富水超深厚粉细砂层深基坑变形处理措施研究

张国腾

（中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司，江苏 无锡 214000）

1 工程概况

无锡新区站是无锡地铁3号线一期工程第19座车站，采用明挖顺作法施工，站址位于无锡新区高铁站前方，沿珠江路敷设，小里程端头毗邻现状新华路箱涵段，为地下2层岛式站，双柱三跨箱形框架结构，外包总长 197.65 m，标准段宽 22.70 m，深17.43 m；车站围护结构采用800mm厚地下连续墙+内支撑体系（从上至下为1道混凝土支撑+2道钢支撑，钢支撑均为φ800mm×16mm），地下连续墙平均深度38 m，最大深度44.8 m，隔断微承压水。

基坑开挖范围自上而下依次为①-1层杂填土、③-1-1层粉质黏土、③-2层粉质黏土夹黏质粉土、④-1层黏质粉土、④-2层粉砂夹砂质粉土，其中车站底板均位于④-2层中，该层土全场分布，呈灰色，饱和，摇振反应迅速，平均厚度 23.84 m，最大厚度39 m。

车站地下水主要为松散岩类孔隙水，具体包括全新统潜水层、全新统微承压水、上更新统承压水，其中微承压水被围护结构全部隔断，承压水被⑥-1层黏土层隔断，对本工程影响可忽略。

2 基坑变形过程及处理措施

1）2016年12月16日7：00点开始基坑降水试验，降水试验井分布如图1所示，24 h后坑内水位平均下降14.43 m，停止降水 1 d后，平均水位上升约1.6 m，呈稳定状态，如图2所示。

图1 无锡新区站降水试验井分布

图2 降水试验水位变化示意

2）2017年1月5日基坑开始开挖，开挖顺序为从两端头向中间开挖。

3）2017年2月10日复工后，开挖顺序调整为先开挖第7标准段，然后向两端头展开（第7段划分长度22 m，开挖深度 17.34 m，土方分 4层进行开挖）。

4）2017年3月5日下午15：45，第7施工段开挖至第3道支撑下0.7 m（累计开挖深度13.8 m，支撑均按照设计要求架设、加力），该施工段内测斜4号点在 16.5 m深的位置变化速率达3.99mm/d，深度17.5 m处累计变化量达 24.20mm（控制值3mm/d，±30mm），达到监测橙色预警（变化速率和累计变化量均超过控制值的80%），支撑轴力、地表沉降及坑外水位等监测数据均无异常，随即停止开挖并召开预警分析会。

5）2017年 3月5日23：50，在原设计的第3道支撑之间（间距4 m），增加1道临时钢支撑，同时对测斜4号点两侧的第3道支撑进行轴力复加。

6）2017年3月6日至2017年3月9日期间，第7施工段内各项监测数据稳定，测斜预警断面变形收敛。

7）2017年3月9日22：00恢复基坑开挖（第7施工段内支撑已全部施工完成，剩余基底最后一层土方）。

8）2017年3月10日15：30，第7施工段清底时（开挖深度17.5 m），测斜4号点在深度19.5 m处日变化量达3.91mm，测斜20号点在深度20.0 m处日变化量达8.27mm，测斜19号点在深度16.5 m处日变化量达10.63mm（日变形控制值3mm），达到监测红色预警，随即召开预警分析会。

9）2017年3月10日21：50，第7段垫层混凝土浇筑完成，垫层厚度由原设计的150mm增加至300mm，混凝土中加入早强剂，同时铺设了φ12＠300×300加筋网片。

10）2017年3月11日6：30，在原设计的第3道支撑与基底之间增加了第4道φ609mm×16mm临时钢支撑，预加轴力967.6 kN。

11）2017年3月11日监测数据显示：第7施工段内测斜变化稳定，其余各项监测数据也无异常。

12）2017年3月22日5：00第7施工段底板结构浇筑完成，后续施工过程中变形数据稳定。

13）后续施工段在支撑按原设计施工的情况下，仍出现类似变形情况。后经由设计院对支撑体系进行如下优化：①将原设计第3道支撑上调2 m后，在基底与第3道支撑中间增加第4道支撑，缩小最底层支撑与基底的垂直距离；②对钢支撑的平面布置进行优化，具体为：钢支撑平面布设位置按照地下连续墙分幅情况进行调整，调整原则为 “一墙双撑，对称布置”。

3 原因分析

1）地层原因 无锡新区站开挖范围自上而下地层中④-2层粉砂夹砂质粉土（平均厚度23.84 m，土层具有中偏低压缩性、工程地质性能一般），该层在失水后，呈粉尘状颗粒，彼此间黏聚力差，失水范围内的土体对地下连续墙的约束力消散明显，即基坑在开挖最后一层土时，基底土层的“板体约束”作用消失。

2）水文 围护结构采用将深基坑内外的微承压水层水力联系全部隔断的设计，加之④-2层透水性极好，在长197.65 m基坑内降水时，基坑内水位整体下降明显，水力联系紧密，随着基坑内土方开挖及坑内水位下降，地下连续墙内外侧形成的水头压力差也就愈加明显，这一点与基坑开挖越深，变形最大的位置向基坑开挖方向下移的规律相吻合。

3）围护结构建模计算存在一定局限性 目前国内深基坑验算模型基本使用软件进行，基坑支护结构单元在计算时，软件应用参数设置的局限性有：①软件建模分析时，分析单位为基坑横断面上取长度为1 m的连续墙单元，理想化设定地下连续墙结构在基坑长度方向上为刚性结构。而实际均为工字钢接头仅与一侧的地下连续墙钢筋笼刚性连接（焊接），另外一侧为承插接口，在基坑长度方向上，地下连续墙仍然存在很大的变形空间；②软件建模计算时，每一种工况的实现均无“时间差”存在，即各工况下软件计算的围护结构变形均为地下连续墙单元体承受水、土压力及基坑内侧支撑力学平衡时的变形量（各工况瞬时完成转换），但在现场实际施工时，每一层土方开挖到位后，因预埋钢板的凿出及托架牛腿安装等工序（使用钢腰梁的时间差更大），都不可避免会产生工况转换的时间差，进而会引起围护结构变形情况与软件计算结果不符甚至相差很大的现象；③钢腰梁体系传力损失，钢腰梁在施工中虽尽可能地与地下连续墙面平整接触，但实际施工中，因为各方面施工原因，使钢支撑预加轴力在传递到钢腰梁后有较为明显的损失；④钢支撑平面布置位置不尽合理。该车站在围护结构设计中，钢腰梁“整体传力”的效果考虑过于理想化，钢支撑平面间距设计为4 m，按照设计的钢支撑平面间距施工时，因为地下连续墙幅宽基本为6 m，将不可避免地出现“一墙单撑、单撑偏顶”的情况；而钢腰梁为6 m长的单根拼装而成，拼装节点可视为柔性节点。当上述2种情况同时出现时，基坑的变形情况与软件建模验算结果更是相差很大。

4）基底与最底层支撑的距离偏大 该车站原设计最底层支撑中心（第3道支撑）距离基坑底部平均距离为4.6 m；加之基底1 m以下降水后板体作用消散，则最底层钢支撑与基底实际等效距离超过5 m，即钢支撑轴力位置偏高，基坑底部与钢支撑之间为应力集中位置，这与监测测斜变形曲线也相吻合。

4 结论与建议

1）该车站揭示的④-2层粉细砂层是后续深基坑施工中必须重视的地层。在各方面条件允许的情况下，应采取相应的基底加固处理措施，可进行抽条加固或裙边加固，确保基底土层在失水后，仍有较为显著的“板体作用”。

2）结合无锡新区站所揭示的地层地质情况，基坑在开挖过程中伴随的降水施工，在很大程度上决定该类地层深基坑开挖安全，也是基坑开挖过程中导致围护结构体系产生较大变形的决定性因素。故在该类地层中的深基坑施工时，必须进行降水试验，同时应按照基坑开挖的需求情况做到“按需降水，不得超降水”。

3）在基坑周边空间及建（构）筑物沉降允许的情况下，可辅以坑外降水措施。在基坑开挖深度逐渐加大时，启用坑外降水井，在底板结构尚未回筑的时间段内，缩小围护结构内外侧的水头压力差，进而控制围护结构发生较大变形。

4）各层支撑间的竖向间距及最后一层支撑与基底的竖向距离对控制基坑的变形有很大的影响。建模验算时应充分考虑实际的施工情况，必要时应将软件建模分析结果与实际情况相结合后再进行适当的调整，使建模验算结果最大程度的贴近实际施工工况，同时在水平方向一定要保证“一墙双撑”。

5）钢腰梁体系是深基坑开挖过程中“随挖随撑”最主要的制约因素，同时，钢腰梁与地下连续墙接触面不平整也会导致支撑传力不均，建议该地层或其他软弱地层中不设置钢腰梁体系，将钢支撑通过预埋在地连墙侧面的钢板直接进行传力，减小钢腰梁体系对钢支撑预加轴力的损失。同时，可增加钢支撑轴力伺服系统，设定钢支撑预加轴力预警阈值，在基坑开挖全过程中，对钢支撑轴力进行实时监控和实时补加。

6）在开挖完成后，应尽快封闭垫层及底板结构。考虑到底板结构施工时间段较长，对控制基坑变形不利，可采取措施提高垫层的强度和刚度，如在垫层混凝土中掺入早强剂、在垫层混凝土中加入加劲钢筋网片以及适当增加垫层的厚度等，在基底位置快速形成1道强度和刚度均较大的“板撑体系”，对控制基坑继续变形也会有很大的改善。

参考文献：

[1]无锡地铁3号线一期工程无锡新区站地质详勘报告[R]，2016.

[2]无锡地铁3号线一期工程无锡新区站施工设计[R]，2016.

[3]王国欣，马荣全，边成赞.深基坑开挖与承压水降水共同引起周边环境变形的分析[J].城市住宅，2017（4）：101-103.