軟土地區(qū)復(fù)雜環(huán)境條件地鐵車站深基坑圍護(hù)變形控制方法

成 杰（上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200002）

伴隨城市軌道交通的日益發(fā)展，城市地鐵工程項(xiàng)目愈發(fā)增多。以上海軟土地區(qū)為例，很多項(xiàng)目往往位于城市中心區(qū)，周邊環(huán)境復(fù)雜，地鐵深基坑施工過(guò)程中對(duì)控制基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的要求較高，倘若管控不當(dāng)便會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成嚴(yán)重后果。目前，存在許多針對(duì)深基坑施工過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制的研究分析。劉建航等人[1-2]提出的“時(shí)空效應(yīng)”為基坑開(kāi)挖施工控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形提供了重要的理論指導(dǎo)，即要求做好土方開(kāi)挖施工工序的優(yōu)化并且做好土方開(kāi)挖與支撐安裝工序之間的銜接，縮短無(wú)支撐暴露的時(shí)間。但是在高含水率、高流變性、高靈敏度、低強(qiáng)度的軟土地區(qū)，僅遵守“時(shí)空效應(yīng)”理論，深基坑周邊環(huán)境保護(hù)問(wèn)題仍比較嚴(yán)峻。

深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制是集加固、開(kāi)挖、支撐架設(shè)等分項(xiàng)過(guò)程的綜合性控制工程[3]。在實(shí)際施工過(guò)程中如何綜合運(yùn)用好各項(xiàng)措施以更好地控制深基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形，目前依托工程實(shí)例的研究分析并不多，本文詳細(xì)介紹了上海軟土地區(qū)復(fù)雜環(huán)境條件下某地鐵車站深基坑所采取的一系列控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的相關(guān)措施及其相關(guān)特征。

1 工程概況

上海地鐵某地下三層雙柱三跨車站，車站主體規(guī)模為174 m × 21.6 m（內(nèi)凈），端頭井結(jié)構(gòu)總寬度為 25 m（內(nèi)凈）。圍護(hù)形式為地下連續(xù)墻（十字鋼板接頭），深度52 m，厚度 1.2 m。中間設(shè)封堵墻分為南北 2 個(gè)基坑。南側(cè)基坑長(zhǎng) 89.5 m，其中工作井部分長(zhǎng) 15.1 m、寬 26.6 m，開(kāi)挖深度 27.15 m；標(biāo)準(zhǔn)段部分長(zhǎng) 74.4 m、寬 22.8 m（局部25.4 m），開(kāi)挖深度 25.37 m。北側(cè)基坑長(zhǎng) 84.9 m，其中工作井部分長(zhǎng) 15.472 m、寬 26.7 m，開(kāi)挖深度 26.80 m；標(biāo)準(zhǔn)段部分長(zhǎng) 69.428 m、寬 22.800 m，開(kāi)挖深度 25.37 m。車站標(biāo)準(zhǔn)段基坑設(shè)置 6 道撐，1、4 道為混凝土支撐，2、3、5、6 道為鋼支撐，端頭井基坑設(shè)置 7 道撐，1、4 道為混凝土支撐，2、3、5、6、7 道為鋼支撐。

該車站主體基坑安全等級(jí)為一級(jí)，環(huán)境等級(jí)一級(jí)，要求圍護(hù)最大水平位移 ≤0.14% 開(kāi)挖深度。周邊老舊居民區(qū)及管線多且距離基坑近，基坑施工對(duì)周邊保護(hù)要求高；另外，上海軟土地區(qū)高含水率、高流變性、高靈敏度、高孔隙比、低強(qiáng)度的特性增加了基坑施工的潛在風(fēng)險(xiǎn)，特別是基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)存在 ③j、⑤1t 和 ⑤2a 等粉土層，滲透性較強(qiáng)，在一定水動(dòng)力條件下易產(chǎn)生流砂、管涌等現(xiàn)象對(duì)施工有一定影響。

2 基坑開(kāi)挖階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的主要影響因素

根據(jù)本工程所處的場(chǎng)地地質(zhì)條件、相關(guān)力學(xué)特性等分析，主要的影響因素有以下幾點(diǎn)。

（1）軟土地區(qū)地質(zhì)條件下施工。上海是典型的軟土地區(qū)，在地面下普遍分布有厚層軟粘性土，其具有高含水率、高靈敏度、高孔隙比、低強(qiáng)度等不良工程地質(zhì)特性，受擾動(dòng)易發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，進(jìn)而誘發(fā)地表變形；而且軟土還有低滲透性、流變性等特點(diǎn)，應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，產(chǎn)生流變，對(duì)基坑開(kāi)挖穩(wěn)定性影響較大。

（2）基坑開(kāi)挖被動(dòng)區(qū)土體卸荷。基坑開(kāi)挖過(guò)程中基坑內(nèi)卸荷產(chǎn)生的荷載差導(dǎo)致坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體受擠壓發(fā)生變形，坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)土體強(qiáng)度越高，被動(dòng)土壓力越大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形越小，反之越大。因此，可以通過(guò)局部坑內(nèi)土體加固、坑內(nèi)降水等措施提高土體強(qiáng)度，進(jìn)而減小基坑開(kāi)挖卸荷引起的圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形。

（3）基坑開(kāi)挖過(guò)程中無(wú)支撐暴露的時(shí)間。因軟土具有高流變性，在土方開(kāi)挖后，若支撐未及時(shí)架設(shè)，則基坑坑底土體將隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而發(fā)生側(cè)向變形。側(cè)向變形的大小與土方開(kāi)挖引起的被動(dòng)區(qū)土體所受荷載大小以及時(shí)間長(zhǎng)短有關(guān)。在支撐架設(shè)前，土方開(kāi)挖引起的卸荷大小無(wú)法改變，需充分利用時(shí)空效應(yīng)，優(yōu)化施工工藝，減少無(wú)支撐暴露的時(shí)間，即要求每塊土方開(kāi)挖完成后盡快完成支撐架設(shè)并施加相應(yīng)的軸力以減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形。當(dāng)由于工藝需要無(wú)法及時(shí)架設(shè)支撐或相應(yīng)的軸力無(wú)法及時(shí)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求時(shí)，則需另外采取措施減小坑內(nèi)外荷載差。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形綜合控制措施

3.1 Ⅰ 期南側(cè)基坑開(kāi)挖階段變形控制措施

（1）根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃安排，2019 年春節(jié)前Ⅰ期南側(cè)基坑開(kāi)挖至第四道混凝土支撐位置，而后跨越 2019 年春節(jié)后繼續(xù)向下開(kāi)挖?？紤]設(shè)計(jì)支撐間距（縱向）、周邊環(huán)境敏感性、基坑暴露時(shí)間及基坑總體變形量指標(biāo)控制，遂決定采用第二、三道鋼支撐由普通φ609 鋼支撐調(diào)整增加應(yīng)力伺服系統(tǒng)，以進(jìn)一步控制基坑變形。

（2）Ⅰ 期南側(cè)基坑在開(kāi)挖第一層土方時(shí)，考慮到該基坑設(shè)計(jì)第一至第二道鋼支撐間距較大，達(dá)到 5.5 m，另外考慮到開(kāi)挖安裝支撐需求，開(kāi)挖深度需達(dá)到 6.0 m，單層開(kāi)挖深度大、無(wú)支撐暴露時(shí)間長(zhǎng)，非常不利于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制。經(jīng)參建各方討論決定，開(kāi)挖該層土方時(shí)，以分 2 層進(jìn)行開(kāi)挖，即第一倉(cāng)至第二倉(cāng)第一層開(kāi)挖 3.5 m，后進(jìn)行第一倉(cāng)第二層開(kāi)挖至支撐安裝位置，后進(jìn)行支撐安裝加載，同時(shí)配合支撐應(yīng)力伺服系統(tǒng)使用達(dá)到基坑暴露時(shí)間縮短及圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形量小的效果。

（3）Ⅰ期南側(cè)基坑在開(kāi)挖第四層土方時(shí)，考慮到第四道混凝土支撐形成支撐力時(shí)間長(zhǎng)，除設(shè)計(jì)要求在第四道混凝土支撐下采取抽條加固措施外，再在土方挖至標(biāo)高后采取增加臨時(shí)鋼支撐的措施控制側(cè)向變形量。

3.2 Ⅱ 期北側(cè)基坑開(kāi)挖階段變形控制措施

Ⅱ 期北側(cè)基坑開(kāi)挖階段除了繼續(xù)沿用上述三條 Ⅰ 期南側(cè)基坑采取的控制措施外，另外采取了以下措施：

（1）Ⅱ 期北側(cè)基坑標(biāo)準(zhǔn)段第 6 道、工作井第 5 ～ 7道φ609 鋼支撐調(diào)整為φ800 鋼支撐；另外，由第 2 ～ 3道鋼支撐采用鋼支撐應(yīng)力伺服系統(tǒng)調(diào)整為基坑全斷面采用鋼支撐應(yīng)力伺服系統(tǒng)，支撐軸力按設(shè)計(jì)軸力 100% 初始施加，根據(jù)墻體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況及時(shí)調(diào)整加載值（100% ～120%）。

（2）由于 Ⅰ 期南側(cè)基坑收底至工作井范圍及標(biāo)準(zhǔn)段局部位置開(kāi)挖進(jìn)入 ⑤2 層，初期坑底土體固結(jié)良好，后連日降雨及開(kāi)挖擾動(dòng)，坑內(nèi)明水在排除后土體液化明顯，部分下翻結(jié)構(gòu)位置開(kāi)挖困難，不利于基坑變形控制。結(jié)合Ⅱ期北側(cè)基坑底⑤2 層土層特性及環(huán)境敏感程度，在Ⅱ期北側(cè)基坑工作井局部增加坑底加固，同時(shí)設(shè)置墻縫止水措施改善基坑滲漏水及降低明水對(duì)收底工作的影響。

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)及分析

Ⅰ 期南側(cè)基坑標(biāo)準(zhǔn)段、工作井及 Ⅱ 期北側(cè)基坑標(biāo)準(zhǔn)段、工作井每層工作面施工完成后的最大圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移情況如表 1 ～ 表 4 所示。

表1 Ⅰ 期南側(cè)基坑標(biāo)準(zhǔn)段施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形匯總表

表2 Ⅰ 期南側(cè)基坑工作井施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形匯總表

表3 Ⅱ 期北側(cè)基坑標(biāo)準(zhǔn)段施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形匯總表

表4 Ⅱ 期北側(cè)基坑工作井施工圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形匯總表

通過(guò)對(duì)表 1 ～ 表 4 的相關(guān)數(shù)據(jù)分析，可以總結(jié)出以下特征。

（1）第一層土方分 2 層開(kāi)挖的方法使得基坑實(shí)際分層變形量明顯優(yōu)于設(shè)計(jì)的分層控制指標(biāo)，普遍為設(shè)計(jì)變形值的30% ～ 50%。

（2）臨時(shí)增加的 1 道鋼支撐在第 4 道混凝土支撐形成過(guò)程中對(duì)圍護(hù)變形發(fā)展起到明顯控制作用。

（3）Ⅰ 期南側(cè)基坑第二層土方開(kāi)挖采用“層中分層”的方法，同時(shí)配合鋼支撐應(yīng)力伺服系統(tǒng)的使用，使得基坑實(shí)際分層變形量明顯優(yōu)于設(shè)計(jì)的分層控制指標(biāo)；另外配合第四道混凝土支撐施工階段增加1道臨時(shí)鋼支撐控制基坑變形量，圍護(hù)變形情況可控，最大變形量達(dá) 1.8 ‰，較設(shè)計(jì)變形指標(biāo)要求差距較小。

（4）通過(guò)總結(jié) Ⅰ 期南側(cè)基坑施工經(jīng)驗(yàn)并增加相關(guān)措施后，Ⅱ 期北側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)總體變形控制尚好，各圍護(hù)測(cè)斜點(diǎn)監(jiān)測(cè)指標(biāo)均有效控制在規(guī)范及設(shè)計(jì)可控范圍內(nèi)（1.4‰基坑開(kāi)挖深度），基本控制在允許指標(biāo)的 70% 左右，最大變形點(diǎn)變形指標(biāo)為 1 ～ 1.2‰。

（5）Ⅱ 期北側(cè)基坑標(biāo)準(zhǔn)段第 6 道、工作井第 5 ～ 7 道φ609 鋼支撐調(diào)整為φ800 鋼支撐，并配合鋼支撐應(yīng)力伺服系統(tǒng)的使用，且初次加載軸力在設(shè)計(jì)軸力的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整，總體控制在設(shè)計(jì)軸力 110%，使得第 4 道混凝土支撐以下部分土方開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量明顯小于Ⅰ期南側(cè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形量，控制效果顯著。

5 結(jié) 語(yǔ)

軟土地區(qū)復(fù)雜環(huán)境條件下，該車站基坑整個(gè)開(kāi)挖階段通過(guò)各項(xiàng)措施的綜合應(yīng)用、對(duì)Ⅰ期南側(cè)基坑相關(guān)特征詳細(xì)地分析總結(jié)以及對(duì)Ⅱ期北側(cè)基坑控制圍護(hù)側(cè)向變形措施的進(jìn)一步優(yōu)化，可以得出以下結(jié)論：

（1）在單層土層較高的基坑開(kāi)挖施工中，采用“層中分層”的方式，對(duì)控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形有積極作用，普遍為設(shè)計(jì)變形值的 30% ～ 50%。

（2）混凝土支撐施工階段，因混凝土支撐施工及形成支撐力時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致無(wú)支撐暴露時(shí)間久，可采取增加臨時(shí)鋼支撐的措施控制圍護(hù)側(cè)向變形量，總體效果明顯。

（3）基坑開(kāi)挖收底作業(yè)前，可結(jié)合坑底土層特性及環(huán)境敏感程度，在局部開(kāi)挖困難的位置增加坑底加固，同時(shí)設(shè)置墻縫止水措施改善基坑滲漏水對(duì)收底工作的影響，防止土體液化被動(dòng)土壓力減小導(dǎo)致圍護(hù)側(cè)向變形變大。

（4）基坑開(kāi)挖階段，采用主動(dòng)加載的鋼支撐應(yīng)力伺服系統(tǒng)替代被動(dòng)受力的傳統(tǒng)鋼支撐，對(duì)減小圍護(hù)結(jié)構(gòu)整體側(cè)向變形量具有顯著的作用，特別是在受客觀因素影響導(dǎo)致基坑有支撐暴露時(shí)間比較長(zhǎng)的情況下，能有效確?；蛹捌渲苓叚h(huán)境的安全。