，开挖深度 6.4m～16.3m，其中西北角部基坑深度为 14.5m~16.5m，基坑北侧区域开挖深度为 8.3m~10.8m，基坑东侧区域开挖深度为 7.0m~10.8m，基坑南侧区域开挖深度为 6.4m~11.9m，基坑西侧区域开挖深度为6.4m~10.8m。基坑土方开挖总量超过150 万立方米。

2.2 基坑支护设计

基坑总体面积超大，采用整体明挖方式施工，基坑工程安全等级为一级。基坑以无支撑体系支护形式为主，坑深较浅、地势开阔区域围护结构采用分级放坡开挖形式，大部分区域采用浅部放坡+双排桩悬臂支护形式，基坑围护结构的主要剖面形式，主要有一级放坡+单排灌注桩、一级放坡+双排灌注桩、二级放坡、三级放坡、坑内深度交界处单排灌注桩等几种形式。西北角深基坑采用灌注桩围护结构结合钢筋混凝土内支撑支护形式。基坑四周整体采用三轴搅拌桩形成封闭止水帷幕，采用∅ 850@1200 单排三轴水泥土搅拌桩，基坑内设大口井降水。

图1 基坑周边地表沉降监测点布置示意图

2.3 工程地质条件

根据勘察报告显示，本工程场地勘察深度范围地基土层为第四纪松散堆积物，主要由人工填土、海相、陆相交互冲、沉积物组成。地基土竖向成层分布，总体从上至下土质渐好，强度渐高。场地原为耕地，该场地埋深约50.00m 深度范围内，缺失新近冲积层（Q43Nal）和全新统上组湖沼相沉积层（Q43l+h），地基土按成因年代可分为以下9 层：（1）人工填土层（Qml），一般厚度 0.50m～1.30m ，底板标高一般为 0.69m～2.13m ；（2）坑、沟底新近淤积层（Q43Nsi），厚度 0.30m～0.80m ，底板标高为- 0.07m～-2.42m ；（3）全新统上组陆相冲积层（Q43al），厚度一般为 0.40m～2.00m ；（4）全新统中组海相沉积层 (Q42m) ），厚度一般为 8.00m～11.00m ；（5）全新统下组沼泽相沉积层（Q41h），厚度一般为 1.50m～3.00m ，顶板标高为- 8.49m～ 12.31m；（6）全新统下组陆相冲积层（Q41al），厚度 4.30m～8.00m ，顶板标高为-9.64m～-14.70m；（7）上更新统第五组陆相冲积层（Q3eal），厚度 5.00m～7. .50m，顶板标高为-17 43m～-20.28m; ；（8）上更新统第四组滨海潮汐带沉积层（Q3dmc），厚度一般为 3.00m～5.00m ，顶板标高为-22.50m～- 26.03m ；（9）上更新统第三组陆相冲积层（Q3cal），本次勘察钻至最低标高-51.43m，未穿透此层，揭露最大厚度 23.50m，顶板标高为-26.92m～-31.21m。

3 基坑变形监测

根据规范及设计要求，基坑周边环境监测范围包括基坑周边3 倍基坑开挖深度范围。该基坑主要监测项目为：（1）周边地表竖向位移监测；（2）坡顶水平位移监测；（3）坡顶竖向位移监测；（6）深层水平位移监测；（7）支撑轴力监测；（8）坑外水位监测；（9）周边建筑竖向位移监测。

3.2 监测方法

竖向位移采用几何水准测量方法，使用徕卡DINI03 电子水准仪进行观测。以监测工作高程基准网控制点为起点，起始并附和该高程基准点上。水平位移根据现场条件，使用全站仪，采用小角度法进行监测。围护结构深层水平位移监测采用新科测斜仪进行监测，坑外水位监测采用电子水位计进行观测。

4 监测结果分析

针对本工程主体基坑施工，对周边环境和工程自身进行了监测，各监测项均处于正常状态，累计最大值统计见下表。

表 1 基坑围护结构监测累计最大变形量统计表

4.2 周边地表竖向位移监测分析本基坑周边按照断面间距 30m～60m 共布设31 个沉降断面，标准段每个断面5 个测点，监测范围总体取约30m。其中基坑西北侧监测断面设7 个测点，监测范围 50m 。本基坑监测日期从2018 年04 月至2019 年9 月，共计17 个月，主体基坑周边地表竖向位移最终累计值范

围在-41.1mm ～+5 .96mm 之间，个别监测点最终为轻微隆起状态。其中，基坑东侧最终累计值范围在-29.36mm~+3.39mm 之间，平均竖向位移为-16.99mm；基坑南侧最终累计值范围在-40.28mm~-5.05mm，平均竖向位移为-24.01mm；基坑西侧最终累计值范围在-39.23mm~1.14mm，平均竖向位移为-16.71mm；基坑北侧最终累计值范围在-30.17mm~5.96mm，平均竖向位移为 12.36mm。

基坑土方开挖期间初期受基坑降水影响，及车辆碾压影响，基坑周边地表监测点出现少量的沉降。随着土方的进一步开挖，受土方卸载影响，基坑 域的地表 出现了隆起的趋势。首层土开挖产生微量隆起后，随着车辆碾压及基坑内持续降 后出现了一定量的下沉。随着第二层土方的开挖卸载，周边地表随之 产 起趋势 土方大规模开挖卸载结束后，地表监测点随着时间的推移逐渐进一步沉降，局部区域由于土方开挖时间节点略有不同，因而也呈现出隆起和下沉相交替出现的情况。

随着土方开挖的完成以及大规模降水作业的结束，底板的浇筑施工，此后基坑周边地表监测点逐渐趋于稳定，变形曲线也趋于平缓，后期未见明显的变化，个别点由于车辆碾压的影响微量沉降。全部的监测点监测数值均未超过预警值标准，基坑周边地表点在施工过程中一直处于可控的状态。以下为基坑周边地表监测点竖向位移时程曲线示意图。

图2 基坑周边地表各监测点竖向位移典型时程曲线示意图

4.3 基坑坡顶竖向位移监测分析

沿基坑周边，每隔15～20 米设一个监测点，基坑深度大于10m 区段，布点间隔取15m 一个，基坑深度小于8m 区段，布点间隔取20m 一个，其余深度部位根据实际情况布点间隔在15～20m 区间选取，共布设 95 个坡顶竖向位移监测点。

在基坑周边围护结构坡顶竖向位移共布设了 99 个监测点，监测日期从2018 年06 月06 日至2019 年9 月29日，共计16 个月，共计监测234 期，主体基坑周边围护结构坡顶竖向位移最终累计值范围在-33.5mm～+8.9mm之间，最大累计沉降量-33.5mm，平均累计沉降量-13.2mm。个别监测点最终为轻微隆起状态，最大累计隆起量为8.9mm，微隆起点位主要分布于基坑西北侧。其中，基坑东侧坡顶竖向位移最终累计值范围在-28.66mm~-2.3mm之间，平均竖向位移为-17.23mm；基坑南侧坡顶竖向位移最终累计值范围在-33.5mm~-4.5mm，平均竖向位移为-17.76mm；基坑西侧坡顶竖向位移最终累计值范围在-23.0mm~+4.9mm，平均竖向位移为-14.25mm；基坑北侧坡顶竖向位移最终累计值范围在-26.95mm~+8.9mm，平均竖向位移为-8.3mm。基坑坡顶竖向位移规律与周边地表竖向位移规律具有一致性，以下为基坑坡顶监测点竖向位移时程曲线示意图。

图3 基坑周边坡顶各监测点竖向位移典型时程曲线示意图

4.4 基坑周边建筑物竖向位移监测成果分析

主体基坑周边建筑物布设了 4 个监测点，主要对邻近基坑的一座高压铁塔基础变形进行监测，位于基坑西北角，距离基坑围护结构边线约25m。 监测日期从 2018 年05 月至 2019 年9 月，共计16 个月，高压铁塔基础结构竖向位移最终累计值范围在+0 之间，为轻微隆起状态。因基坑大规模土方开挖卸载，该区域初期呈现隆起趋势，施工过程中最大累计隆起变形值为+5.48。 方开挖卸载的结束，随着时间推移，该区域建筑物逐渐出现下沉趋势，至监测末期，该区域回填，总体仍然呈现微微隆起的状态，基本恢复到施工前的状态，安全可控。

图4 基坑周边建筑各监测点竖向位移时程曲线图

5 结语

本文依托半地下式污水处理厂超大软土基坑监测数据，对该类基坑对周边环境沉降变形影响及变形规律进行了研究。

首层土开挖侯，受土方卸载影响，周边地表、坡顶、建筑物等均出现一定量的上浮趋势，随着车辆碾压及基坑内持续降水作业等因素影响，随后出现了一定量的下沉趋势。随着第二层土方的开挖卸载，周边地表、坡顶和建筑物随之产生了第二次微量隆起趋势，随着土方大规模开挖卸载结束后，监测点逐渐进一步沉降，局部区域由于土方开挖时间节点略有不同，因而也呈现出隆起和下沉相交替出现的情况。

至监测末期，基坑周边绝大部分地表和坡顶监测点累计变形均为下沉，但仍然存在个别监测点位受车辆碾压等影响较小，最终表现为上浮。这一变形特性不同于一般的规模较小的基坑，特别是当此类超大型基坑周边如果存在对上浮变形较为敏感的建筑物或管线时，需要特别引起注意，避免开挖过程中造成过大上浮从而对周边建（构）筑物造成破坏。

超大型基坑开挖引起的周边地表变形影响范围约为 4 倍 ～5 倍基坑开挖深度。因而对于超大型基坑周边，如果存在对变形敏感的建筑物或管线时，需要适当扩大监测范围，不应仅局限于现行规范所规定的3 倍基坑开挖深度，监测范围宜适当扩大。

超大基坑开挖施工时，在基坑开挖过程中，实行“分层、分块、平衡、对称、限时”的土方开挖方法，将大基坑分散成不同的小基坑的形式，可一定程度上缓解超大规模基坑集中开挖卸载所造成的基坑自身及周边环境变形过大的问题，科学经济地保证超大软土深基坑工程的施工安全 。

参考文献

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个人简介：第一作者（通信作者）简介：华远峰，1989 年1 月，男，高级工程师，注册测绘师，硕士，工作单位为，研究方向为工程测量。