武漢地區淤泥質軟土地鐵車站深基坑開挖風險控制

葉萬敏 盧 雄 張紹輝 劉寶林

(1.武漢地鐵集團有限公司 武漢 430000;2.華中科技大學 工程管理研究所 武漢 430074)

1 引言

近年來，隨著城市建設的飛速發展，城市用地變得日趨緊張，人們的視野逐步從地面開始轉向地下。各大城市大型地下空間的迅速開發進展，涌現出了大量復雜的基坑工程建設項目，尤其以地鐵軌道交通建設為代表，深基坑甚至是超深基坑不斷出現。同時，地鐵工程大多集中在城市的中心地帶，施工場地周圍密布的各種構建筑物、地下管線等使得基坑周邊的施工條件也變得越來越受限，施工難度也越來越大。

長江中下游河漫灘從湖北省枝江市開始，沿兩岸呈帶狀分布或呈彎月狀不對稱分布，一般左岸分布大，右岸分布不廣。大量資料表明，河漫灘相沉積具典型的相變規律即:宜昌至枝江段，河床沉積以卵礫石為主;漫灘相以一般粘土為主。武漢至鎮江段，河床沉積以砂為主，有底礫;漫灘相沉積以淤泥質土及淤泥為主。在這些臨江的堆積平原上分布著密集的城市群，也是長江中下游地區超深基坑的集中地帶。淤泥質軟土具有低強度、高壓縮性、高孔隙比、高靈敏度、易擾動和易觸變等特點，這些特點對超深基坑的開挖極為不利［1，2］。因此，研究長江中下游淤泥質軟土超深基坑開挖風險控制，對于提高城市深基坑工程的安全施工有著重大的意義與價值。

本文以武漢地鐵七號線長豐站超深基坑的開挖與安全預警為研究背景，通過對開挖過程進行全過程監測，分析了墻體測斜、立柱沉降、土體測斜、支撐軸力、地表沉降等監測數據，以期能為長江中下游淤泥質軟土地區類似工程的設計與施工提供參考。

2 工程概況

2.1 項目基本概況

武漢軌道交通7 號線是武漢軌道交通線網中的三大市域快線之一，長豐站屬于7 號線第2 標段，采用明挖施工。長豐站為地下二層單柱雙跨明挖島式站臺車站，有效站臺寬度為12m。車站有效站臺中心里程為右CK2+295.000，起點里程為右CK2 +180.700。車站外包總長460.2m，標準段寬21.3m，標準段開挖深度為17.4m，基坑大里程段開挖深度18.8m，小里程段開挖深度為19.2m。基坑支護結構采用地下連續墻和內支撐，地下連續墻厚800mm，深度約27m，采用C30 水下砼，抗滲等級P8，地下連續墻共176 幅。支護形式為四道內支撐加一道換撐(其中第一道為混凝土支撐)，混凝土支撐的尺寸為800mm × 1000mm，鋼支撐直徑均為609mm，壁厚16mm。

2.2 長豐站水文地質概況

長豐站基坑開挖深度內自上而下主要地層依次為:1 -1 雜填土、1 -2 素填土、3 -1a 粘土、3 -1粘土、3 -2 粘土、3 -3 淤泥質粘土、3 -4 淤泥質粉質粘土、3 -5 粉質粘土夾粉土、粉砂、4 -1 粉細砂。本基坑的地下水主要類型為上層滯水、孔隙承壓水和基巖裂隙水。上層滯水因其含水層物質成份、密實度、透水性、厚度等不均一性而導致水量大小不一，水位不連續，無統一自由水面等特征，勘察期間測得沿線上層滯水水位埋深0.30m～5.40m。根據武漢市地區經驗，其承壓水受季節性影響且于地表水有一定水力聯系，枯水季節水位較低，豐水季節則較高，根據春季枯水期的抽水試驗結果，承壓水測壓水位標高約為15.8m。

2.3 長豐站工程開挖進度安排

本項目依據合同文件、項目策劃書、項目技術經濟特征、資源條件以及內外部約束條件，確定基坑開挖的進度安排，如表1 所示。長豐站地質剖面圖如圖1 所示。

長豐車站基坑開挖共分為19 個區，19 個區的編號依次為一區至十九區。開挖順序是從大小里程端頭同時向中間開挖，在中間段9 區、10 區結束。

根據施工監測的要求，在基坑開挖之前應確定監測項目并布設監測點。本項目確定的監測項目如下:①土體側向變形;②墻體變形;③地表沉降;④結構變形;⑤地下水位;⑥立柱樁沉降，監測點布置如圖2所示。

表1 基坑開挖進度安排

圖1 長豐站地質剖面及支護結構圖

根據基坑開挖進度安排可知從2014 年4 月18日至車站結構完成，屬于高風險時期，本文以2014年5 月份為例介紹長江中下游淤泥質地區基坑開挖過程中的風險預警與控制。

3 地鐵車站深基坑開挖風險分析

本文通過事故樹理論分析法對超深基坑開挖的風險因素進行闡述［3-6］。主要風險因素包括:縱坡失穩、基坑變形、接縫漏水、基坑涌水涌砂、基坑周邊地表沉降、基坑坑底隆起等［7-10］。風險致因邏輯關系如圖3 所示。

由長豐車站工程地質情況可知，長豐站位于長江二級階地，上部填土、淤泥、軟粘性土強度低，淤泥及軟粘性土易觸變，粘性土強度較高但遇水易軟化，從而易產生邊坡失穩現象。因此，地連墻墻體傾斜、基坑內立柱沉降、地連墻滲漏、周邊建筑物沉降等風險屬于高發風險。本文通過對超深基坑風險的分析，并針對性地對長江中下游淤泥質軟土地區超深基坑開挖的風險進行控制，提出有效的處理意見并制定相應的控制措施及應急措施，從而將風險降低至可接受的范圍內。

4 開挖風險預警與控制

根據基坑的開挖進度安排，本文選取長豐車站在5 月份的監測數據進行分析，選取5 月7 號、5 月19 號、5 月25 號的監測數據進行基坑變形分析，選取5 月31 號的監測數據進行地連墻接縫滲漏分析。

圖2 長豐站監測點布置圖

圖3 超深基坑開挖風險及邏輯圖

4.1 基坑地連墻墻體傾斜控制

(1)監測預警分析

本文分析的地連墻墻體傾斜點如圖3 所示，2014 年5 月1 日至2014 年5 月31 日X01 點監測數據分析圖如圖5 所示。詳細數據如下:

截止到5 月7 日，基坑第一段第二層土方開挖完成，測斜X01 位于基坑端頭中間，根據第三方監測數據顯示:X01 變化量最大的點為X01 -17.0;累計向基坑內偏移值為14.5mm;5 月4 日至5 月7 日變化速率為2.87mm/d，超出設計警戒值范圍(2mm/d)，累計變形量在正常范圍內。

截止5 月19 日，基坑小里程端頭井第三層土方基本開挖完成，正在架設第四道鋼支撐鋼圍檁。根據第三方監測數據顯示:測斜X01 變化量最大的點為X01-17.5;累計向基坑內偏移值為39.8mm;5 月16日至5 月17 日變化速率為9.9mm/d;5 月17 日至5月18 日變化速率為4.2mm/d;5 月18 日至5 月19 日變化速率為5.2mm/d，日變形速率較大，累計變形量最大值為X01-17.5 處，累計量為39.8mm，已超出預警值。

截止到5 月25 號，基坑小里程端頭井土方開挖完成，正施作墊層。根據第三方監測數據顯示:X01變化量最大的點為X01 -18.0 處;累計向基坑內偏移值為55.8mm;5 月22 日至5 月24 日變化速率為4.7mm/d;5 月24 日至5 月25 日變化速率為3.1mm/d。與此同時位于基坑端頭左側中間的測斜X02 最大處累計向基坑內偏移值為34.3mm。位于基坑標準段左側的測斜X04 累計向基坑內偏移值為35.8mm。

根據監測數據顯示，X01 點在半個月內數據從正常變化至預警值，X02、X04 日變形速率較大，累計變形量已超出預警值(30mm)。

圖4 測點X01 位置

圖5 20140504 -20140531 X01 點監測數據分析圖

(2)控制措施與效果

分析此次地連墻變形的主要原因如下:⑴基坑第二層土方開挖完成后，放置時間較長;第三道鋼支撐未能及時架設，導致基坑端頭測斜管變形速率較大。⑵基坑端頭井處地質情況為(3 -4)淤泥質粉質粘土、(3 -4a)粉質粘土夾粉土，為高壓縮性土質。由于地質情況較差，在基坑開挖過程中，基坑端頭處開挖面下部土體難以提供相應的被動土壓力，隨著坑內土體開挖，墻體變形較大，由于第一道、第二道為混凝土支撐，第三道為雙拼鋼支撐，基坑底部已進行了基底加固處理，造成變形最大位置處于開挖面以下附近，為整個地連墻圍護結構中部位置。

通過對監測數據的分析，為有效地減小基坑變形，需在基坑開挖完成后及時地架設鋼支撐，在架設鋼支撐的同時需采取有效措施保證支撐架設的施工質量，適當增加預加設計軸力值;增加端頭井各項監測項目監測頻率，加強監測，及時反饋監測信息。通過一系列的處理措施最終將基坑邊形的累計值控制在56mm，有效地遏制了基坑的變形。

4.2 基坑立柱沉降控制

(1)監測預警分析

本文分析的基坑立柱監測點如圖6 所示，2014年5 月1 日至2014 年5 月31 日LZ01 和LZ02 點的部分監測數據表2 所示。詳細數據如下:

表2 監測點變化情況統計表

根據監測數據顯示，截止5 月25 日立柱沉降已進行第十五次監測，測點LZ01、LZ03 位于小里程端頭斜撐下方立柱上(如圖7)。從4 月25 日至5 月5 日立柱LZ01、LZ03 沉降呈緩慢變化，累計變化來那個也在正常單位之內，分別為4.5mm和7mm。從5 月5 日至5 月25 日立柱LZ01 和LZ03 沉降變化加快，累計沉降量逐漸增加，截止到5 月25 號LZ01 累計沉降量已超過紅色警戒值達14.8mm，LZ03 累計沉降量已超過紅色警戒值一倍有余達27.4mm(立柱沉降絕對臨界值為8mm，絕對警戒值為10mm;變化速率絕對臨界值為2mm，絕對警戒值為3mm)。

圖6 監測點位置

圖7 20140425 -20140525 立柱監測數據分析圖

(2)控制措施與效果

基坑端頭地質情況為(3 -3)淤泥質粘土和(3-4)淤泥質粉質粘土，土體巖性特征為飽和、流塑狀態、高壓縮性、土體自穩性較差。端頭井第三層土方開挖完成后，由于基坑墻體變形較大，特別是圍護結構中下部位置，引起基底回彈效應，變形較大，同時，基坑第二、三段等后方土體向端頭有滑移趨勢，土體擠壓引起土體隆起，造成立柱形成隆起量超警戒值情況。

通過對監測數據的分析，為有效地減小立柱沉降，需進一步放緩開挖面縱坡坡度，等端頭基坑變形穩定后再進行下一層土方開挖;及時架設端頭支撐，減小地連墻變形所造成的被動土壓力;增加端頭井各項監測項目的頻率，加強監測，及時反饋監測信息。通過一系列的處理措施最終將立柱LZ01 的累計沉降值控制在13.6mm，將立柱LZ03 的累計沉降值控制在26.6mm。

4.3 基坑地連墻接縫滲漏控制

(1)監測預警分析

截止到2014 年5 月31 日，長豐站基坑小里程端出現兩處地連墻滲漏，第一處在端頭井中間基底地連墻接縫處，第二處在標準段基坑第二段處，滲漏情況如圖8、9 所示。分別選擇第一處地連墻滲漏的土體測斜和第二處地連墻滲漏的地表沉降進行分析，詳細監測數據如下所示:

圖8 端頭井中間基底地連墻滲漏

圖9 基坑第二標段處地連墻滲漏

截止到2014 年5 月25 日，基坑小里程端頭井土方開挖完成，施作墊層，土體測斜T01 位于基坑端頭中間，土體測斜T02 位于基坑端頭左側，根據第三方監測數據顯示:T01 變化量最大的點為T01 -08.0 處，累計向基坑內偏移值為41.9mm，超過絕對警戒值;5 月24 日至5 月25日變化速率為4.4mm/d，超過相對警戒值;T02變化量最大的點為T02 -16.0 處;累計向基坑內偏移值為31.5mm，接近絕對臨界值;5 月24 日至5 月25 日變化速率為3.0mm/d，達到相對臨界值。如圖10 所示(土體測斜絕對臨界值32mm，絕對警戒值40mm;相對臨界值3mm/d，相對警戒值5mm/d)。

圖10 T01 土體測斜數據

截止2014 年5 月31 日，基坑第二標段施做墊層。根據第三方的地表沉降監測數據，測點C06 -1累計沉降37.4mm，超過絕對臨界值;5 月30 日至5 月31 日的變化速率為-7.1mm/d，超過相對臨界值。測點C06-2 累計沉降69.4mm，超過絕對臨界值;5 月30 日至5 月31 日的變化速率為-15.9mm/d，超過相對臨界值。測點C51 -1 累計沉降93.4mm，超過絕對臨界值;5 月30 日至5 月31 日的變化速率為-9.9mm/d，超過相對臨界值。測點C52 -1 累計沉降70.6mm，超過絕對臨界值;5 月30 日至5月31 日的變化速率為-2.2mm/d，超過相對警戒值。如圖11 所示。(地表沉降絕對臨界值24mm，絕對警戒值30mm;相對臨界值2.4mm/d，相對警戒值3mm/d)。

(2)控制措施與效果

由于基坑土質較差，主要以淤泥質粉土為主，基坑在開挖過程中，土方開挖不能有效組織，造成鋼支撐架設滯后，引起基坑變形較大，從而引起圍護結構地連墻的滲漏。對應監測數據超出警戒值很多，可能造成基坑出現失穩狀況。

通過對監測數據的分析，為有效解決地連墻滲漏，需盡快對滲漏點采取措施進行反壓，標準段第四道鋼支撐及時架設;坑外盡快在地連墻接縫處采取注雙液漿進行加固;開展標準段基坑內降水工作，及時觀測地下水位變化情況;嚴禁在基坑周邊堆載重物;為避免造成鋼支撐架設滯后情況，開挖方式應有所調整，嚴格做到“先撐后挖、嚴禁超挖”，減小基坑變形。

圖11 20140501—20140531 土體沉降監測數據分析

5 結論與建議

長江中下游淤泥質軟土地區超深基坑施工過程中通常會出現縱坡失穩、基坑邊形、涌水涌砂、接縫滲漏、周圍地表沉降、基地隆起等風險。截止2014 年10 月30 日，雖然長豐站基坑施工過程中遇到了基坑邊形過大、立柱沉降過大、地下連續墻滲漏等風險，但是在實施針對性、合理化的措施后，基坑變形過大、立柱沉降過大、地連墻滲漏等風險都得到了有效地控制，長豐站主體結構基本順利完成。

1)針對基坑變形過大，本文采用在基坑開挖完成后及時的架設鋼支撐，在架設鋼支撐的同時需采取有效措施保證支撐架設的施工質量，適當增加預加設計軸力值等措施。

2)針對基坑立柱沉降過大，本文采用放緩開挖面縱坡坡度，等端頭基坑變形穩定后再進行下一層土方開挖;及時架設端頭支撐，減小地連墻變形所造成的被動土壓力等措施。

3)針對地下連續墻滲漏，本文采取措施在坑內對滲漏點進行反壓，在坑外盡快在地連墻接縫處采取注雙液漿進行加固，同時禁止在基坑周邊堆載重物，并做到有序開挖，先撐后挖。

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