軟土地區復雜環境條件地鐵車站深基坑圍護變形控制方法

成 杰（上海市基礎工程集團有限公司，上海 200002）

伴隨城市軌道交通的日益發展，城市地鐵工程項目愈發增多。以上海軟土地區為例，很多項目往往位于城市中心區，周邊環境復雜，地鐵深基坑施工過程中對控制基坑圍護結構變形的要求較高，倘若管控不當便會對周邊環境造成嚴重后果。目前，存在許多針對深基坑施工過程中圍護結構變形控制的研究分析。劉建航等人[1-2]提出的“時空效應”為基坑開挖施工控制圍護結構變形提供了重要的理論指導，即要求做好土方開挖施工工序的優化并且做好土方開挖與支撐安裝工序之間的銜接，縮短無支撐暴露的時間。但是在高含水率、高流變性、高靈敏度、低強度的軟土地區，僅遵守“時空效應”理論，深基坑周邊環境保護問題仍比較嚴峻。

深基坑圍護結構變形控制是集加固、開挖、支撐架設等分項過程的綜合性控制工程[3]。在實際施工過程中如何綜合運用好各項措施以更好地控制深基坑開挖過程中圍護結構變形，目前依托工程實例的研究分析并不多，本文詳細介紹了上海軟土地區復雜環境條件下某地鐵車站深基坑所采取的一系列控制圍護結構變形的相關措施及其相關特征。

1 工程概況

上海地鐵某地下三層雙柱三跨車站，車站主體規模為174 m × 21.6 m（內凈），端頭井結構總寬度為 25 m（內凈）。圍護形式為地下連續墻（十字鋼板接頭），深度52 m，厚度 1.2 m。中間設封堵墻分為南北 2 個基坑。南側基坑長 89.5 m，其中工作井部分長 15.1 m、寬 26.6 m，開挖深度 27.15 m；標準段部分長 74.4 m、寬 22.8 m（局部25.4 m），開挖深度 25.37 m。北側基坑長 84.9 m，其中工作井部分長 15.472 m、寬 26.7 m，開挖深度 26.80 m；標準段部分長 69.428 m、寬 22.800 m，開挖深度 25.37 m。車站標準段基坑設置 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為一級，環境等級一級，要求圍護最大水平位移 ≤0.14% 開挖深度。周邊老舊居民區及管線多且距離基坑近，基坑施工對周邊保護要求高；另外，上海軟土地區高含水率、高流變性、高靈敏度、高孔隙比、低強度的特性增加了基坑施工的潛在風險，特別是基坑開挖范圍內存在 ③j、⑤1t 和 ⑤2a 等粉土層，滲透性較強，在一定水動力條件下易產生流砂、管涌等現象對施工有一定影響。

2 基坑開挖階段圍護結構變形的主要影響因素

根據本工程所處的場地地質條件、相關力學特性等分析，主要的影響因素有以下幾點。

（1）軟土地區地質條件下施工。上海是典型的軟土地區，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、低強度等不良工程地質特性，受擾動易發生結構破壞，導致強度降低，進而誘發地表變形；而且軟土還有低滲透性、流變性等特點，應力狀態發生改變時，產生流變，對基坑開挖穩定性影響較大。

（2）基坑開挖被動區土體卸荷。基坑開挖過程中基坑內卸荷產生的荷載差導致坑內被動區土體受擠壓發生變形，坑內被動區土體強度越高，被動土壓力越大，圍護結構側向變形越小，反之越大。因此，可以通過局部坑內土體加固、坑內降水等措施提高土體強度，進而減小基坑開挖卸荷引起的圍護結構側向變形。

（3）基坑開挖過程中無支撐暴露的時間。因軟土具有高流變性，在土方開挖后，若支撐未及時架設，則基坑坑底土體將隨著時間的延長而發生側向變形。側向變形的大小與土方開挖引起的被動區土體所受荷載大小以及時間長短有關。在支撐架設前，土方開挖引起的卸荷大小無法改變，需充分利用時空效應，優化施工工藝，減少無支撐暴露的時間，即要求每塊土方開挖完成后盡快完成支撐架設并施加相應的軸力以減小圍護結構側向變形。當由于工藝需要無法及時架設支撐或相應的軸力無法及時滿足設計及規范要求時，則需另外采取措施減小坑內外荷載差。

3 圍護結構變形綜合控制措施

3.1 Ⅰ 期南側基坑開挖階段變形控制措施

（1）根據進度計劃安排，2019 年春節前Ⅰ期南側基坑開挖至第四道混凝土支撐位置，而后跨越 2019 年春節后繼續向下開挖。考慮設計支撐間距（縱向）、周邊環境敏感性、基坑暴露時間及基坑總體變形量指標控制，遂決定采用第二、三道鋼支撐由普通φ609 鋼支撐調整增加應力伺服系統，以進一步控制基坑變形。

（2）Ⅰ 期南側基坑在開挖第一層土方時，考慮到該基坑設計第一至第二道鋼支撐間距較大，達到 5.5 m，另外考慮到開挖安裝支撐需求，開挖深度需達到 6.0 m，單層開挖深度大、無支撐暴露時間長，非常不利于圍護結構變形控制。經參建各方討論決定，開挖該層土方時，以分 2 層進行開挖，即第一倉至第二倉第一層開挖 3.5 m，后進行第一倉第二層開挖至支撐安裝位置，后進行支撐安裝加載，同時配合支撐應力伺服系統使用達到基坑暴露時間縮短及圍護結構側向變形量小的效果。

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

3.2 Ⅱ 期北側基坑開挖階段變形控制措施

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

（1）Ⅱ 期北側基坑標準段第 6 道、工作井第 5 ～ 7道φ609 鋼支撐調整為φ800 鋼支撐；另外，由第 2 ～ 3道鋼支撐采用鋼支撐應力伺服系統調整為基坑全斷面采用鋼支撐應力伺服系統，支撐軸力按設計軸力 100% 初始施加，根據墻體監測數據變化情況及時調整加載值（100% ～120%）。

（2）由于 Ⅰ 期南側基坑收底至工作井范圍及標準段局部位置開挖進入 ⑤2 層，初期坑底土體固結良好，后連日降雨及開挖擾動，坑內明水在排除后土體液化明顯，部分下翻結構位置開挖困難，不利于基坑變形控制。結合Ⅱ期北側基坑底⑤2 層土層特性及環境敏感程度，在Ⅱ期北側基坑工作井局部增加坑底加固，同時設置墻縫止水措施改善基坑滲漏水及降低明水對收底工作的影響。

4 實測數據及分析

Ⅰ 期南側基坑標準段、工作井及 Ⅱ 期北側基坑標準段、工作井每層工作面施工完成后的最大圍護結構深層水平位移情況如表 1 ～ 表 4 所示。

表1 Ⅰ 期南側基坑標準段施工圍護結構變形匯總表

表2 Ⅰ 期南側基坑工作井施工圍護結構變形匯總表

表3 Ⅱ 期北側基坑標準段施工圍護結構變形匯總表

表4 Ⅱ 期北側基坑工作井施工圍護結構變形匯總表

通過對表 1 ～ 表 4 的相關數據分析，可以總結出以下特征。

（1）第一層土方分 2 層開挖的方法使得基坑實際分層變形量明顯優于設計的分層控制指標，普遍為設計變形值的30% ～ 50%。

（2）臨時增加的 1 道鋼支撐在第 4 道混凝土支撐形成過程中對圍護變形發展起到明顯控制作用。

（3）Ⅰ 期南側基坑第二層土方開挖采用“層中分層”的方法，同時配合鋼支撐應力伺服系統的使用，使得基坑實際分層變形量明顯優于設計的分層控制指標；另外配合第四道混凝土支撐施工階段增加1道臨時鋼支撐控制基坑變形量，圍護變形情況可控，最大變形量達 1.8 ‰，較設計變形指標要求差距較小。

（4）通過總結 Ⅰ 期南側基坑施工經驗并增加相關措施后，Ⅱ 期北側基坑圍護結構總體變形控制尚好，各圍護測斜點監測指標均有效控制在規范及設計可控范圍內（1.4‰基坑開挖深度），基本控制在允許指標的 70% 左右，最大變形點變形指標為 1 ～ 1.2‰。

（5）Ⅱ 期北側基坑標準段第 6 道、工作井第 5 ～ 7 道φ609 鋼支撐調整為φ800 鋼支撐，并配合鋼支撐應力伺服系統的使用，且初次加載軸力在設計軸力的基礎上適當調整，總體控制在設計軸力 110%，使得第 4 道混凝土支撐以下部分土方開挖過程中圍護結構變形量明顯小于Ⅰ期南側基坑圍護結構變形量，控制效果顯著。

5 結 語

軟土地區復雜環境條件下，該車站基坑整個開挖階段通過各項措施的綜合應用、對Ⅰ期南側基坑相關特征詳細地分析總結以及對Ⅱ期北側基坑控制圍護側向變形措施的進一步優化，可以得出以下結論：

（1）在單層土層較高的基坑開挖施工中，采用“層中分層”的方式，對控制圍護結構側向變形有積極作用，普遍為設計變形值的 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間長，導致無支撐暴露時間久，可采取增加臨時鋼支撐的措施控制圍護側向變形量，總體效果明顯。

（3）基坑開挖收底作業前，可結合坑底土層特性及環境敏感程度，在局部開挖困難的位置增加坑底加固，同時設置墻縫止水措施改善基坑滲漏水對收底工作的影響，防止土體液化被動土壓力減小導致圍護側向變形變大。

（4）基坑開挖階段，采用主動加載的鋼支撐應力伺服系統替代被動受力的傳統鋼支撐，對減小圍護結構整體側向變形量具有顯著的作用，特別是在受客觀因素影響導致基坑有支撐暴露時間比較長的情況下，能有效確保基坑及其周邊環境的安全。