基于時空效應軟土深基坑開挖施工監測變形研究

陳 攀

(北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101)

1 工程概況

寧波5號線三官堂站地鐵車站呈南北方向布置，車站兩頭為主要交通干道，車站擬建場址為高架東側輔道，道路工程在軌道實施完成后再行施工。站點為地下兩層島式站臺車站，明挖法施工，車站范圍為雙柱三跨矩形框架結構，車站中心頂板覆土厚度約3.0 m。車站起終點里程SDK27+709.686～SDK27+943.085，站臺中心里程為SDK27+802.235。車站兩端均為盾構法區間隧道，標準基坑寬度為21.7 m，基坑最大開挖深度在南端頭井為18.154 m，北端頭井開挖深度為17.70 m，基坑土方開挖總量約8.6萬m3。

1.1 地質條件

由現場勘查報告可知，該地鐵站施工區處于較厚的軟土層區，其工程勘察地質，各土層物理力學指標如表1所示。由圖可知，該站開挖區土層分別從上往下依次為：雜填土，密實度為松散～密實，層厚約為1.3 m；粉質黏土，灰黃色厚層狀，局部可塑，層厚約為1.9m；黏土，灰色層狀，流塑狀，層厚約為1.6 m；淤泥質黏土，灰色層狀，流塑狀態，層厚約13.6 m；粉質黏土，灰色厚層狀，流塑狀態，層厚約為6.1 m。

1.2 基坑圍護結構方案

車站采用明挖順作法施工，車站中心頂板覆土厚度約3.0 m。車站起終點里程SDK27+709.686～SDK27+943.085，站臺中心里程SDK27+802.235，車站基坑長233.4 m，標準段基坑寬21.70 m，開挖深度為16.36 m，端頭井基坑寬25.7 m，基坑最大開挖深度南端頭井為18.14 m，北端頭井開挖深度為17.70 m。圍護結構全部采用800 mm厚地下連續墻+內支撐體系(一混凝土四鋼)，標準段基坑深約16.36 m，地墻插入比約為1.12；南端頭井深18.14 m，地墻插入比約為1.09；北端頭井深17.70 m，連續墻插入比約為1.34。地連墻混凝土標號為水下C35，抗滲等級為P8。

表1 各土層主要物理力學性質一覽表

1.3 周邊環境影響

該地鐵車站周邊環境影響主要為已建成的構筑物和地下管線分布，在施工過程中要嚴格控制對已建構筑物及地下管線的影響。

車站周邊主要構筑物為。

(1)基坑西側為在建大橋，該大橋鉆孔樁承臺基礎，基坑與高架接線段擋墻最小凈距6.5 m；

(2)基坑東側為浙學院體育場看臺，Φ426混凝土沉管灌注樁，樁長21 m，基坑與看臺水平凈距14.7m；

(3)車站周邊地下管線主要改遷石油管線，管線與基坑最小距離為14.7 m，柴油管線和汽油管線各一根，均為273鋼管，加套DN600鋼筋混凝土套管保護，埋置深度約4.2 m；還有部分燃氣管線和110 kV埋深4 0m的電纜線。

2 考慮時空效應影響施工方案及工程監測

深基坑在開挖施工時，由土體、支護結構工程空間結構，開挖過程中由于工程擾動，會對支護結構及土體的壓力和變形造成影響，該影響不僅與基坑的開挖方式、平面尺寸及開挖深度有關，還受到支護空間的影響，具有明顯的時空效應。

2.1 工程監測布置方案

為考慮時空效應在基坑開挖過程中對基坑參數的影響，對基坑的圍護結構深層水平位移、地表沉降、內支撐軸力等進行監測布置。其基坑監測布置平面圖如圖1所示。

圖1 深基坑監測布置圖

2.2 施工方案與進度

依據施工計劃及場地條件，基坑開挖時利用“時空效應”理論，依照“分層、分段挖土，先中間后兩邊”的原則進行開挖施工。考慮主體結構施工，將基坑分為10個開挖段，車站兩個端頭分段長度分別為204 m、24 m，其余標準段長度為23～24 m。

在開挖順序上遵循為北端頭井→南端頭井→標準段(自北向南)的順序進行，南端頭由于靠近石油管線，按照一級變形控制進行考慮，南端頭井見底后加大人力投入，盡快施做底板；出土過程中，密切關注基坑監測變形數據，當數據變形過大，立即增設臨時鋼支撐。為減少開挖過程中對基坑擾動，對基坑進行分層開挖，將基坑分為5個大層163塊土方，按順序依次進行開挖。

3 開挖過程中時空效應分析

3.1 地表沉降時空效應分析

選取基坑長邊與端部短邊監測數據進行分析，繪制地表沉降監測圖，如圖2所示。由圖2可知，基坑長邊地表沉降值大于短邊地表沉降值，且長邊中間部位地表沉降較為明顯。在基坑開挖過程中，東側開挖位移較西側開挖位移小，東側最大地表沉降量為-27.3 mm，為西側沉降量-60.7 mm的44.97%。由于西側距離大橋較近，承受荷載較大，當西側基坑進行開挖時，應力會向著基坑側產生釋放，故此較東側基坑開挖時，會產生較大位移沉降。

圖2基坑周邊地表沉降位移曲線

為了分析施工開挖變化過程中地表位移沉降，選取基坑周邊典型位置監測數據進行分析，該監測點均距基坑6.5 m，從212 d地表沉降監測數據中選取前期開挖160 d內典型位移變化進行分析。

圖3 基坑開挖地表沉降曲線

由圖3可知，AD1-3監測點，在開挖過程位移變化較小，即開挖過程對端部地表沉降影響較小；監測點AD13-3在進行開挖時，開挖層1、2的地表沉降較小，完成前兩層開挖時，地表沉降為17 mm，為總沉降值的34.7%。隨著開挖時間的增加，基坑深度增加，由于土體開挖過程中的卸荷作用，地表沉降位移的增加速度也隨之增加。而測點AD5-3在完成第一層開挖時，沉降值達到了17.2 mm，為最終沉降值的68%，之后隨著開挖的進行，位移沉降逐漸趨于穩定值。

3.2 支護結構水平位移時空效應分析

選取基坑長邊與短邊處的支護結構水平位移監測點，繪制監測點水平位移曲線，如圖4所示。由圖4可知，基坑支護結構水平位移同樣存在相同現象，即長邊水平位移大于端部水平位移。其中ACX-1～8監測點的支護結構最大水平位移為24.9 mm，為ACX-9～16監測點支護結構最大水平位移67.4 mm的36.9%。即基坑支護結構的水平位移，會向著支護結構長度的跨中部位增加。

圖4 開挖完成時水平位移

3.3 支護結構軸力時空效應分析

圖5為基坑支護結構軸力監測圖，由圖5(a)可知，當基坑完成第一層開挖時，軸力在大小分布上為鋼支撐軸力小于混凝土支撐軸力，混凝土支撐上的軸力呈現兩頭小中間大狀分布。由圖5(b)可知，當完成第二層開挖時，鋼支撐上的軸力呈中間打領頭小分布；由于AZg1-3處于南端開挖點，致使其在開挖時，第3層鋼支撐還未完成布置，導致該監測點呈現南端軸力偏大現象。由圖5(c)可知，在完成第3層開挖時，鋼支撐上軸力依然呈現中間大兩邊小分布。由圖5(d)可知，完成第四層開挖時，鋼支撐上軸力分布呈現北側大于南側，南端的開挖深度小于北端，致使土體用力分布不同，致使鋼支撐軸力分布不均。綜上可知，在基坑進行開挖時，距離開挖土體較近的支護結構軸力所受影響較大，且伴隨開的進行，支護結構上的軸力分布逐漸均勻，即該種支護結構設計較為合理。

圖5 支護結構軸力監測圖

3.4 基坑時空效應的涌水涌砂問題分析

在該地鐵車站開挖過程中，位于該車站東側(軸27)位置，發生地下連續墻③1b層涌水涌砂問題。由工程分析可知，該處所處地層主要為粉砂層，在對其兩側進行開挖時，致使該處發生地下連續墻的連接縫發生較大的差異性沉降，差異性沉降產生的張拉力，使地墻接縫鎖口管位置產生微裂縫。此處地下水位較高，在應力和水壓力的作用下，致使水壓力沿著裂縫薄弱點向基坑臨空面集中，在應力集中作用下，連續墻發生破壞，產生涌水現象。在水的作用力下，該處的粉砂顆粒逐漸被地下水帶出，形成流水通道，最終演化為涌水涌砂現象。該涌水涌砂現象導致周邊環境發生沉降，其建筑物距離基坑最近位置最大沉降值達到-70 mm。為防止繼續對周邊環境造成影響，采用坑外雙液漿進行堵漏。首先采用地質鉆機引孔，孔徑φ76 mm，深度為③1b粉砂層涌水位置負5 m，將雙液注漿管下到離漏點一定距離的深度，雙管注漿注入水泥漿+清水，待滲漏位置流出濃稠水泥漿開始注入水玻璃，這兩種漿液在管端處混合，形成水泥-水玻璃混合漿液，在水流的帶動下，在漏點附近形成凝膠，利用該凝膠封堵漏水點。

4 結 論

本文以寧波5#線三官堂站地鐵車站為工程依托，對該地鐵站軟土深基坑在開挖過程中地表沉降、內支撐軸力、基坑圍護水平位移、涌水涌砂的時空效應影響進行研究，研究結果如下。

(1)在軟土深基坑地區的開挖工程中，采用“分層、分段開挖，由中間向兩邊”的施工順序進行，可控制軟土深基坑在開挖過程中的變形。

(2)深基坑在開挖過程中時空效應較為顯著，其地表沉降、支撐軸力會隨著開挖深度的增加而增大，且伴隨著開挖深度的增加，該現象會愈加明顯，增加速率逐漸增加。

(3)軟土深基坑支護結構的水平位移和地表沉降的在空間分布上呈現長邊大，端部小；支護結構軸力的空間分布會受到開挖順序的影響，且伴隨開挖的進行逐漸趨于均勻分布。

(4)圍護結構鎖口管位置差異變形過大，在水壓的影響下，地下連續墻接縫部位易發生涌水、涌砂，應采用高壓旋噴注射雙液漿進行封堵，能夠取得較好的處理效果。