營(yíng)業(yè)線多臺(tái)階坑中坑式軟土深基坑變形研究

張學(xué)橋

（中鐵十七局集團(tuán)上海軌道交通工程有限公司 上海 200135）

1 工程概述

寧波處于我國(guó)的東部沿海，普遍分布著較厚的濱海相軟土，構(gòu)成主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土與淤泥質(zhì)黏土，為典型的海綿結(jié)構(gòu)和層理結(jié)構(gòu)；淤泥質(zhì)土具有高含水量、高壓縮性、強(qiáng)度低，流變、觸變性大等特點(diǎn)，基坑穩(wěn)定性差，基坑開挖過程容易產(chǎn)生不均勻沉降和變形大等問題［1］。

寧波站改建工程位于寧波市海曙區(qū)老城范圍內(nèi)的原鐵路營(yíng)業(yè)線站場(chǎng)內(nèi)，為鐵路站房與寧波地鐵2號(hào)線寧波火車站一體化共建項(xiàng)目，建筑總面積13.36萬m2；地上和地下共六層，地上三層為站房，地下一層為南北廣場(chǎng)連接通道，地下二、三層為地鐵車站，車站北側(cè)為寧波地鐵4號(hào)線換乘車站。寧波站建成后將形成集鐵路、地鐵、出租車、公交車等多種市政交通設(shè)施“零換乘”的一體化大型綜合交通樞紐，總平面圖詳見圖1。

圖1 寧波站總平面示意

深基坑長(zhǎng)265m，最寬處123.5m，主基坑寬75 m，開挖深度24 m，南北廣場(chǎng)基坑、地鐵4號(hào)線換乘站基坑均同期實(shí)施，鐵路營(yíng)業(yè)線運(yùn)營(yíng)首次采用鋼格構(gòu)柱梁板式便橋橫跨深基坑［2-4］，深基坑也首次采用了多步臺(tái)階式放坡，配合攪拌樁、灌注樁、地下連續(xù)墻等多種圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，實(shí)現(xiàn)了營(yíng)業(yè)線內(nèi)淤泥質(zhì)坑中坑軟土綜合深基坑施工的新形式，解決了大型樞紐型車站一體化建設(shè)的難題。本文通過基坑變形的理論數(shù)據(jù)和基坑施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，分析其差異性，對(duì)營(yíng)業(yè)線內(nèi)大型一體化的淤泥質(zhì)軟土深基坑的設(shè)計(jì)和施工具有較大的指導(dǎo)和借鑒意義。

2 工程地質(zhì)及周邊環(huán)境

2.1 工程地質(zhì)條件

主要地質(zhì)詳見圖2。

圖2 深基坑工程地質(zhì)橫剖面圖

2.2 水文地質(zhì)條件

（1）孔隙潛水

賦存于表部填土和黏土、淤泥質(zhì)土層中，水量較大，滲透系數(shù)在1.0×10-8～4.07×10-9m／s之間，埋深為0.9～1.2 m，變幅0.5～1.0 m之間，標(biāo)高約2.10 m。

（2）孔隙承壓水

承壓含水層主要賦存于③1層粉質(zhì)黏土層、⑥2層砂質(zhì)粉土層和⑧層粉砂、細(xì)砂層中。

③1層粉質(zhì)黏土及⑥2層砂質(zhì)粉土中，為微承壓含水層，③1層埋深12～17.6 m，⑥2層埋深37.5～45.4 m，水量相對(duì)較小，單井出水量在6～10 m3／d；砂質(zhì)較純、厚度較大的地段出水量相對(duì)較大，承壓水頭為地表以下1.8～2.5 m左右，滲透系數(shù)在4.2×10-8～1.5×10-6m／s，地下水基本不動(dòng)。

⑧層粉砂、細(xì)砂層，水量豐富透水性好，為第一承壓含水層，最淺埋深51m，單井開采量500～1 000m3／d，平均滲透系數(shù)約3.53×10-4m／s，含水層頂板埋深一般為48.0～55.0 m左右，含水層厚度10～18 m，層位穩(wěn)定，基本不流動(dòng)，承壓水頭為地表下4.5～4.8 m。

2.3 周邊環(huán)境

基坑南側(cè)緊鄰尹江路，道路下順道路方向有煤氣、雨水、通訊、污水、供水等多條管線；距離基坑約85 m的東南角，有榮安世家兩棟高層建筑；基坑正上方為寧波站既有站場(chǎng)，施工期間要保證橫跨基坑的上下行兩條杭深線鐵路正常運(yùn)營(yíng)。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、受力分析及檢算

3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式

基坑的主要圍護(hù)形式見表1，基坑總平面詳見圖3，標(biāo)準(zhǔn)段橫剖面見圖4，鋼筋混凝土內(nèi)支撐見圖5～圖7。

圖3 深基坑總平面示意

表1 深基坑主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式統(tǒng)計(jì)_

圖4 標(biāo)準(zhǔn)段橫剖面圖（單位：m）

圖5 第一道鋼筋混凝土內(nèi)支撐平面圖

圖6 第二、三道鋼筋混凝土內(nèi)支撐平面圖

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析與檢算

（1）基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)地質(zhì)勘查資料，利用圓弧滑動(dòng)理論、庫(kù)倫土壓力理論等對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體穩(wěn)定、抗隆起、抗傾覆、抗管涌驗(yàn)算［5-7］，見表 2。

圖7 第四道內(nèi)支撐平面圖（僅南端頭）

_表2_基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性檢算

（2）考慮時(shí)空效應(yīng)的桿系有限元計(jì)算地下連續(xù)墻內(nèi)力、變形

圍護(hù)施工階段沿基坑周邊取單位長(zhǎng)度采用桿系有限元法計(jì)算，地層的被動(dòng)抗力采用彈性鏈桿代替，地層對(duì)墻體作用考慮時(shí)空效應(yīng)的等效彈簧進(jìn)行模擬，考慮各施工階段施工參數(shù)變化、墻體位移的影響，須滿足強(qiáng)度及變形控制的安全穩(wěn)定性要求。

開挖階段計(jì)入結(jié)構(gòu)的先期位移值以及支撐的變形，按“先變形、后支撐”的進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并計(jì)算內(nèi)部結(jié)構(gòu)回筑階段的內(nèi)力組合，最終的位移及內(nèi)力值是各階段之累計(jì)值［8-12］。

土壓力計(jì)算理論采用朗金土壓力理論，c、φ值取峰值，并采用水土分算；地面超載取為20 kN／m2，計(jì)算結(jié)果見表3。

_表3 基坑圍護(hù)墻體位移及彎矩理論計(jì)算數(shù)據(jù)

（3）支撐體系平面框架計(jì)算

支護(hù)體系形成后，將圍檁、支撐視作平面框架，支撐與圍檁、支撐與支撐的連接視作剛性連接，立柱作為支撐梁的連桿支座。平面框架的圍檁在水平面內(nèi)均布荷載作用下，計(jì)算出支撐和圍檁內(nèi)力［13］，這里只對(duì)比支撐軸力，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4_支撐軸力的理論計(jì)算結(jié)果

（4）基坑開挖及降水對(duì)周邊環(huán)境的影響

采用了平面彈塑性有限元分析方法，土體采用Mohr-Coulomb（M-C）材料模式用來模擬，圍護(hù)體及地鐵車站通過輸入等效的EI及EA等參數(shù)來模擬力學(xué)特性，并通過輸入合理的接觸面參數(shù)來模擬結(jié)構(gòu)物與土體的接觸非線性［14-15］；根據(jù)基坑內(nèi)微承壓水層降壓影響計(jì)算周邊地面沉降，計(jì)算結(jié)果見表5。

_表5_開挖及降水對(duì)周邊環(huán)境變_形的理論計(jì)算

4 變形監(jiān)測(cè)的實(shí)測(cè)值和理論值的對(duì)比分析

通過研究各項(xiàng)變形監(jiān)測(cè)的實(shí)測(cè)值和理論值的對(duì)比，下面對(duì)寧波站軟土基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性能、周邊環(huán)境的影響等進(jìn)行分析。

4.1 支撐軸力數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

深基坑內(nèi)鋼筋混凝土支撐軸力對(duì)比見表6。

表6_支撐軸力實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比 kN

（1）第一層支撐實(shí)測(cè)值只達(dá)到了報(bào)警值的70%，其它各層實(shí)測(cè)值未超過報(bào)警值的50%，與允許軸力差距更大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)偏安全。

（2）支撐軸力實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)小于計(jì)算值，分析其主要原因如下：

一是在第二層土開挖之前，由于基坑邊坡區(qū)域的水泥攪拌樁與土體的化學(xué)作用以及疏干井的降水疏干作用，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)附近土體的物理力學(xué)性能發(fā)生了變化，土體強(qiáng)度得到很大提高，這也就使實(shí)際作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)背面的主動(dòng)土壓力比采用原狀土參數(shù)計(jì)算的主動(dòng)土壓力小很多；

二是在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)，有攪拌樁加固的重力壩，有大量的工程樁約束土體變形，這在理論計(jì)算時(shí)并未計(jì)入。

4.2 圍護(hù)墻的水平位移數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

實(shí)測(cè)值取最大值，理論值采用理正深基坑和同濟(jì)啟明星軟件分別計(jì)算，報(bào)警值采用設(shè)計(jì)提供的報(bào)警值，對(duì)比見表7。

_表7_水平位移_實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比

（1）各段圍護(hù)墻的水平位移都接近和達(dá)到了報(bào)警值，理正深基坑在10 m開挖深度內(nèi)的算值偏小，同濟(jì)啟明星在開挖深度超過10 m后算值偏小。

（2）圍護(hù)墻位移隨開挖深度增大而增大，一般呈現(xiàn)出兩頭小，中間大的“鼓肚子”特點(diǎn)，這種變形規(guī)律與支撐軸力大小情況吻合。

（3）基坑水平位移實(shí)際變形數(shù)據(jù)和理論計(jì)算基本相符，理論計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)墻水平位移偏小，應(yīng)在以后計(jì)算中調(diào)整相關(guān)參數(shù)。

4.3 地表沉降數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

基坑開挖及降水過程中的豎向變形實(shí)測(cè)值和理論值對(duì)比數(shù)據(jù)，見表8。

_表8_開挖及降水豎向變形實(shí)測(cè)值和理論值對(duì)比_

（1）開挖階段，地下連續(xù)墻、鉆孔圍護(hù)樁既受基坑卸載回彈影響，又受坑內(nèi)承壓水層降壓影響，兩種勢(shì)力相互抵消，表現(xiàn)出豎向位移不明顯，有升有降，自始至終絕對(duì)值在15 mm以內(nèi)。

（2）坑外邊坡點(diǎn)下沉明顯，隨著開挖深度增加及基坑承壓水層的降壓進(jìn)行，坑外邊坡沉降從最初9 mm增加21 mm，最后沉降穩(wěn)定在25.4 mm，未超過報(bào)警值。

（3）根據(jù)所監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)距離基坑的不同距離地表沉降數(shù)據(jù)，可得知承壓水降水階段對(duì)周邊地表豎向變形的影響范圍及沉降值較計(jì)算值偏大。

5 主要研究結(jié)論與建議

（1）采用兩級(jí)放坡，鉆孔灌注樁圍護(hù)、地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐作為淤泥質(zhì)軟土綜合深基坑的主要支護(hù)形式，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的受力、位移、地面沉降等變形實(shí)測(cè)值和理論值數(shù)據(jù)對(duì)比分析，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際支撐軸力遠(yuǎn)小于理論報(bào)警值，圍護(hù)墻實(shí)際位移基本和理論計(jì)算相符且未超出報(bào)警值，說明這種圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式在解決營(yíng)業(yè)線內(nèi)大型軟土樞紐型綜合深基坑的施工，是安全可靠的。

（2）通過基坑監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，本工程的重力壩、止水帷幕和降水疏干，起到了提高土體強(qiáng)度的作用，減少了土體作用在圍護(hù)墻上的主動(dòng)土壓力，反映在實(shí)際支撐軸力遠(yuǎn)小于采用原狀土參數(shù)計(jì)算的理論支撐軸力。

（3）通過⑥2微承壓水層降壓對(duì)周邊環(huán)境影響的實(shí)測(cè)值和理論值的對(duì)比，微承壓水層降壓過程中，水位穩(wěn)定，未發(fā)生突涌，地表未因基坑降水而出現(xiàn)大面積、較大的下沉現(xiàn)象。

但在降水過程中，周邊地層豎向沉降變形的實(shí)際范圍比理論計(jì)算的影響范圍廣，建議在類似軟土深基坑工程中注意，通過降壓保證基底不發(fā)生突涌的同時(shí)，要防止降壓過度造成地表大面積下沉而破壞周邊環(huán)境的現(xiàn)象，并針對(duì)在影響范圍內(nèi)的重要的地面建（構(gòu)）筑物要進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)或加密監(jiān)測(cè)。

（4）寧波站軟土深基坑的開挖實(shí)踐，證明本基坑豎向分層，水平面分段、分塊，對(duì)稱、平衡、限時(shí)開挖支撐的開挖方法，符合軟土深基坑開挖支護(hù)的時(shí)空效應(yīng)理論，滿足軟土深基坑的施工需要，對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)和施工有借鑒作用。