時空效應(yīng)理論在軟土地區(qū)基坑開挖中的應(yīng)用

舒永鳴

摘 要：結(jié)合蘇州軌道交通2號線04標(biāo)明挖車站及區(qū)間的基坑開挖實例，以施工為主脈對蘇州軟黏土層深基坑進(jìn)行分析，將時空效應(yīng)理論在軟土地區(qū)基坑開挖中的應(yīng)用提出要點并總結(jié)。

關(guān)鍵詞：明挖深基坑；軟土地區(qū)；時空效應(yīng)

1 前言

在軟土地區(qū)，土的強度低、含水量大，此地層上的基坑工程所受的土體流變性影響很大。在軟土基坑開挖中，適當(dāng)減小每步開挖土方的空間尺寸，并減少每步開挖所暴露的部分基坑擋墻的未支撐前的暴露時間，是考慮時空效應(yīng)、科學(xué)地利用土體自身的控制地層位移的潛力，解決軟土深基坑穩(wěn)定和變形問題的基本對策。

2 概述

蘇州市軌道交通2號線Ⅱ-TS-04標(biāo)土建工程包括齊門北大街站及陽澄湖中路站至齊門北大街站區(qū)間明挖段。齊門北大街站為明挖地下二層島式站臺車站，總長464.35m，設(shè)有9個出入口、3組風(fēng)亭。陽澄湖中路站至齊門北大街站區(qū)間明挖段右線隧道全長1095.4m。齊門北大街站標(biāo)準(zhǔn)段外包寬度19.1m，開挖深度約17.4m，西端頭井段外包寬度23m，開挖深度約18.4m，車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800mm厚地下連續(xù)墻。陽澄湖中路站至齊門北大街站區(qū)間段圍護(hù)結(jié)構(gòu)視開挖深度的不同而分別采用800mm厚地下連續(xù)墻及φ1000@800、φ800@600鉆孔咬合樁，均采用明挖順做法施工，基坑開挖深度0～16.8m。車站及區(qū)間支撐系統(tǒng)第一道均為砼支撐，以下部分根據(jù)基坑開挖深度不同分別采用2～4道φ609鋼支撐。砼支撐縱向間距為8m，鋼支撐縱向間距為3～4m。工程所在場區(qū)地層巖性主要為粘土、粉質(zhì)粘土、粉土、粉（細(xì)）砂等。

3 施工流程

基坑土方開挖按照“分層、分段、分塊、對稱、平衡、限時”和“先撐后挖、限時支撐、嚴(yán)禁超挖”的原則進(jìn)行施工?；娱_挖時根據(jù)支撐豎向布置進(jìn)行分層開挖（每層開挖面不能低于相應(yīng)支撐中心以下500mm），根據(jù)支撐平面布置間距進(jìn)行分段開挖（段長不大于6m），保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑開挖過程中受力平衡，嚴(yán)禁在一個工況條件下一次開挖到底。土方開挖時備足運輸車輛及施工機械，開挖土方和安裝支撐并施加預(yù)應(yīng)力應(yīng)控制在24h內(nèi)完成，達(dá)到“快撐快挖”的效果，減少基坑暴露變形時間。

以齊門北大街站標(biāo)準(zhǔn)段為例，根據(jù)基坑豎向支撐系統(tǒng)可將其豎向開挖分為5層：表層、負(fù)一層、負(fù)二層、負(fù)三層、負(fù)四層。表層為原始地面至冠梁底，負(fù)一層至負(fù)三層開挖線為相應(yīng)支撐中心標(biāo)高下0.5m，負(fù)四層開挖線為基底。

4 施工技術(shù)

4.1 開挖條件

① 基坑土方開挖安排在坑內(nèi)井點降水20天后進(jìn)行，降水深度應(yīng)控制在基底以下1m；

② 基坑開挖必須在地下連續(xù)墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)、冠梁及第一道混凝土支撐達(dá)到設(shè)計強度后方可進(jìn)行；

③ 基坑土方開挖前應(yīng)完成基坑周邊及支護(hù)結(jié)構(gòu)上的相關(guān)監(jiān)測點布設(shè)，并已取得初始值；

④ 地連墻防滲漏材料例如快凝水泥、聚氨酯及高壓灌注機等相關(guān)救援物資、設(shè)備應(yīng)準(zhǔn)備到位，并與施工現(xiàn)場建立單獨庫房進(jìn)行存放；

⑤ 基坑開挖前，應(yīng)先檢查了解地質(zhì)、水文、道路、附近建筑物、民房等狀況，做好記錄，開挖過程經(jīng)常觀測變化情況，發(fā)現(xiàn)異常，立即采取應(yīng)急措施；

⑥ 作業(yè)前要全面檢查開挖的機械、電氣設(shè)備是否符合安全要求，嚴(yán)禁帶“病”運行，基坑現(xiàn)場排水、降水、集水措施是否落實。

4.2 開挖參數(shù)

① 分層分小段（不大于6m長）開挖土方和相應(yīng)安裝支撐并施加預(yù)應(yīng)力應(yīng)控制在24h內(nèi)完成，每層土方開挖底面不能低于相應(yīng)支撐中心以下500mm，嚴(yán)禁在一個工況條件下一次開挖到底，待支撐安裝結(jié)束后，再施工下一段；

② 基坑開挖時縱橫向的安全坡度要求不得陡于1：3，必須分段、分區(qū)、分層、對稱進(jìn)行，不得超挖；

③ 坡面上采用彩條布覆蓋，以減少雨水沖刷；機械挖土?xí)r，坑底應(yīng)保留200～300mm厚土層用人工挖除整平，防止坑底土擾動，并及時澆筑墊層砼，以封閉基底；底板根據(jù)施工分段情況予以澆筑，間隔時間不易超過兩周；

④ 土方開挖時，棄土堆放應(yīng)遠(yuǎn)離基坑頂邊線2H以外（H為基坑開挖深度）；墻后堆載標(biāo)準(zhǔn)段<20kPa，端頭井<30kPa。

4.3 開挖原則

基坑土方開挖按照“分層、分段、分塊、對稱、平衡、限時”和“先撐后挖、限時支撐、嚴(yán)禁超挖”的原則進(jìn)行施工。

土方開挖時備足運輸車輛及施工機械，保證在規(guī)范要求時間內(nèi)完成每一層土方開挖，達(dá)到“快撐快挖”的效果，減少基坑暴露變形時間。

4.4 開挖方法

① 對撐的長條形深基坑（基坑標(biāo)準(zhǔn)段）

必須按設(shè)計要求分段開挖和澆筑底板，每段開挖中又分層、分小段，并限時完成每小段的開挖和支撐。

開挖參數(shù)通常為：

分段長度：L≤24m

每小段寬度：Bi=3～6m（若基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻，則6m約為一幅地下墻的寬度，亦即2根鋼支撐的位置）

每層厚度：hi=3～4m

每小段開挖支撐時限：Tr=8～24h

L、Bi、hi、Tr在施工時可根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

② 車站端頭井段

端頭井段基坑采用盆式開挖法施工，即先開挖端頭井基坑中部土方，挖土過程中在基坑中部形成類似盆狀的土體，保留基坑周邊用來阻止地下連續(xù)墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的土堤，減小了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的無支撐暴露的時間，然后依次對稱開挖斜支撐區(qū)的土體。斜支撐區(qū)的土方應(yīng)自基坑角點沿垂直于斜撐方向向基坑內(nèi)分層、分段、限時地開挖并架設(shè)支撐。盆邊土堤的高度一般不大于5m，盆邊寬度一般不小于10m。當(dāng)盆邊高度大于4m時，可采取二級放坡的形式，放坡平臺寬度一般不小于4m。

4.5 質(zhì)量措施

① 沿縱向按限定長度開挖段逐段開挖，在每個開挖中分層分小段開挖，隨挖隨撐，按規(guī)定時限施加支撐預(yù)應(yīng)力，做好坑內(nèi)排水，減少基坑暴露時間。

② 在設(shè)計坑底標(biāo)高以上200～300mm的土方須采用人工開挖，集中勞動力和配套設(shè)備，每開挖出一段基底即鋪設(shè)一片墊層，防止人類活動和自然因素造成的擾動。對局部超挖處要用砂填實，嚴(yán)禁用淤泥回填。最底層土方開挖必須在最短的時間內(nèi)完成，并在1天內(nèi)完成墊層砼的澆注，鋼筋砼底板要求在土方開挖完成7天內(nèi)完成砼澆注。

③ 作業(yè)人員須及時封堵地下連續(xù)墻接縫或墻體內(nèi)出現(xiàn)的水土流失，嚴(yán)防小股流水、流砂沖破地下連續(xù)墻中存在的充填泥土的孔洞而導(dǎo)致大量涌砂和基底失穩(wěn)。

④ 每一小段的土方開挖中，嚴(yán)禁挖成3～4m高的垂直土壁或陡坡，以免坍方傷人，并嚴(yán)防坍方而導(dǎo)致橫向支撐失穩(wěn)。

⑤ 縱向放坡開挖時，應(yīng)在坡頂外設(shè)置截水溝或擋水土堤，防止地表水沖刷坡面和基坑外排水再回流滲入坑內(nèi)；在開挖施工過程中，進(jìn)行人工修坡，并對暴露時間較長或可能受暴雨沖刷的縱坡采用篷布覆蓋坡面等保護(hù)措施。

⑥ 在整個開挖過程中派專人監(jiān)控和指揮挖掘機司機的操作，嚴(yán)禁在土方開挖施工過程中出現(xiàn)施工機具碰損支撐系統(tǒng)的情況，不得對支撐系統(tǒng)產(chǎn)生超載，以免支撐系統(tǒng)因超載過大造成失穩(wěn)，危及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全。

⑦ 在基坑分層開挖過程中，定時檢查井點降水深度；并加強對降水管井的保護(hù)，以免填塞管井，影響降水效果，并將露出開挖面以上部分管井進(jìn)行分節(jié)拆除。

⑧ 坑頂周圍嚴(yán)格限制堆土等地面超載，適當(dāng)隔離振動荷載作用。

⑨ 對于斜撐間距較小的部位，長臂挖機無法取土?xí)r，下部土體采用人工配合小挖機翻土。

⑩ 在每層土的平臺上修一300×300mm的橫向截水溝，在溝的兩端各設(shè)一800×800×600（高）的集水坑，隨時將坑內(nèi)的水排出坑外。

5 注意事項

（1）時空效應(yīng)理論的主要技術(shù)要點：沿規(guī)定的開挖次序逐段開挖，在每個開挖段中分層、分小段開挖、隨挖隨撐、按規(guī)定時限施加預(yù)應(yīng)力，做好基坑排水，減小基坑暴露時間。

（2）車站端頭井的三側(cè)是連續(xù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，只有與標(biāo)準(zhǔn)段連接處是開口的。在端頭井基坑開挖施工時，一定要先施工控制開口變形的支撐，即“鎖口”撐。采用地下連續(xù)墻圍護(hù)時，端頭井與標(biāo)準(zhǔn)段連接處的“Z”幅地下墻上一定要設(shè)置直撐，以防止轉(zhuǎn)角的圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。

（3）基底上預(yù)留300mm土采用人工開挖。若采用機械直接開挖至基底，則容易擾動結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)下的原狀土，造成基底承載力不均。尤其是在降水不徹底、基底遭雨水及地下水浸泡發(fā)軟等情況下，原土層必須采取換填、曬干、壓實等方式進(jìn)行處理，以提高基底承載力，防止主體結(jié)構(gòu)回筑后產(chǎn)生相對較大的不均勻沉降，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫導(dǎo)致滲水。

（4）基坑開挖前視場地地層及周邊環(huán)境情況需進(jìn)行必要的基坑土體加固，一般有：

① 在地下連續(xù)墻底下因清孔不好土體很軟時，進(jìn)行地下墻墻底注漿加固，以防止開挖時引起地下墻沉降和墻外側(cè)土體松動沉降；

② 確保開挖土坡穩(wěn)定的土體加固；

③ 地下墻內(nèi)側(cè)被動土壓力區(qū)，以注漿法或其他方法加固。

以上3種加固方法需視設(shè)計要求，若設(shè)計上未有該土體加固方案，則在施工中常采用降水加固法，即在具有夾薄層粉砂的黏性土或黏性土與砂性土互層中，對基坑內(nèi)自地面下至基坑底以下一定厚度的土體采用超前降水法提高土體自身固結(jié)強度。一般超前降水時間為20d～30d，降水深度為基底下1m。

（5）鋼支撐失穩(wěn)前有拱起側(cè)彎或下沉的先兆，發(fā)現(xiàn)情況要迅速采取加固或補撐措施；在基坑開挖期間要加強對支撐的觀察，每班要有專人巡察。如果發(fā)生鋼支撐失穩(wěn)、基坑未坍塌，則需在失穩(wěn)的鋼支撐旁加設(shè)鋼支撐，并施加預(yù)應(yīng)力。同時對周圍支撐復(fù)查，查找是否有支撐松弛，如果發(fā)現(xiàn)有支撐松弛，應(yīng)立即采取復(fù)加預(yù)應(yīng)力加固措施。如果支撐松弛而發(fā)生支撐失穩(wěn)，則應(yīng)立即查找周邊超載、圍護(hù)結(jié)構(gòu)背土是否流失、支撐材質(zhì)等原因，防止失穩(wěn)現(xiàn)象擴散。

（6）基坑開挖過程中，需緊跟每層開挖支撐面的進(jìn)展對地下墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及地層移動進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容主要包括基坑周邊地表沉降點、地下管線變形監(jiān)測、坑內(nèi)外地下水位、建筑物的沉降與傾斜、圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移、圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平和垂直位移、支撐軸力等等。根據(jù)基坑每個開挖段中的監(jiān)測反饋資料及時采取措施改進(jìn)施工，控制基坑變形。

6 結(jié)語

在以蘇州為代表性的軟土地區(qū)深基坑開挖中應(yīng)用時空效應(yīng)理論，按照“分層、分段、分塊、對稱、平衡、限時”和“先撐后挖、限時支撐、嚴(yán)禁超挖”的原則進(jìn)行施工，確保工程質(zhì)量和安全，提高工效，并根據(jù)基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行信息化施工，優(yōu)化施工工藝。

參考文獻(xiàn)

[1]劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊（第2版）[M].中國建筑工業(yè)出版社，2009.

（作者單位：中鐵二局第五工程有限公司）