軟弱地層深基坑開挖變形對基坑安全的影響

全先虎

軟弱地層條件下，地鐵車站深基坑在圍護結構施工、開挖施工、主體結構施工階段的變形規律和失穩狀況比一般地區城市深基坑更加復雜。為解決這一問題，以天津地鐵某車站為研究對象，分析軟弱地層地鐵車站深基坑變形趨勢；根據監測數據，分析深基坑工程引起墻體水平位移變化的動態趨勢，探討軟弱地層地鐵車站墻體水平位移預測方法。結果表明：基于鋼支撐與地下連續墻相結合的軟弱地層深基坑圍護結構可有效維持土體平衡，約束土體變形，墻體深層水平位移總體可控。

一、工程概況

1.工程位置

天津地鐵某車站周邊環境較簡單、交通流量小。車站站臺中心軌面標高為-12.400m。車站線路平面為直線，縱向沿線路方向由大里程端向小里程端2‰降坡，車站范圍正線線間距15.2m，有效站臺寬度12m。

2.結構形式

本站主體基坑標準段豎向設4 道支撐。第一道為鋼筋混凝土支撐，支撐截面800mm×1000mm，第二、三、四道為直徑800mm、壁厚16mm 的鋼管支撐。

主體基坑盾構井段豎向設5 道支撐+1 道倒撐。第一道為鋼筋混凝土支撐，支撐截面800mm×1000mm。第二、三、四、五道支撐及倒撐為直徑800mm、壁厚16mm 的鋼管支撐。

標準段多位于粉質粘土⑥1層上，地基承載力特征值為100kPa，盾構段基坑底多位于粉質粘土⑦1層上，地基承載力特征值為120kPa。止水帷幕隔斷了第一承壓水層，第二承壓水抗突涌計算均滿足抗突涌穩定性安全系數1.05，不需設置減壓井。根據基坑穩定性計算，該圍護結構插入比為0.72 ～0.85。

3.工程地質與水文地質條件

（1）工程地質條件

根據勘察揭示，本工點所揭示的地基土為第四系全新統人工填土層～上更新統的河床～河漫灘相沉積、淺海相沉積、濱海-潮汐帶相等沉積物，各土層特征及工程地質描述如下：

1）人工填土層（Qml）：全場地均有分布，分為①1雜填土及①2素填土，土質結構性差，欠均勻，填墊年限一般小于十年，局部近期人為擾動。

2）第Ⅰ陸相層（Q43al）：全場地分布廣泛，以④1粉質黏土為主。可～軟塑為主，中-高壓縮性。

3）第Ⅰ海相層（Q42m）：全場地均有分布，從上而下可分為4 個亞層。

⑥1粉質黏土：灰色，軟-流塑，中～高壓縮性，分布廣泛，局部缺失。

⑥2淤泥質土：灰色，流塑，高壓縮性，分布廣泛，局部缺失。

⑥3黏質粉土：灰色，稍密，中壓縮性，局部揭示為砂質粉土，分布廣泛。

⑥4粉質黏土：灰色，可～流塑為主，土質均勻性較差，中-高壓縮性。

4）第Ⅱ陸相層（Q41h）：全場地均有分布，以⑦1粉質黏土為主，呈黑灰～淺灰色，可塑狀，中壓縮性。

5）第Ⅱ陸相層（Q41al）：全場地均有分布，從上而下可分為2 個亞層。

⑧1粉質黏土：灰黃～褐黃色，硬～可塑，夾粉土，中壓縮性，分布廣泛。

⑧2黏質粉土：灰黃-褐黃色，很濕，中密，中壓縮性，分布廣泛，局部缺失。

6）第Ⅲ陸相層（Q3eal）：全場地均有分布，從上而下可分為2 個亞層。

⑨1粉質黏土：褐黃色，可塑為主，中壓縮性，廣泛分布、連續。

⑨2粉砂：褐黃色，飽和，密實，中～低壓縮性，分布廣泛。

7）第Ⅱ海相層（Q3dmc）：全場地均有分布，從上而下可分為2 個亞層。

⑩1粉質黏土：灰色，可～硬塑，中壓縮性，分布廣泛。

⑩2黏質粉土：黃灰色，很濕，密實，中壓縮性，分布廣泛但不連續，局部缺失。

8）第Ⅳ陸相層（Q3cal）：全場地均有分布，從上而下可分為4 個亞層。

（2）水文地質條件

本場地淺層地下水類型主要為第四系孔隙潛水，賦存于Ⅱ陸相層及以下的粉土、砂層的地下水具承壓性，為承壓水。

1）潛水含水層

上部潛水，地下水埋藏較淺，穩定水位埋深1.70 ～2.80m（高程0.13 ～1.18m），主要賦存于人工填土層、第Ⅰ陸相層、第Ⅰ海相層的黏性土及粉土中。接受大氣降水和地表水入滲補給，地下水多年變化平均值0.5 ～1.0m。

2）第一承壓含水層

第一承壓含水層主要賦存于⑧2、⑨2黏質粉土、砂質粉土、粉砂、細砂層中，第一承壓含水層水頭大沽標高為-1.54m。

3）第二承壓含水層

二、監測目的

在地鐵土建施工期間對工程自身關鍵部位及圍巖、線路沿線周邊環境實施監測，分析各種施工因素對地表變形的影響，提供改進施工、減少沉降的依據；根據觀測結果，預測后續施工地表沉降和對周圍環境的影響，以確定和調整下一步施工參數，采取合理保護措施，確保施工安全。

三、監測數據分析

圍護結構深層水平位移是體現基坑在時間和空間上受開挖影響的主要指標，是驗證基坑是否安全可靠的主要技術指標。根據研究目標，選取天津地鐵某站西段頭盾構井處2 個測斜點ZQT-16、ZQT-18 以及標準段測斜監測點ZQT-2、ZQT-15 進行數據分析。

基坑開挖由西向東進行，測點 ZQT-18 位于基坑端頭中部，斜撐受力，此處常有長臂挖機、大型吊車等重型設備運行，其監測表明：基坑初次開挖時，開挖處土壓力的釋放使得樁頂迅速向基坑內移動，樁頂位移達到最大；當架設第一道鋼支撐后，支撐位置以下樁體位移逐漸減少，同時樁頂位移趨于平緩；隨著基坑開挖深度增大，樁頂位移變化較小，支撐以下樁體位移逐漸增大；當架設第二道鋼支撐時，樁體深度1 ～10m 位置水平位移逐漸減小并出現負向位移，但樁體深度11 ～20m 位置水平位移向基坑內迅速增大；當架設第三道鋼支撐時，整個墻體深層位移較之前變化較小；隨著開挖深度的不斷增加，第四道鋼支撐架時，整個墻體深層位移又有所增大，且在深度13.5m 位置到達最大值15.8mm；國慶停工期間，底板未施做，此段時間內墻體深層水平位移呈現遞增趨勢，短短10 余天內，墻體急劇位移12.5mm，在10 ～21m位置，都有約10mm 的變化量，最大墻體水平位移為25.94mm。

由測點ZQT-16 可知，第一道支撐的架設，有效的限制了樁頂位移；隨著基坑不斷的開挖，沿深度方向樁體水平位移不斷增加。第二、三層土體開挖過程中，墻體中部水平位移變化明顯，在第四層土體開挖過程中，樁體受力變化較小，趨于穩定狀態。基坑端頭縱向跨度達26m，支撐架設較長，當開挖至基坑底部時，坑底位置墻體深層水平位移最大，達到22.32mm，整個墻體水平位移呈現“凸三角形”的變形趨勢；國慶停工，底板未施做，基坑墻體水平位移明顯增加，基坑底部位置都有約10mm 的位移，墻體深層最大水平位移（深度14.5m 位置）31.60mm，即將黃色預警。

標準段測點ZQT-2、ZQT-15 都處于直撐受力墻體中，由于標準段沒有第四道鋼支撐作用，第二、三道鋼支撐之間間距較大（5.2m）。在第一層④1粉質黏土開挖完成并架設完鋼支撐過程中，最大位移約為5mm，由于第二、三層土體分別多以⑥2淤泥質土、⑥4粉質黏土及其夾層淤泥質土為主，在開挖過程中，墻體水平位移都有約5mm 的正向移動。最終墻體深層位移最大值都在測斜管中部位置，最大值約25mm，整個墻體水平位移“凸三角形”的變形趨勢；又因國慶期間，車站結構暫停施工，基坑暴露時間過長，墻體深層水平位移呈直線上升，截止目前，ZQT-2 最大位移（深度14.5m 位置）35.67mm， ZQT-15 最大位移（深度12.0 米位置）35.15mm，都已達到黃色預警。

四、結語

天津地鐵某站軟弱地層多為⑥1粉質黏土、⑥2淤泥質土、⑥4粉質黏土，主要呈流塑狀為主，局部軟塑狀，通過對西端頭開挖過程中墻體位移監測數據分析，得出以下結論：

（1）軟弱地層基坑開挖過程中，墻體深層水平位移總體可控。基坑周邊材料堆載和大型施工機械運行對基坑位移影響很大，實際工作中，應盡量減少堆載和機械停留時間。由于土體開挖，基坑內受力發生變化，在土體開挖完成后，應及時架設鋼支撐，防止因開挖深度增加而支撐數量較少導致墻體水平位移極速增加。

（2）基坑測斜數據在一定程度上可以反映局部土質好壞情況，土體深層水平位移與墻體深層水平位移密切相關，所以在開挖后期要加強對墻體和土體的深層水平位移監測，根據監測數據，及時對鋼支撐施加軸力，防止出現安全事故。

（3）隨著基坑深度的不斷增加，墻體最大位移不斷增加且位置不斷下移，在鋼支撐架設完成后，趨于穩定。墻體水平位移最大位置都在墻體中部，整個墻體水平位移呈現“凸三角形”的變形趨勢。

（4）基坑開挖過程中，開挖深度到達設計深度時，及時施做車站結構，防止因暴露時間過長，基坑底部受力不平衡，導致鋼支撐預加軸力發生應力松弛現象，致使圍護結構側向變形過大而影響基坑安全。