摘要：随着现代化城市建设的脚步日益加快，很多城市都把兴建大型地下设施作为城市现代化建设的重要部分，由此大量的深大基坑工程也应运而生。深大基坑变形控制已经成为岩土工程研究中的一个新领域，本文根据深大基坑变形控制的国内研究现状，阐述了基坑变形机理，分别从基坑的设计和施工两个方面对其变形控制进行了探讨。
关键词：基坑；围护结构；变形机理；设计；施工
中图分类号：TV551.4 文献标识码：A
引言
21世纪是地下空间开发的世纪，地下结构以其节能安全而将取得长足的发展，大型地下电站、地铁等将随着国民经济的发展而大规模兴建，各种深大基坑不断涌现。综观当今世界，有识之士已把对地下空间开发利用作为解决城市资源与环境危机的重要措施，是解决我国可持续性发展的重要途径[1]。基坑工程不仅要保证围护结构本身的安全，还要保证周围建(构)筑物的安全和正常使用，因此，基坑工程变形控制研究越来越得到重视。深基坑工程作为一种临时的支挡结构，如果片面的追求安全性，按照永久结构来进行设计，浪费也是惊人的。所以在深基坑的设计过程中，要统筹兼顾，在确保基坑工程的安全稳定和变形得到控制的前提下，又要满足其经济合理性的要求，所以正确认识基坑工程的变形机理、影响因素和控制措施，对基坑工程的设计和施工有着重要的意义。
一、基坑工程的变形现象和变形机
（1）围护结构的变形。
包括墙体的水平变形和竖向变形.。在基坑未开挖时，维护墙左右两边受到土压力作用值相等。随着基坑的开挖，坑内土体被挖走，其应力减少，坑外主动土压力增大，对维护墙进行挤压作用，这时在坑底下方的维护墙就会让坑底内侧的土体产生被动土压力，迫使维护墙产生向坑内移动的水平位移，由于开挖过程总是要先挖去一部分土体，才能在原有土体的地方设置支撑，所以支撑的架设总是滞后与开挖的，每次在设置支撑时维护墙己经产生了一定的位移。随着分段开挖和分段支撑的进行，每次的位移加起来总和就是基坑开挖完全后的总位移。维护墙体的位移使得基坑外主动土压力区的土体向基坑方向水平移动，这部分土体与其背后土体之间的挤压变小，剪力增大，从而产生塑性区。
（2）坑底土体隆起
基坑开挖实际上就是土体的卸荷过程，随着上层土体的卸荷，下层土体会向上移动，就产生坑底隆起。然后隆起量并不是一个定值，而是随着基坑开挖深度的增加，从弹性变形到塑性变形的过程。在基坑支护过程中，一般都会对坑底进行加固，使坑底具有足够的强度。在基坑开挖深度不大的情况下，坑底发生的隆起会引起维护墙的升高，但这个时候的隆起还是属于弹性变形范围，基坑隆起的最大位移处在基坑中心部这种隆起状态是基坑底与维护墙的整体升高，不会引起基坑周边土体向坑内移动的问题。然而．随着开挖深度的增大．基坑底部隆起量增大。加上基坑周边地层的人为加载过程，会使维护墙外侧的土体向坑内移动，造成周边土体的下沉，这个就是基坑开挖过程中的塑性变形阶段。
（3）周围区域地表的沉降
当在软土地区开挖深基坑时，基坑周围土体塑性区比较大，土的塑性流动也比较大，士体从围护结构外侧向坑内和坑底流动，因此地表产生沉降，这是沉降产生的主要原因。基坑开挖前期的地下连续墙的施工也会造成地层位移，并相应引起地表沉降，有关资料表明，如果施工中控制措施不得力，地下连续墙的施工引起的变形最大可以占到地表最大沉降的30％[2]。
二、基坑工程变形的预测方法
（1）有限单元法：有限单元法是伴随着计算机发展起来的数值计算方法，该方法有很强的适用性，应用范围广。它具有几个突出的优点，首先它可以解决非线性问题：其次易于处理非均质材料，能较轻松的处理材料的各向异性；再次可以考虑结构之间的相互作用；另外能适合各种复杂的边界条件和几何形状。在材料上可以考虑材料的弹性、塑性、粘弹塑性和各向异性，还能成功的求解土的固结和变形的偶合作用；理论上讲，有限元可以精确的预测墙体的变形、基底隆起、墙后地表沉降和周围地层的移动，预测周围建筑物、地下结构物和管线的变形等；而且可以考虑多种因素的影响，如材料的非弹性、墙体和支撑的刚度、入土深度、支撑的道数、支撑的预应力、地基加固和地面超载等，目前它已经成为基坑工程中预测应力和变形的主要方法。
（2）地层损失法：地层损失法即利用墙体水平位移和地表沉降相关的原理，利用杆系有限元或弹性地基梁法求出墙体的侧向变形，然后再依据墙体位移和地表沉降的面积相关的原理近似求解地表沉降的一种方法。这种方法首先由同济大学候学渊教授参考Peck和Schmidt，借鉴其三角形沉降公式的思路提出来的；此法在沿海的软土地区逐步普及，加上适当的经验修正系数后，与测量结构比较一致，此种方法在沿海地区深基坑设计中正在推广，是目前基坑工程设计
中主要使用的方法。
（3）估算法：估算法主要包括时空效应法、经验估算法和稳定安全系数法。时空效应法由刘建航院士为解决深基坑稳定和周围地层移动控制问题而提出来的，参考新奥法隧道施工面时空效应理论而提出的一种控制基坑结构变形和地层移动的方法。结合大量工程实践，初步认识到基坑施工过中每个开挖步骤的开挖空间几何尺寸和围护结构无支撑暴露面积和时间的施工参数对稳定和变形的影响，分别按照时间效应和空间效应来进行计算，由于这一理论提出的时间不长，理论还不完善，有待进一步改善。
三、设计中对变形的控制措施
（1）选择合理的围护结构
合理的选择围护结构的类型直接关系到基坑工程的成败，影响基坑工程支护结构选择的因素很多，主要包括地质情况、开挖深度、周围环境的要求、工程功能、当地的常用设备和经济技术条件等综合考虑，每种围护结构各有利弊和适用条件，这要求我们在设计过程中．结合实际情况进行技术经济比选，选择合适的围护结构形式。
（2）选定合理的支撑结构体系
对内支撑施加预应力是控制围护墙体变形和地表沉降的常用方法。增加预应力能够有效减小围护墙体最大水平位移，而且最大弯矩值也增加的较小，同时墙体端部的负弯矩显著变小。主要是因为施加支撑预应力能够增加墙外主动区的土体水平应力，减小被动区土体的水平应力，从而增加土体的抗剪强度，减小塑性区，不但能提高基坑的稳定性，还能减少基坑变形。
（3）墙体人土深度
保证围护墙体的最小入土深度，否则会造成“踢脚”现象，导致支护结构底部的位移增加。适当增加围护墙体入土深度，不仅能提高基坑整体稳定性和抗隆起稳定性，还能减少墙体的位移。当连续墙的入土深度大于0.9～1.0H的时候，继续增加墙体入土深度对稳定性和变形的已经影响不大了。所以围护墙体最小入土深度是影响基坑稳定性的一个重要因素，也是设计中的重要参数之一。
（4）被动区土体加固
对被动区土体进行加固，可提高被动区土体的强度，从而提高了被动区土体的被动土压力，提高了土体的抗隆起能力。另外还可以减小土体的渗透系数，防止基坑外侧土体的水向坑内渗透，从而减小土体固结产生的沉降变形。根据经验表明，这种加固措施对减少支护的变形和地表沉降是很有效的。加固方法主要有深层搅拌水泥土桩、旋喷桩和分层注浆。根据经验表明：当加固深度达到50％H时候，地表沉降减小了将近30％，继续加固增加加固深度对减小地表沉降的影响作用就不明显了。
四、施工中对变形的控制措施
（1）合理的施工工序和挖土过程
在正确设计的前提下，不同基坑实测变形之间有巨大差异，既反映了土体性能的差异程度，也反映了施工因素的重大影响。当一处土体因开挖引起应力释放受到扰动时，其变形会受到邻近未扰动土体的约束。利用这种空间效应，在施工开挖中尽可能缩小每一步开挖的长度和深度，并在完成这一段支护以后再进行下一步的开挖，这样就能缩小扰动土体范围，减少基坑和周围地层的变形。土体在受到扰动变形后还会发生蠕变，其抗剪强度也会因土体松动等原因逐渐降低，考虑到这种时间效应，在施工开挖中尽可能缩短土体受扰动到支护的时间，也能有效控制地层的变形。基坑和地层变形之所以有时间效应，是由于土体并不是理想的弹性体，开挖是一个卸载过程(对支撑加预应力则为加载)，基坑最终完成时的变形在很大程度上还取决于卸载和加载的途径与时间过程，所以土方开挖与支撑设置必须严密配合，开挖要严格按照分层、分区和分块程序的进行。
（2）降排水以消除水的隐患
在基坑开挖过程中，必须防止地下水影响基坑外地层的变形，控制地下水的方法有降低地下水位和隔离地下水两类。地下水的渗透破坏常常可以酿成灾难性的后果，其表现首先是坑底的管涌，开始时只有少数较小的几个冒水点，逐渐扩大，造成整个坑底的破坏。另一种表现为坑壁侧流砂流土，由于截水没有做好，在动水压力的作用下，坑壁水土大量流失，造成基坑邻近地面塌陷，危及四周。开挖前提前一段时间进行基坑内降水，通过坑内士体固结，可以提高土体的力学性能，以利于墙内被动区土体抗力的发挥和减少底部开挖面的隆起。
（3）注重施工监测和信息化施工。
由于岩土地质条件的复杂性，影响基坑的稳定性和变形的因素众多，况且目前支护结构的设计不成熟，所以施工监测是很必要的。基坑开挖以后，要密切监测地表沉降和结构的位移、应力、土中的孔隙水压力以及相邻建筑物和地下管线的位移。根据工程的进展，和原来的设计相比较，进行反演，必要时适当的修改设计或施工方法和步骤。
五、结束语
本文以深大基坑为研究对象，从基坑工程的变形现象和变形机理出发，讨论了设计因素和施工因素对基坑变形的影响，通过对变形因素的讨论，得出各个因素对变形影响的敏感性，从而找出影响变形的敏感因素，并得出了一些有益的规律性结论，如：合理的围护结构体系、围护结构的厚度、墙体人土深度、被动区土体加固厚度、合理施工工序以及降排水等方面。通过上述讨论，一方面可以有效的控制基坑的变形，另一方面避免由于不合理的设计造成工程投资的增加，在此基础上总结了基坑工程变形的控制手段，从而为设计优化提供了方法和依据，同时也对信息化施工和基坑的监测工作起到重要的指导和参考作用。
参考文献：
[1]王梦恕. 中国铁路、隧道与地下空间发展概况[J] ．隧道建设，2010,30(4):351-362.
[2]俞建霖，粪晓南．深基坑工程的空间性状分析[J] ．岩土工程学报，1999，21(1)：21～25
