高靈敏性軟土深基坑變形影響因素分析及控制措施

劉志波

（中鐵十四局集團第四工程有限公司 山東濟南 250002）

1 工程概況

1.1 仇畢車站深基坑介紹

仇畢站為地下四層島式車站，雙柱三跨矩形框架結(jié)構(gòu)，車站采用明挖順作法施工［1］。車站基坑長187.875 m，標準段基坑寬23.20 m，開挖深度27.55 m，南（北）盾構(gòu)端頭井基坑深29.3 m（29.69 m）。車站圍護結(jié)構(gòu)均采用1 200 mm厚、56.7 m深地下連續(xù)墻。標準段共設(shè)八道支撐，第一、六道為鋼筋混凝土支撐，其余為鋼支撐（第二、三道直徑為609 mm，第四、五、七、八道為800 mm）；南（北）盾構(gòu)井共設(shè)九道支撐，第一、六道為鋼筋混凝土支撐，其余為鋼支撐（第二、三道直徑為609 mm，第四、五、七、八、九道為800 mm）。

1.2 周邊環(huán)境情況

（1）周邊管線

根據(jù)《寧波市軌道交通3號線一期工程管線詳查交底記錄》［2］及《寧波市軌道交通3號線一期工程管線詳查成果及說明》，車站基坑范圍內(nèi)不存在管線，周邊存在電力、給水、通訊管線。

（2）周邊建筑物

車站南側(cè)有欣興別克4S店兩層框架房屋，車站西側(cè)有寧波世紀汽車城停車場、寧波現(xiàn)代機電物資市場四層框架房屋、現(xiàn)代商城六層框架房屋。

2 軟土深基坑變形分類

軟土深基坑變形主要分為以下三類：圍護結(jié)構(gòu)墻體變形、坑底土體隆起、基坑周圍地表沉降。

圍護結(jié)構(gòu)墻體的變形分為墻體水平變形和豎向變形。水平變形是在基坑開挖初期，支撐結(jié)構(gòu)還未施工，墻體產(chǎn)生水平位移，且頂端位移最大；當開挖深度達到一定程度施作內(nèi)撐后，剛性和柔性墻體的位移變形程度有所區(qū)別，其中剛性墻體向基坑內(nèi)側(cè)產(chǎn)生變形，而柔性墻體在支撐處產(chǎn)生向基坑外的變形趨勢，此時墻體腹部往往向基坑內(nèi)部突出明顯，而墻頂位移幾乎不產(chǎn)生變化。豎向變形是因為在土體開挖過程中，土體自重應力釋放致使圍護結(jié)構(gòu)墻體發(fā)生上移［3］，這種上移不僅嚴重威脅到基坑的安全與穩(wěn)定，同時還影響到基坑周圍的地表沉降以及圍護結(jié)構(gòu)自身的穩(wěn)定性，尤其是處于飽和軟弱地層當中的基坑工程，影響尤為突出。

基坑坑底隆起是因為基坑開挖過程即是基坑開挖面上卸載的過程，基坑上部約束已缺失，造成基坑底發(fā)生回彈。對于深基坑而言，由于基坑圍護結(jié)構(gòu)承受巨大的主動土壓力，導致基坑墻體受土壓力作用向坑內(nèi)變形，致使基坑底土體向上回彈，發(fā)生隆起。

3 監(jiān)測內(nèi)容與監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測范圍及項目

為了更好地控制三類變形的影響，采用監(jiān)測手段及時了解變形信息，以便調(diào)整施工方案。

在基坑施工區(qū)域周圍3倍基坑開挖深度范圍內(nèi)以基坑圍護施工和開挖施工為監(jiān)測工作的重點階段，并根據(jù)施工工況，適當加密監(jiān)測頻率［4］。根據(jù)規(guī)范及設(shè)計要求，本次施工監(jiān)測內(nèi)容見表1。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)概況

監(jiān)測工作于施工進場開始，至工程施工完畢，監(jiān)測工作結(jié)束。各監(jiān)測項目的監(jiān)測情況如下：

（1）房屋沉降：百隆街商鋪沉降最大監(jiān)測點為Jc8（－45.3 mm）、Jc7（－43.0 mm），雪佛蘭職工宿舍平均沉降在30 mm左右，距離基坑最遠的別克維修車間沉降在4～7 mm范圍。

（2）管線沉降：燃氣管線最大沉降點為Mc6（－221.5 mm），污水管線最大沉降點為Wc6（－116.5 mm）。

（3）地表沉降：受場內(nèi)施工荷載影響，地表累計沉降較大，最大沉降點為D6-3（－259.3 mm），距離基坑約10 m。

（4）墻體位移：本工程墻體位移監(jiān)測點共20個，有7個測點累計位移量超過80 mm，主要分布在基坑標準段。最大位移點為CX13，位于基坑南側(cè)，累計位移量為97.81 mm。其他測點累計位移在50～80 mm之間，變化不大。綜合各測斜孔監(jiān)測情況，基坑南側(cè)測斜累計變量大于北側(cè)測斜累計變量。

（5）工后沉降：本工程工后沉降監(jiān)測點共19個，累計最大沉降量為－5.38 mm（測點Jc9），最后100 d最大沉降速率為－0.016 mm/d，基坑穩(wěn)定，滿足停測標準［5］。

3.3 數(shù)據(jù)分析

選取南（北）端頭井及標準段兩組墻體位移點情況進行數(shù)據(jù)整理，見表2。

表2 墻體位移點變化情況

隨著基坑開挖深度增加，測斜最大變形深度逐步下移，最大變形深度位于基坑開挖深度下2～6 m。基坑開挖至第四層，測斜累計變量臨近報警值，由于第6道支撐為混凝土支撐，基坑變形不大，開挖至第7層～第8層時變形加劇。

根據(jù)CX13監(jiān)測數(shù)據(jù)成果，基坑開挖至第4層，累計最大位移量為36.13 mm；基坑開挖至第5層，累計最大位移量為44.33 mm；基坑開挖至第6層，累計最大位移量為54.33 mm；基坑開挖至第7層，累計最大位移量為67.57 mm，基坑開挖至第8層；累計最大位移量為80.90 mm；底板澆筑完成，累計最大位移量為87.4 mm。墻體變形最大處于第5～8層基坑開挖階段，底板澆筑完成后至今，數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定，變化不大。

坑外地下管線、地表沉降、房屋沉降［6］主要變化在基坑開挖第5層土方～第8層土方期間。基坑開始降承壓水后，變形速率明顯減弱。

針對基坑變形較大區(qū)域，采取了相應的措施，如CX2于5月3日黃色預警，及時澆筑臨時板撐并增設(shè)直撐，控制坑外車輛；在基坑開挖至底層時增設(shè)臨時支撐、加厚底板墊層、澆筑反撐等，合理安排工序，贏得了時間，變形得以控制。

影響基坑變形的因素可概括為：（1）寧波地區(qū)土質(zhì)特殊性；（2）基坑正常開挖引起的墻體變形；（3）地下水；（4）基坑周邊為施工便道，坑外動載；（5）無支撐暴露時間過長，支撐預應力損失導致支撐受力不夠。

4 基坑變形控制措施

（1）土體加固

寧波地鐵3號線典型的寧波高靈敏性軟土土質(zhì)，受擾后易造成水平方向卸荷和垂直方向卸載。為了改變土質(zhì)特殊性，本工程采用三軸攪拌樁抽條方式對軟土摻入8%水泥使土體固結(jié)。通過增加土體強度能有效提高土體的側(cè)向抗力，減少土體壓縮和圍護墻的位移，以保證工程結(jié)構(gòu)不致發(fā)生超過允許值的位移［7］。

（2）內(nèi)支撐豎向間距

適當減小內(nèi)支撐的豎向間距不僅能增加墻體相對剛度［8］，而且能縮短無支撐暴露時間。本工程南北端頭最下層土方開挖時，存在2 m的下臥區(qū)間，在此區(qū)間將鋼支撐間距調(diào)至2.6 m，上筑結(jié)構(gòu)時采用換撐處理，有效控制了端頭井的角部墻體變形。

（3）利用時空效應土方開挖

土體應力松弛會使土體的位移和應力均隨時間而變化，而在應力水平不變的條件下，應變隨時間增長的特性稱為土的蠕變性。在土體應力較小的情況下蠕變變形很小（主要為彈性蠕變）并且收斂且穩(wěn)定，當土壓力達到或超過彈性蠕變的極限應力水平時，蠕變速率會急劇增大而發(fā)生破壞［9］。

適當減小每步開挖土方的空間尺寸［10］并減少每步開挖土方的無支撐暴露時間，是降低土體應力水平、控制流變位移的有效手段，特別是在無支撐暴露時間小于24 h時效果尤其明顯［11］?？紤]時空效應，科學地利用土體自身控制地層位移的潛力，以解決軟土深基坑穩(wěn)定和變形問題［12］。

在具體施工中，沿縱向按限定長度（6 m）分段、逐段開挖；在每個開挖段中分層，每層先挖中間、再挖兩端；隨挖隨撐，在開挖16 h內(nèi)安裝支撐并施加預應力（設(shè)計軸力的70%）。

（4）及時調(diào)整鋼支撐預加軸力

應加強對鋼支撐軸力的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)軸力流失應及時進行軸力補償。軸力補償復加時，每一幅地下連續(xù)墻上的支撐應同時復加。

鋼支撐安裝后要注意觀察，支承樁相對地下連續(xù)墻的上下浮動會引起支撐拱起彎沉，要及時發(fā)現(xiàn)、及時“松綁”。

下道鋼支撐軸力施加，會導致上道鋼支撐軸力減小，應根據(jù)監(jiān)測單位提供的數(shù)據(jù)補加軸力，直至達到設(shè)計要求。

在施工中要對基坑變形加強監(jiān)測，如因側(cè)壓力造成鋼支撐軸力過大而接近控制值時，必須及時采取相應措施進行處理，如增加支撐等措施，以免鋼支撐撓曲變形過大，對基坑安全造成危害。

（5）加強基坑降水

寧波地鐵3號線根據(jù)實際承壓水層深度與基坑底板標高，按照基坑底板抗突涌穩(wěn)定驗算要求進行分區(qū)段、按需降水。

在降水的同時，為防止四周水位降低導致力學平衡失穩(wěn)，有效應力增加而且水位降落至漏斗范圍內(nèi)，水力梯度增加致使以體積力的形式作用在土體上的滲透力增大［13］，在兩種影響因素下基坑周邊土體產(chǎn)生沉降和變形。為控制工程降水對地面沉降的影響，除了利用圍護結(jié)構(gòu)阻隔地下水的滲流通道、按需降水等方法外，本工程采用地下水回灌作為應對措施?？油馑环€(wěn)定后，受保護建筑物處水位降深5.3 m，開啟兩口回灌井進行壓力回灌后，建筑物處水位降深最終穩(wěn)定在3.0～3.5 m。

5 結(jié)束語

（1）不同土層的參數(shù)變化對基坑變形的敏感性不同，施工中應密切關(guān)注墻體變形最大處，該位置土層參數(shù)對變形影響最大。

（2）選定適合的圍護結(jié)構(gòu)及支撐體系形式，施加預應力，合理布置基坑內(nèi)部支撐間距，對基坑底板或被動土體進行加固都是基坑開挖過程中防止變形的重要措施。

（3）支撐軸力增長速度受基坑開挖深度影響，開挖較淺時，軸力增長較緩慢，在底板墊層砼澆筑后，軸力逐漸趨向穩(wěn)定狀態(tài)。

（4）隨基坑開挖深度增加，周圍地表沉降值隨之增大。由基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，基坑最大沉降點與基坑邊緣有一定的距離，而不是在基坑邊上。

（5）基坑的第一道支撐對于墻體頂端水平位移控制起關(guān)鍵作用。深大基坑一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)加鋼支撐作為圍護結(jié)構(gòu)，鋼支撐預加軸力對控制墻體變形作用重大。