復(fù)雜條件下軟土超深基坑變形特性分析

徐四一 丁傳松

（上海山南勘測設(shè)計(jì)有限公司，上海 201206）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，軟土地區(qū)市政基礎(chǔ)設(shè)施如地鐵、市域線等軌道交通線路越來越多，由于換乘、避開鄰近設(shè)施等諸多因素影響，加之周圍環(huán)境、地質(zhì)條件、交叉施工作業(yè)、施工場地大小限制等，對應(yīng)地鐵車站/市域線車站基坑工程圍護(hù)設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，施工變形控制難度增大，尤其涉及到保護(hù)性對象（如特種管線、重要設(shè)施等）等級高、基坑平面尺寸及深度差異、分區(qū)開挖等，施工中對變形規(guī)律的分析并進(jìn)行變形控制以保護(hù)重要的特種管線或重要設(shè)施意義重大[1-5]。

軟土地區(qū)城市開發(fā)密度大增，經(jīng)常發(fā)生因施工工序、重車荷載、基坑變形規(guī)律掌握不足等導(dǎo)致基坑工程風(fēng)險，而當(dāng)前對施工層面的施工工序、重車荷載對基坑工程的影響等相關(guān)研究略顯不足。研究和總結(jié)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，具有降低工程風(fēng)險的現(xiàn)實(shí)意義。

本文以上海某市域線車站基坑為背景，針對多個施工分區(qū)和⑥層粉質(zhì)黏土缺失，考慮各分區(qū)平面尺寸不同、圍護(hù)深度不同、開挖深度差異、基坑與鄰近換乘段交叉施工、持續(xù)的基坑側(cè)壁附加荷載等影響因素，重點(diǎn)分析圍護(hù)墻體水平位移（測斜）、坑外地表沉降規(guī)律，基于不同分區(qū)基坑的變形特性分析，對相關(guān)施工措施進(jìn)行探討，為后續(xù)類似項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

1.1 工程背景

上海市域線某車站位于外環(huán)外某園內(nèi)，為二層車站（與其他地鐵線路換乘區(qū)域?yàn)槿龑樱w處于古河道沉積區(qū)，大致呈細(xì)長型，東西走向。車站結(jié)構(gòu)凈尺寸：693 m×（13/24/36）m，基坑開挖深度24.3 m～30.1 m（以H表示，下同），圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用地下連續(xù)墻。車站主體基坑設(shè)三道縱隔墻，共設(shè)4 個區(qū)進(jìn)行施工（見表1、圖1）。

圖1 基坑分區(qū)平面示意圖

表1 基坑分區(qū)參數(shù)

基坑開挖深度超過25 m 的均采用1200 mm 的地下連續(xù)墻，開挖深度小于25 m 的均采用1000 mm的地下連續(xù)墻。工作井區(qū)域的支撐形式：第一、三、五、六道為砼支撐，第二、四、七道為鋼支撐；1/2/3 區(qū)標(biāo)準(zhǔn)段區(qū)域的支撐形式均為：第一、三、五道為砼支撐，第二、四、六道為鋼支撐。4 區(qū)標(biāo)準(zhǔn)段為第一、三道為砼支撐，第二、四、五、六道為鋼支撐?；拥撞? m 以下采用高壓旋噴樁抽條加固。

同一施工分區(qū)因北側(cè)合流污水管線因素，連續(xù)墻普遍加深，加深長度分別為5/6/9 m。

3 區(qū)涉及與地鐵的換乘段，1200 mm 連續(xù)墻深度加深至74.5 m，開挖深度由24.3 m 加深至33.4 m，落深區(qū)另增加2 道砼支撐，圍護(hù)采用銑接頭和MJS 加固止水。

1.2 周圍環(huán)境

車站結(jié)構(gòu)北側(cè)存在兩根φ4000 mm 合流污水砼頂管，與車站結(jié)構(gòu)大致平行走向；管節(jié)長2.5 m，頂覆土約8 m。污水管距離西工作井最小距離為26.29 m，距離東工作井最大為44.41 m，均位于基坑開挖2 倍深度影響范圍內(nèi)。

1.3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

（1）工程地質(zhì)與不良地質(zhì)

車站位于古河道沉積區(qū)，施工范圍內(nèi)存在2 處明浜（淤泥厚度0.2～1.8 m），3 處暗浜（淤泥厚度1.2～5.5 m）；下部為粉（砂）性土③1-1，該區(qū)域⑥層粉質(zhì)黏土缺失。普遍分布有厚層軟弱土層（③1、④、⑤1），具有含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低及壓縮性高等特性。4 區(qū)開挖至底板深度時有沼氣噴溢。土層物理性質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2 土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

車站標(biāo)準(zhǔn)段坑底位于⑤1黏土層；工作井坑底位于⑤31粉質(zhì)黏土夾粉砂層。圍護(hù)墻底均位于⑤32粉質(zhì)黏土與粉砂互層中。

（2）水文地質(zhì)

影響車站基坑的承壓水為⑤32層和⑦2層（局部同⑧2層連通）。⑤32層微承壓水水位埋深 4.85～5.96 m。⑦2層承壓水水位埋深為4.735 m～5.161 m。換乘段落深區(qū)連續(xù)墻圍護(hù)隔斷承壓水層。

1.4 施工工序與工況

車站基坑共分4 個區(qū)進(jìn)行施工。基坑開挖施工工序先后為4 區(qū)、1 區(qū)、3 區(qū)、2 區(qū)。具體見表3。

表3 施工工序一覽表

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與施工控制

2.1 地下連續(xù)墻體水平位移（測斜）

（1）車站4 個區(qū)測斜變形總體分析

基坑開挖中因車站基坑區(qū)域明浜和暗浜多、軟弱淤泥質(zhì)土厚度大、⑥層粉質(zhì)黏土缺失等，加之交叉施工點(diǎn)多、出入口少、重車荷載大等不利因素，導(dǎo)致本項(xiàng)目連續(xù)墻體水平位移（測斜）值普遍偏大。

圖2-圖5 為4 個區(qū)典型墻體測斜與坑外地表沉降測點(diǎn)示意圖。

圖2 施工1 區(qū)圍護(hù)墻體測斜和地表沉降測點(diǎn)設(shè)置示意圖

圖3 施工2 區(qū)圍護(hù)墻體測斜和地表沉降測點(diǎn)設(shè)置示意圖

圖4 施工3 區(qū)圍護(hù)墻體測斜和地表沉降測點(diǎn)設(shè)置示意圖

圖5 施工4 區(qū)圍護(hù)墻體測斜和地表沉降測點(diǎn)設(shè)置示意圖

圖6 為選取4 個區(qū)（陽角、短邊、換乘段區(qū)域測點(diǎn)不參與統(tǒng)計(jì)）長邊測斜點(diǎn)測斜均值統(tǒng)計(jì)。各區(qū)測斜均值相對較大的位于基坑寬度大的2 區(qū)和3 區(qū)，測斜均值相對小的為基坑寬度小的4 區(qū)；表明基坑寬度尺寸是影響圍護(hù)墻體測斜變形的重要指標(biāo)。

2 區(qū)和3 區(qū)開挖施工順序相比整個工期最晚，盡管吸取了4 區(qū)和1 區(qū)施工中的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，但數(shù)據(jù)變形仍較大；原因系基坑寬度大、鄰近盾構(gòu)材料/換乘段材料重車荷載頻繁加載、工地出入口僅有1 個等。表明基坑寬度尺寸設(shè)計(jì)、縱隔墻設(shè)計(jì)、開挖土方車路線及工地出入口數(shù)量設(shè)置等均至關(guān)重要，在整個項(xiàng)目中應(yīng)做好前置規(guī)劃。

（2）圍護(hù)墻深度、開挖深度基本一致，基坑寬度不同

根據(jù)表4，圍護(hù)深度和開挖深度一致時，基坑寬度越寬（即使采取了很多施工措施），測斜最大值越大；變形的尺寸效應(yīng)明顯。

表4 圍護(hù)墻體測斜最大值

4 區(qū)為最先施工的基坑（基坑寬度最小，測斜最大值卻比3 區(qū)較大），可能原因：在開挖施工工序、支撐施工控制等方面均存在一些不足。根據(jù)4 區(qū)的施工經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，3 區(qū)基坑采取了多項(xiàng)施工措施：開挖面減少為2 幅連續(xù)墻寬度、鋼支撐增設(shè)伺服系統(tǒng)（同時支撐截面由φ609 調(diào)整為φ800）和縮短支撐施工時間等，反應(yīng)在時間效應(yīng)和空間效應(yīng)上，寬度19 m 的基坑墻體測斜變形得到了較好的抑制。寬度36 m 的基坑盡管施工中控制措施較多，但客觀尺寸因素影響更大，導(dǎo)致變形較大。

（3）基坑寬度、開挖深度一致，圍護(hù)墻深度不同

因基坑北側(cè)2H（H為基坑開挖深度）范圍內(nèi)有保護(hù)性合流污水管線，該側(cè)連續(xù)墻深度普遍加深。選取3 組成對測點(diǎn)（見表5），基坑寬度均為本項(xiàng)目最大的36 m。超寬基坑因開挖/支撐時間長、臨邊重車荷載頻繁加載、空間效應(yīng)等諸多因素影響，墻體測斜總體均較大，測斜最大值平均值超過5‰H。

表5 圍護(hù)墻體測斜最大值

受出入口限制，本項(xiàng)目土方及材料運(yùn)輸出口只有1 個（位于1 區(qū)西側(cè)）。在最后一個施工區(qū)2 區(qū)施工中，鄰近換乘地鐵站材料重車荷載、鄰近盾構(gòu)區(qū)間管片運(yùn)輸重車荷載反復(fù)作用于基坑北側(cè)臨邊；疊加影響致使開挖施工中的2 區(qū)墻體變形及地表沉降變形均較大，尤其使北側(cè)較深的連續(xù)墻變形和地表沉降均超過南側(cè)。

（4）換乘段、加固區(qū)

車站基坑與地鐵換乘段落深區(qū)位于3 區(qū)（見圖3），因設(shè)計(jì)有縱隔墻，等同增加了支撐剛度，對應(yīng)圍護(hù)墻體測斜最大值相比其他區(qū)域減小至少40%，空間約束左右明顯（見表6）。

表6 圍護(hù)墻體測斜最大值

西工作井加固區(qū)測點(diǎn)CX91、東工作井加固區(qū)測點(diǎn)CX44 因均在盾構(gòu)始發(fā)區(qū)，工作井外側(cè)均采用三軸攪拌樁加固，圍護(hù)墻體測斜最大值均小于一級基坑等級1.4‰H。說明主動區(qū)土體強(qiáng)度增大對減小圍護(hù)體變形作用非常明顯。

2.2 地表沉降

（1）選取項(xiàng)目4 個區(qū)各兩個斷面（對稱布設(shè)于基坑南北兩側(cè)），圖7 為距離圍護(hù)不同距離的地表沉降點(diǎn)沉降槽變形。地表沉降槽最大值距離圍護(hù)連續(xù)墻約12 m（約0.43～0.5H），地表主要沉降集中在2H范圍內(nèi)；多個區(qū)域地表沉降最大值超過4‰H，且沉降范圍超過3H；即本工程基坑工程施工對周圍地表沉降影響較大。可能原因?yàn)椋阂虮卷?xiàng)目鄰近的盾構(gòu)隧道管片運(yùn)輸重車、換乘車站材料運(yùn)輸重車荷載反復(fù)影響（受限于1 個重車出入口）；另外，開挖較深時考慮突涌因素坑外降承壓水，降水漏斗范圍大亦對地表沉降產(chǎn)生影響。

圖7 地表沉降離圍護(hù)邊線不同距離變化曲線

（2）根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果，基坑周圍地表沉降與圍護(hù)墻體測斜有對應(yīng)關(guān)系[6-9]。本項(xiàng)目中，根據(jù)基坑4 個區(qū)地表沉降最大值與地下連續(xù)墻測斜最大值擬合函數(shù)，最大沉降是最大測斜的0.832 倍，與規(guī)范[10]相關(guān)研究總體相符（見圖8）。

圖8 地表沉降最大值與圍護(hù)墻體測斜最大值關(guān)系

3 結(jié)論

（1）古河道沉積軟土區(qū)圍護(hù)墻體測斜變形與基坑寬度緊密相關(guān)，寬度越大墻體變形越大，對應(yīng)地表沉降亦較大。

（2）換乘段位置因縱隔墻支撐剛度影響，鄰近區(qū)域空間尺寸效應(yīng)明顯，圍護(hù)墻體測斜顯著減小。

（3）基坑臨邊周期性重車振動荷載對圍護(hù)墻體變形及周邊地表沉降變形影響大。重車進(jìn)出路線及出入口規(guī)劃優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)引起足夠重視。

（4）古河道軟土區(qū)域基坑周邊地表沉降最大值約在0.5H位置，受降承壓水及重車荷載等影響，地表沉降范圍顯著增大。

（5）開挖施工中通過減小開挖面寬度、縮短支撐施工時間及增加支撐剛度均能有效抑制變形發(fā)展。