長(zhǎng)江漫灘地區(qū)緊鄰文物地鐵車站深基坑變形分析及控制研究

于 程 童祖玲 賴蘇玲

(南京同力建設(shè)集團(tuán)股份有限公司 江蘇南京 210046)

0 引言

城市快速發(fā)展，交通日益完善，給人類生活帶來(lái)了便利，也給各類基坑工程帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)。由于環(huán)境的復(fù)雜化，工程實(shí)施過(guò)程中，土質(zhì)及周邊環(huán)境的影響，成為基坑安全考慮的主要因素之一。南京地鐵站南京西站位于長(zhǎng)江漫灘地區(qū)，車站南側(cè)為南京西站(市級(jí)文物)，地質(zhì)條件差和周邊環(huán)境保護(hù)要求高，成為該工程施工的一大難點(diǎn)。本文根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)其深基坑變形進(jìn)行原因分析，研究總結(jié)其結(jié)構(gòu)變形控制措施，以期對(duì)類似深基坑的設(shè)計(jì)、施工提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

新建地鐵站南京西站為中間站，站臺(tái)是寬度為11 m的島式站臺(tái)，地下兩層雙跨(局部三跨)矩形框架結(jié)構(gòu)，車站標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20.1 m，車站主體結(jié)構(gòu)外包總長(zhǎng)為180 m；頂板覆土約為3.1 m～3.3 m，標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深為16.6 m～16.75 m，端頭井底板埋深為17.6 m～17.9 m，車站共設(shè)置3個(gè)出入口、2個(gè)風(fēng)道和1個(gè)消防疏散通道，1個(gè)預(yù)留出口。車站主體基坑采用明挖順作法施工。主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚度地下連續(xù)墻+水平內(nèi)支撐支護(hù)體系，車站兩端且均為盾構(gòu)接收。

1.2 周邊環(huán)境

該項(xiàng)目位于長(zhǎng)江漫灘地區(qū)，車站南側(cè)為南京西站(市級(jí)文物)，主體結(jié)構(gòu)外皮距其建筑最近約42.3 m，附屬結(jié)構(gòu)外皮距其建筑最近約15.6 m。

1.3 工程地質(zhì)條件

車站地表普遍分布①-1人工填土，往下依次為②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土(混夾粉土、粉砂，層厚18.80 m～32.40 m)、②-4b3粉質(zhì)黏土夾粉砂(混夾粉土、粉砂，層厚約3.50 m～28.20 m)、②-5d1粉砂、粉土(層厚約1.20 m～5.20 m)、④-4e1卵礫石(層厚約5.30 m～16.30 m)，局部揭露④-4d1粉砂層。

結(jié)構(gòu)底板位于地質(zhì)條件較差的②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層(混夾粉土、粉砂)(fak=65 kPa)，如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目地質(zhì)剖面圖

1.4 水文地質(zhì)條件

1.4.1 地表水

車站周邊較大的地表水體為長(zhǎng)江和惠民河。長(zhǎng)江距離廠區(qū)西側(cè)約300 m，惠民河距場(chǎng)區(qū)西側(cè)約40 m。長(zhǎng)江距場(chǎng)區(qū)較遠(yuǎn)，對(duì)本項(xiàng)目影響不大?；菝窈泳鄨?chǎng)區(qū)稍遠(yuǎn)，地表水與孔隙潛水聯(lián)系密切，對(duì)基坑降水有一定影響。

1.4.2 地下水

(1)孔隙潛水

孔隙潛水近地表分布，主要賦存于淺部①層人工填土。①層成分復(fù)雜，極不均勻，其透水性較好、賦水性較差；該含水層水位埋深主要受大氣降水控制。

(2)承壓水

承壓水主要賦存于深部②層粉砂、細(xì)砂中。透水性、賦水性均較好，與潛水的隔水層為微～弱透水的②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂，埋藏較深，一般在50 m以下，具承壓性，含水層底板為下伏基巖。

(3)地表水及各含水層之間的水力聯(lián)系潛水與承壓水之間水力聯(lián)系微弱。

2 基坑設(shè)計(jì)

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

車站基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻,標(biāo)準(zhǔn)段墻深36.7 m，最大墻深39.5 m。接頭形式：工字鋼剛性接頭；車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)依次穿越①1雜填土、②1素填土、②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、②-4b3粉質(zhì)粘土夾粉砂。

2.2 水平支撐體系

第一道采用鋼筋混凝土支撐：截面尺寸為800 mm×1000 mm；第二道及以下采用φ609，t=16 mm鋼管支撐，如圖2所示。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)斷面圖

2.3 地基加固

該工程位于長(zhǎng)江漫灘地區(qū)，且該車站結(jié)構(gòu)底板位于地質(zhì)條件較差的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，該土層強(qiáng)度低、壓縮性高，對(duì)地連墻變形的控制不利，因此設(shè)置合理的加固措施是有效途徑之一。

車站主體基坑內(nèi)設(shè)置雙軸攪拌樁抽條+裙邊基底加固(抽條寬度3 m，間距3 m，裙邊寬度3 m)，加固深度均為3 m，雙軸攪拌樁采用φ700@500×500矩形布置，雙軸攪拌樁裙邊加固與地下連續(xù)墻間設(shè)一圈φ800@600三重管旋噴樁。

2.4 模擬計(jì)算

根據(jù)下關(guān)火車站與南京西站相對(duì)位置關(guān)系，采用FLAC3D建立模型如圖3(a)所示，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析。由于巖土材料物理力學(xué)特性的隨機(jī)性和復(fù)雜性，要完全模擬巖土材料的力學(xué)性能，嚴(yán)格按照實(shí)際的施工步驟進(jìn)行數(shù)值模擬困難。在建模和計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)考慮主要因素，忽略次要因素，結(jié)合具體問(wèn)題進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化[1]。

2.4.1 計(jì)算模型

本次計(jì)算建立二維與三維有限元模型進(jìn)行計(jì)算，采用FLAC3D模擬1號(hào)風(fēng)道基坑開挖對(duì)下關(guān)火車站主體建筑的影響，考慮按基坑工程實(shí)際的開挖中加撐與換撐順序進(jìn)行模擬。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇典型斷面計(jì)算，模型寬、高分別為101 mm×45 mm，共5726個(gè)單元，8967個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖3(b)所示。

(a)有限元幾何模型 (b)有限元模型圖3 計(jì)算模型圖

2.4.2 計(jì)算結(jié)果

從圖4～圖7可知，基坑的開挖，將使建筑產(chǎn)生水平位移和豎向沉降，靠近基坑側(cè)的位移和沉降值最大。計(jì)算得到，最大水平位移值為2.2 mm，最大豎向位移4.35 mm。根據(jù)房屋豎向沉降值，可算得建筑傾斜值為0.0004%。可見，建筑的變形和差異沉降均滿足建筑保護(hù)控制值要求。

圖4 基坑開挖產(chǎn)生水平位移

圖5 基坑開挖產(chǎn)生建筑水平位移

圖6 基坑開挖產(chǎn)生的豎向位移

圖7 基坑開挖產(chǎn)生建筑豎向位移

3 基坑變形監(jiān)測(cè)

施工過(guò)程中，應(yīng)對(duì)基坑及周邊建筑物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文主要對(duì)一期主體基坑的變形進(jìn)行分析，一期主體基坑的監(jiān)測(cè)平面布置圖如圖8所示。開挖過(guò)程中及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)基坑變形較大，監(jiān)測(cè)預(yù)警點(diǎn)位較多，預(yù)警情況如表1所示。

表1 一期主體基坑監(jiān)測(cè)預(yù)警統(tǒng)計(jì)表

圖8 一期主體基坑監(jiān)測(cè)平面布置圖

監(jiān)測(cè)所得圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移最大累計(jì)變形為173.09 mm，位于深度22.5 m處，基坑西側(cè)7-8軸之間；周邊地表沉降，最大累計(jì)沉降變形為-152.3 mm，位于基坑西側(cè)7-8軸之間；周邊建筑物沉降最大累計(jì)沉降變形為-23.5 mm；立柱樁沉降最大累計(jì)變形為38.00 mm，位于基坑西側(cè)2軸附近。

4 基坑變形原因分析

4.1 地質(zhì)條件

基坑所在位置地質(zhì)條件主要為軟土。軟土的物理特性是具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低、滲透系數(shù)小。工程特征則表現(xiàn)為觸變性、流變性、高壓縮性、高靈敏度、低透水性及不均勻性等，這些特性對(duì)軟土基坑工程的主要影響有：

(1)觸變性：結(jié)合樁體深層水平位移數(shù)據(jù)來(lái)看，地連墻最大變形深度均在開挖面以下4 m～5 m左右，如圖9所示。

圖9 最大變形深度隨支撐條件改變的變化

(2)流變性：對(duì)比降水記錄與地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，即使基坑未開挖時(shí)，基坑降水仍會(huì)導(dǎo)致地表沉降數(shù)值緩慢增長(zhǎng)。

(3)高壓縮性：軟土屬高壓縮性土，軟土的壓縮系數(shù)a1- 2>0.5MPa-1，極易因其體積的壓縮而導(dǎo)致地面和基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)沉降。

(4)低透水性：因其透水性弱和富水性強(qiáng)，對(duì)地基排水固結(jié)不利，不僅影響地基強(qiáng)度，同時(shí)也延長(zhǎng)了地基趨于穩(wěn)定的沉降時(shí)間。車站一期共設(shè)置10口疏干井，計(jì)算理論日均單井降水可達(dá)5.7 m3，實(shí)際日均單井降水僅未1.2 m3，疏干效果較差，土體固結(jié)較慢。

(5)低強(qiáng)度和不均勻性：軟土地基強(qiáng)度很低，且極易出現(xiàn)不均勻沉降。從地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，基坑南側(cè)地表沉降值普遍小于基坑北側(cè)同斷面地表沉降值(施工機(jī)械及重載車量均在基坑南側(cè)作業(yè))。

4.2 支撐預(yù)應(yīng)力損失

鋼支撐按設(shè)計(jì)值預(yù)加軸力后，從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可看出，其軸力損失較大。日最大損失量可達(dá)預(yù)加軸力的31.7%，復(fù)加軸力后軸力仍會(huì)有較大損失。反復(fù)復(fù)加軸力4～5次，方可大致保持鋼支撐軸力損失量較小，如圖10所示。

圖10 鋼支撐軸力大小變化

4.3 不同的挖撐體系形成次序

通?？蓪⑼趽未涡蚍譃橄葥魏笸诤拖韧诤髶蝺煞N過(guò)程。顯然，前者對(duì)基坑的約束作用更強(qiáng),基坑的變形更小。然而在實(shí)際施工過(guò)程中，由于鋼支撐豎向軸心間距僅3 m，凈距僅2.31 m，機(jī)械作業(yè)幾乎無(wú)法做到先撐后挖，導(dǎo)致開挖面無(wú)支撐，暴露時(shí)間增大。

4.4 基坑暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)

車站一期主體基坑于2019年11月5日開挖，受環(huán)保揚(yáng)塵管控、春節(jié)假期及疫情影響，于2020年8月1日完成一期基坑封底。基坑暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也是導(dǎo)致基坑變形量大的重要原因。

5 采取措施及實(shí)施效果

針對(duì)上述變形過(guò)大的原因分析，有針對(duì)性采取改善措施，將監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)控制在合理范圍之內(nèi)，具體詳見下文。

5.1 加強(qiáng)管理基坑降水與排水

根據(jù)軟土的工程特性，合理采取相應(yīng)改善措施。由于軟土具有流變性及低透水性特點(diǎn)，故不宜過(guò)早進(jìn)行降水作業(yè)，否則會(huì)導(dǎo)致為開挖區(qū)域土體緩慢積累應(yīng)力，稍受外力擾動(dòng)其變形值即快速增長(zhǎng)。車站一期原方案共設(shè)置10口疏干井，起到的疏干效果卻較差，土體固結(jié)較慢。故軟土基坑降水應(yīng)以明排為主，對(duì)開挖到的區(qū)域進(jìn)行降水作業(yè)，僅需在開挖過(guò)程中保證開挖區(qū)域土的含水率不過(guò)大即可，以減小變形，減少對(duì)周邊環(huán)境的影響。

5.2 優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)體系

為減少鋼支撐預(yù)應(yīng)力軸力的損失，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行優(yōu)化。如能在基坑變形前使坑外土壓力與支撐軸力達(dá)到平衡，基坑變形就可以得到有效控制，而鋼支撐伺服系統(tǒng)正好能做到這一點(diǎn)[2]。

鋼支撐預(yù)加軸力設(shè)計(jì)值根據(jù)坑外土壓力和坑內(nèi)抗力平衡計(jì)算出來(lái)，預(yù)加軸力按照設(shè)計(jì)值的50%～70%施加。但按照預(yù)加軸力，并不能較好控制基坑變形，主要原因是預(yù)加軸力與坑外土壓力不相等，不能達(dá)到上撐即能控制變形的效果。所以，較為合理的方式是預(yù)加軸力取設(shè)計(jì)值的100%。由于目前規(guī)范規(guī)定的土壓力計(jì)算模型采用主動(dòng)土壓力公式，而使用伺服系統(tǒng)后，基坑變形受到嚴(yán)格控制，土壓力可能介于主動(dòng)土壓力和靜止土壓力之間。所以綜合考慮，預(yù)加軸力不小于設(shè)計(jì)值的100%，可以把100%設(shè)計(jì)值設(shè)定為壓力下限。為了最大限度地發(fā)揮支撐的作用，應(yīng)該將支撐承載力極限作為壓力上限，通過(guò)伺服系統(tǒng)保證支撐安全[3]。

車站一期主體基坑11-13軸局部采用鋼支撐伺服系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)比地連墻深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出，采用伺服系統(tǒng)段落地連墻深層位移，最大值僅為未使用區(qū)域1/3左右，且地連墻變形形式與未使用伺服區(qū)域有較大區(qū)別。圖11為對(duì)鋼支撐區(qū)域地連墻和伺服區(qū)域地連墻最大變形處監(jiān)測(cè)情況統(tǒng)計(jì)，可看出地連墻在鋼支撐伺服系統(tǒng)作用下，成剛性變化，在普通鋼支撐作用下成彈性變化[4]。

(a)鋼支撐區(qū)域地連墻最大變形處監(jiān)測(cè)情況 (b)伺服區(qū)域地連墻最大變形處監(jiān)測(cè)情況圖11 地連墻變形形式監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

從以上對(duì)比分析可以看出，鋼支撐伺服系統(tǒng)能夠有效發(fā)揮鋼支撐的支護(hù)作用，減小預(yù)應(yīng)力損失，從而達(dá)到減小基坑變形的作用。

5.3 合理安排開挖順序

在安排挖土順序時(shí)，首先要按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐的布置情況分層開挖，其次尚需分區(qū)開挖。同樣，分層分塊的開挖，也會(huì)減小開挖土體的空間幾何體，這就是利用空間效應(yīng)減小基坑的變形。當(dāng)一個(gè)區(qū)段的土方挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，應(yīng)立即安裝支撐，以縮短無(wú)支撐的暴露時(shí)間，減少時(shí)間效應(yīng)對(duì)位移的影響。

如圖12所示的分層分段放坡開挖形式與整層開挖比，開挖面無(wú)支護(hù)暴露時(shí)間可大幅度縮短。故在本工程中，合理設(shè)置分層分段開挖，并及時(shí)支護(hù)，減少開挖面無(wú)支護(hù)的暴露時(shí)間，以減小基坑變形。

圖12 基坑分層分段放坡開挖示意圖

通過(guò)各項(xiàng)對(duì)策實(shí)施，在一期基坑開挖過(guò)程中，下關(guān)火車站沉降觀測(cè)、測(cè)斜觀測(cè)數(shù)值均在設(shè)計(jì)單位給定的控制值內(nèi)。

6 結(jié)論

軟土層基坑在復(fù)雜環(huán)境條件下施工，結(jié)構(gòu)變形的控制是保證基坑安全穩(wěn)定的基本。本工程通過(guò)各項(xiàng)對(duì)策實(shí)施，在一期基坑開挖過(guò)程中，下關(guān)火車站沉降觀測(cè)、測(cè)斜觀測(cè)數(shù)值均在設(shè)計(jì)單位給定的控制值內(nèi)。本文通過(guò)對(duì)南京西站軟土層深基坑的變形，進(jìn)行原因分析與控制措施總結(jié)，得出以下結(jié)論：

(1)由于軟土的流變性及低透水性，不宜過(guò)早進(jìn)行降水作業(yè)。應(yīng)以減少積累應(yīng)力，基坑降水應(yīng)以明排為主，對(duì)開挖到的區(qū)域進(jìn)行降水作業(yè)，僅需在開挖過(guò)程中保證開挖區(qū)域土體滿足開挖條件即可。

(2)鋼支撐伺服系統(tǒng)能夠有效發(fā)揮鋼支撐的支護(hù)作用，基坑深層位移最大值僅為普通鋼支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的1/3左右，對(duì)減小支護(hù)結(jié)構(gòu)及鄰近建筑物的變形具有顯著效果。

(3)合理設(shè)置分層分段開挖，并及時(shí)支護(hù)，減少基坑暴露時(shí)間，即減少時(shí)間效應(yīng)，充分發(fā)揮空間效應(yīng)，對(duì)于減小支護(hù)結(jié)構(gòu)變形起到關(guān)鍵作用。