軟土深基坑支護體系變形特性研究

劉 寧，凌 青，葉 旦，王 亮

(中設設計集團股份有限公司，南京 210014)

隨著城市建設的快速發(fā)展，許多城市對地下空間進行了不同用途的開發(fā)利用，而基坑規(guī)模和開挖深度的增大使臨時圍護結構變形和穩(wěn)定問題變得復雜和突出[1]。軟土深基坑工程仍然是一項極具挑戰(zhàn)性、高風險性、高難度的巖土工程技術熱點課題。如何保證軟土地基深基坑開挖工程安全，已成為巖土工程界面臨的一個新挑戰(zhàn)[2]。軟土深基坑工程受地層特性、地下水及外部荷載等諸多因素影響，風險性高[3]。目前，對深基坑的現(xiàn)場監(jiān)測已經(jīng)成為確保軟土深基坑工程施工安全可靠的必要和有效手段，通過基坑開挖過程中的基坑監(jiān)測[4-5]，實行信息化施工能減少基坑安全事故發(fā)生[6]。

本文結合南京河西地區(qū)某軟土深基坑支護工程實例，對軟土地基深基坑開挖過程中結構動態(tài)變化進行分析，初步獲取軟土基坑變形規(guī)律[7-10]，為軟土基坑施工與監(jiān)測提供參考依據(jù)。

1 項目概況

1.1 工程概況

該地鐵車站基坑工程位于南京河西地區(qū)，距秦淮河1.6 km，距長江約2.5 km，沿江東南路呈東西向設置，與規(guī)劃有軌電車換乘。該地鐵車站為地下兩層跨島式站臺車站，車站基坑全長191.00 m，標準段基坑寬21.30 m，盾構井段寬25.70 m。標準段基坑深度15.78 m，盾構井段深度17.09 m。車站基坑平面圖見圖1。

圖1 基坑平面

車站圍護結構采用連續(xù)墻+內支撐型式，圍護結構采用800 mm連續(xù)墻，標準段基坑豎向設四道支撐：第一道采用800×800 mm混凝土支撐，水平間距6 m，第二道～第四道采用φ609，t=16 mm鋼管支撐，水平間距3 m，并對第三道支撐進行換撐。盾構井基坑豎向設四道支撐：第一道采用800×800 mm混凝土支撐，水平間距6 m，第二道～四道采用φ609，t=16 mm鋼管支撐，水平間距3 m，并對第三道支撐進行換撐。標準段圍護結構嵌固深度為17 m。盾構井嵌固深度為18.7 m。地下連續(xù)墻接頭采用10 mm厚H型鋼板接頭，另外墻幅接縫處基坑外側采用兩根旋噴樁止水。

1.2 工程地質及水文地質條件

車站所處地區(qū)地貌類型為長江高漫灘平原地貌單元，地勢較平坦，地面高程為7～10 m，近地表主要由全新統(tǒng)粉質黏土、粉土、粉細砂等組成?？辈斓貙咏衣兜牡貙又饕校孩?1層雜填土，②-la2粉質黏土，②-2b4淤泥質粉質黏土，②-3d3層粉砂夾粉質黏土及②-4d2粉砂、細沙，其中②-2b4為軟土層，②-3d3為液化土層。

地下水類型主要為孔隙潛水、微承壓水及基巖裂隙水?？紫稘撍咏乇矸植?，含水層巖性主要為①層人工填土及②層淤泥質粉質黏土。含水層厚度5.50～13.60 m、平均8.86 m。微承壓水含水層巖性主要為②層細粉砂及④層圓礫。隔水頂板為微不透水的②層淤泥質粉質黏土，隔水底板為下伏巖層。本車站基巖裂隙水為碎屑巖類裂隙水，含水巖組巖性為白堊系浦口組的碎屑巖類組成。

2 監(jiān)測方案

2.1 基坑監(jiān)測內容

結合基坑的具體情況，選擇的測項包含：坑外地表沉降、圍護墻頂沉降和水平位移、立柱沉降、支撐軸力、墻體測斜、土體測斜及坑外地下水位等測項。由于在基坑施工過程中部分測點被破壞，監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)或者監(jiān)測數(shù)據(jù)失真，因此本次分析選取能夠較好地反映支護體系受力與變形及監(jiān)測效果良好的一些測項進行分析。

2.2 監(jiān)測報警值

根據(jù)本工程的特點，結合《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》(GB50497—2009)關于一級基坑監(jiān)測報警值的規(guī)定以及設計單位要求，監(jiān)測報警值見表1。

表1 監(jiān)測報警值

3 監(jiān)測結果分析

3.1 圍護墻頂沉降

監(jiān)測結果顯示，圍護墻頂沉降總體表現(xiàn)為上抬。從圖2可以看出監(jiān)測初期墻頂出現(xiàn)短暫的下沉，之后便持續(xù)上浮，最終累計上浮量大多超出報警值。在底板澆筑結束后，墻頂豎向位移基本穩(wěn)定。監(jiān)測曲線顯示，整個監(jiān)測過程中，墻頂豎向位移大多比較平緩，沒有出現(xiàn)急劇變化的現(xiàn)象，表明基坑開挖過程中，地下連續(xù)墻豎向位移是緩慢發(fā)展的。

為控制地下連續(xù)墻的上抬量，在基坑開挖過程中，適當降低坑內外地下水位，使土體固結壓縮，對墻體產(chǎn)生負摩阻，一定程度上抑制墻體上抬，從圖2可以看出，六月下旬之后，墻體上抬趨勢明顯抑制。

圖2 圍護墻頂沉降時程曲線

從南、北兩側墻體豎向位移的對比曲線圖可以看出，北側墻體豎向位移出現(xiàn)比較明顯的對稱現(xiàn)象，基坑中部上抬量較大，從中部到兩側上抬量逐漸減小，至兩端點上抬量較小，沒有明顯上抬，南側墻體則沒有明顯的對稱現(xiàn)象，且整體上抬量較小，未超出報警值。

另外，從圖3中可以看出，兩側墻體存在最大約10 mm 的差異沉降量，這將使混凝土支撐受到明顯的彎矩，可能導致混凝土支撐從軸心受壓狀態(tài)或小偏心受壓狀態(tài)發(fā)展至大偏心受壓狀態(tài)，降低其受壓穩(wěn)定性。

3.2 墻頂水平位移觀測

本次墻頂水平位移觀測在墻頂布置小棱鏡，采用極坐標法進行觀測。在施工過程中，墻頂小棱鏡多數(shù)受到不同程度的破壞，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。本次總結挑選保存較為完好的6個監(jiān)測點進行統(tǒng)計分析。

圖4中的6個監(jiān)測點在基坑西端頭井處，圖中4條曲線均較平緩，且位移量也較小，這應與混凝土支撐具有較大的剛度有關。另外，理論上基坑端頭處墻頂水平位移也較小。

3.3 立柱沉降

從圖5中可以看出，立柱豎向位移趨勢與墻頂豎向位移趨勢基本一致，但立柱累計位移量稍大于墻頂累計位移量。立柱與地下連續(xù)墻的差異沉降也會增加混凝土支撐的次生應力，導致混凝土支撐受到明顯的彎矩，從而影響到其穩(wěn)定性。

圖5 立柱沉降時程曲線

3.4 坑外地表沉降

為全面分析基坑周邊地表沉降的特點，選取兩個測點較為完整、位置比較典型的監(jiān)測斷面，做出沉降監(jiān)測斷面曲線圖。從圖6和圖7中可以看出，坑外地表沉降的特點為距離基坑支護邊緣最近處沉降量最小，距離基坑支護邊緣較遠處沉降量也相對較小，在兩者之間的一定范圍內沉降量達到最大值。這種現(xiàn)象與理論預期相符合，靠近地下連續(xù)墻邊緣處，受到地下連續(xù)墻背摩擦力的影響，土體沉降受到約束；而距離基坑邊緣較遠處，由于降水而產(chǎn)生的滲流影響減弱，故土體沉降量也會較??；在這兩者之間的范圍內，土體即不受墻背摩擦力的約束，降水滲流影響又比較顯著，故而最大沉降量會產(chǎn)生在此范圍內。

圖6 地表沉降第08監(jiān)測斷面沉降曲線

圖7 地表沉降第22監(jiān)測斷面沉降曲線

3.5 支撐軸力

圖8為混凝土支撐軸力變化時程曲線。可以看出，混凝土支撐軸力觀測值大部分小于報警值。在開挖第一層土期間，混凝土支撐軸力有明顯增加的趨勢，第二道支撐架設完畢后，大部分混凝土支撐軸力持續(xù)下降。后期鋼支撐拆除階段，混凝土支撐軸力又略有上升，這一現(xiàn)象基本與理論預期一致。

部分軸力觀測值后期出現(xiàn)負值，即表示支撐受拉力。這種情況應是支撐受明顯彎矩影響，導致一側受拉一側受壓，受拉側鋼筋平均拉力大于受壓側鋼筋平均壓力，而混凝土軸力計算是通過受力鋼筋平均應力計算而來，故導致支撐軸力計算值出現(xiàn)拉力。因此，在日常觀測中，應關注受拉側鋼筋的拉力大小，應用變形協(xié)調原理計算混凝土所受拉力，以此判斷是否達到混凝土的抗拉強度，注意觀察混凝土支撐是否出現(xiàn)裂縫，不能只關注計算軸力的大小，忽視支撐的受力狀態(tài)。

圖8 混凝土支撐軸力變化時程曲線

3.6 墻體測斜

墻體測斜采用在地下連續(xù)墻鋼筋籠上綁扎測斜管，用滑動測斜儀的方法進行觀測，并以孔底為起算基點。

本次總結以土方開挖和底板澆筑施工節(jié)點為時間參考，選取每個節(jié)點的典型曲線，并將不同節(jié)點時的曲線繪制在同一幅圖內，以便觀察不同施工工況下墻體的變形特點。由于施工影響和破壞，部分墻體測斜孔數(shù)據(jù)不連續(xù)，本次總結挑選數(shù)據(jù)較為完整的兩個測孔(見圖9和圖10)繪制不同施工工況下墻體測斜曲線的變化圖。

圖9 ZQT04號孔變化曲線

圖10 ZQT06號孔變化曲線

從墻體測斜變化曲線圖中可以看出，所列出的墻體測斜孔最終最大累計變化量多數(shù)超出報警值。最大變形值出現(xiàn)在基坑底附近，隨著基坑開挖深度的增加，產(chǎn)生最大位移的位置也隨之下降。在土方開挖期間，墻體位移有明顯增加，但在最后一層土開挖結束至底板澆筑完成期間，墻體深層水平位移量較小。這說明土方開挖導致支護結構受力狀態(tài)發(fā)生改變，原有平衡被打破，支護結構之間進行內力重分配直至達到新的平衡，墻體因此也會發(fā)生明顯的變形，在監(jiān)測期間，此過程應重點關注，以獲得支護結構內力與變形的發(fā)展變化。

另外，圖中測斜曲線在后期變形較大時，不再像前期變形較小時那樣光滑，而是出現(xiàn)突變點，這種現(xiàn)象是否具有普遍性，需要在后續(xù)監(jiān)測過程中總結歸納。

3.7 土體測斜

為了解基坑開挖及降水對坑外深層土體造成的影響，在圍護結構止水帷幕外側1 m左右布置了土體深層水平位移觀測孔。測孔采用預鉆孔然后埋設測斜管的方法布設，同樣以孔底為起算基點。

由于施工影響和破壞，部分監(jiān)測孔監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)，部分工況數(shù)據(jù)缺失。挑選數(shù)據(jù)較為完整的一些測孔為對象繪制土體深層水平位移主要工況下的變形曲線，見圖11、圖12。

圖11 TS05號孔變化曲線

圖12 TS13號孔變化曲線

土體測斜曲線表現(xiàn)出與墻體測斜曲線形態(tài)相似，但也有明顯的區(qū)別。根據(jù)3.4節(jié)坑外土體沉降分析結果，靠近圍護結構土體沉降較小，隨著距離的增加沉降量出現(xiàn)先增加后減小的趨勢，考慮支護結構頂部的水平位移量和土體三維變形形態(tài)，土體測斜孔孔口附近位移量較小，甚至出現(xiàn)負向位移(即背離基坑方向)。

與墻體測斜不同，土體測斜最大值一般出現(xiàn)在基坑底上部1～2 m位置，隨著土層的開挖，最大水平位移位置也逐漸下降。

4 結 論

本文以南京一地鐵車站軟土深基坑為例，介紹了基坑開挖過程中支護體系及周邊巖土體受力變形特點，通過對基坑的圍護墻頂沉降和水平位移、立柱沉降、支撐軸力、墻體測斜及土體測斜監(jiān)測結果分析，可以得出以下結論：

(1) 地下連續(xù)墻呈明顯上抬趨勢，與理論預期不相符合，且兩側連續(xù)墻及連續(xù)墻與支撐立柱之間存在差異沉降，對支撐受力不利，應采取措施控制差異沉降量，減小對支撐和連續(xù)墻本身受力的影響。對于懸掛式止水帷幕，為減小地下連續(xù)墻過量上抬，可合理安排坑內外降水，適當降低坑內外地下水位，以使土體固結壓縮對墻體產(chǎn)生負摩阻，控制墻體上抬。

(2) 支撐軸力一般小于報警值。下層土方開挖將導致墻體變形，應力重新分配，緊鄰的上層支撐軸力隨之增大，此時應重點觀測，適當加密觀測頻率，掌握應力重分配過程中的支撐軸力變化。

(3) 個別墻體測斜累計變形量和變形速率超出報警值，增大支撐預加軸力或增加支撐能夠有效地防止墻體變形持續(xù)快速發(fā)展。隨著墻體變形發(fā)展，其變形曲線可能不像理論預期那樣光滑。部分土體測斜數(shù)據(jù)在孔口附近表現(xiàn)為背離基坑位移，應與測斜管和坑外土體沉降槽的相對位置有關。