软土深基坑支护体系变形特性研究

刘 宁，凌 青，叶 旦，王 亮

(中设设计集团股份有限公司，南京 210014)

随着城市建设的快速发展，许多城市对地下空间进行了不同用途的开发利用，而基坑规模和开挖深度的增大使临时围护结构变形和稳定问题变得复杂和突出[1]。软土深基坑工程仍然是一项极具挑战性、高风险性、高难度的岩土工程技术热点课题。如何保证软土地基深基坑开挖工程安全，已成为岩土工程界面临的一个新挑战[2]。软土深基坑工程受地层特性、地下水及外部荷载等诸多因素影响，风险性高[3]。目前，对深基坑的现场监测已经成为确保软土深基坑工程施工安全可靠的必要和有效手段，通过基坑开挖过程中的基坑监测[4-5]，实行信息化施工能减少基坑安全事故发生[6]。

本文结合南京河西地区某软土深基坑支护工程实例，对软土地基深基坑开挖过程中结构动态变化进行分析，初步获取软土基坑变形规律[7-10]，为软土基坑施工与监测提供参考依据。

1 项目概况

1.1 工程概况

该地铁车站基坑工程位于南京河西地区，距秦淮河1.6 km，距长江约2.5 km，沿江东南路呈东西向设置，与规划有轨电车换乘。该地铁车站为地下两层跨岛式站台车站，车站基坑全长191.00 m，标准段基坑宽21.30 m，盾构井段宽25.70 m。标准段基坑深度15.78 m，盾构井段深度17.09 m。车站基坑平面图见图1。

图1 基坑平面

车站围护结构采用连续墙+内支撑型式，围护结构采用800 mm连续墙，标准段基坑竖向设四道支撑：第一道采用800×800 mm混凝土支撑，水平间距6 m，第二道～第四道采用φ609，t=16 mm钢管支撑，水平间距3 m，并对第三道支撑进行换撑。盾构井基坑竖向设四道支撑：第一道采用800×800 mm混凝土支撑，水平间距6 m，第二道～四道采用φ609，t=16 mm钢管支撑，水平间距3 m，并对第三道支撑进行换撑。标准段围护结构嵌固深度为17 m。盾构井嵌固深度为18.7 m。地下连续墙接头采用10 mm厚H型钢板接头，另外墙幅接缝处基坑外侧采用两根旋喷桩止水。

1.2 工程地质及水文地质条件

车站所处地区地貌类型为长江高漫滩平原地貌单元，地势较平坦，地面高程为7～10 m，近地表主要由全新统粉质黏土、粉土、粉细砂等组成。勘察地层揭露的地层主要有：①-1层杂填土，②-la2粉质黏土，②-2b4淤泥质粉质黏土，②-3d3层粉砂夹粉质黏土及②-4d2粉砂、细沙，其中②-2b4为软土层，②-3d3为液化土层。

地下水类型主要为孔隙潜水、微承压水及基岩裂隙水。孔隙潜水接近地表分布，含水层岩性主要为①层人工填土及②层淤泥质粉质黏土。含水层厚度5.50～13.60 m、平均8.86 m。微承压水含水层岩性主要为②层细粉砂及④层圆砾。隔水顶板为微不透水的②层淤泥质粉质黏土，隔水底板为下伏岩层。本车站基岩裂隙水为碎屑岩类裂隙水，含水岩组岩性为白垩系浦口组的碎屑岩类组成。

2 监测方案

2.1 基坑监测内容

结合基坑的具体情况，选择的测项包含：坑外地表沉降、围护墙顶沉降和水平位移、立柱沉降、支撑轴力、墙体测斜、土体测斜及坑外地下水位等测项。由于在基坑施工过程中部分测点被破坏，监测数据不连续或者监测数据失真，因此本次分析选取能够较好地反映支护体系受力与变形及监测效果良好的一些测项进行分析。

2.2 监测报警值

根据本工程的特点，结合《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497—2009)关于一级基坑监测报警值的规定以及设计单位要求，监测报警值见表1。

表1 监测报警值

3 监测结果分析

3.1 围护墙顶沉降

监测结果显示，围护墙顶沉降总体表现为上抬。从图2可以看出监测初期墙顶出现短暂的下沉，之后便持续上浮，最终累计上浮量大多超出报警值。在底板浇筑结束后，墙顶竖向位移基本稳定。监测曲线显示，整个监测过程中，墙顶竖向位移大多比较平缓，没有出现急剧变化的现象，表明基坑开挖过程中，地下连续墙竖向位移是缓慢发展的。

为控制地下连续墙的上抬量，在基坑开挖过程中，适当降低坑内外地下水位，使土体固结压缩，对墙体产生负摩阻，一定程度上抑制墙体上抬，从图2可以看出，六月下旬之后，墙体上抬趋势明显抑制。

图2 围护墙顶沉降时程曲线

从南、北两侧墙体竖向位移的对比曲线图可以看出，北侧墙体竖向位移出现比较明显的对称现象，基坑中部上抬量较大，从中部到两侧上抬量逐渐减小，至两端点上抬量较小，没有明显上抬，南侧墙体则没有明显的对称现象，且整体上抬量较小，未超出报警值。

另外，从图3中可以看出，两侧墙体存在最大约10 mm 的差异沉降量，这将使混凝土支撑受到明显的弯矩，可能导致混凝土支撑从轴心受压状态或小偏心受压状态发展至大偏心受压状态，降低其受压稳定性。

3.2 墙顶水平位移观测

本次墙顶水平位移观测在墙顶布置小棱镜，采用极坐标法进行观测。在施工过程中，墙顶小棱镜多数受到不同程度的破坏，影响监测数据的连续性。本次总结挑选保存较为完好的6个监测点进行统计分析。

图4中的6个监测点在基坑西端头井处，图中4条曲线均较平缓，且位移量也较小，这应与混凝土支撑具有较大的刚度有关。另外，理论上基坑端头处墙顶水平位移也较小。

3.3 立柱沉降

从图5中可以看出，立柱竖向位移趋势与墙顶竖向位移趋势基本一致，但立柱累计位移量稍大于墙顶累计位移量。立柱与地下连续墙的差异沉降也会增加混凝土支撑的次生应力，导致混凝土支撑受到明显的弯矩，从而影响到其稳定性。

图5 立柱沉降时程曲线

3.4 坑外地表沉降

为全面分析基坑周边地表沉降的特点，选取两个测点较为完整、位置比较典型的监测断面，做出沉降监测断面曲线图。从图6和图7中可以看出，坑外地表沉降的特点为距离基坑支护边缘最近处沉降量最小，距离基坑支护边缘较远处沉降量也相对较小，在两者之间的一定范围内沉降量达到最大值。这种现象与理论预期相符合，靠近地下连续墙边缘处，受到地下连续墙背摩擦力的影响，土体沉降受到约束；而距离基坑边缘较远处，由于降水而产生的渗流影响减弱，故土体沉降量也会较小；在这两者之间的范围内，土体即不受墙背摩擦力的约束，降水渗流影响又比较显著，故而最大沉降量会产生在此范围内。

图6 地表沉降第08监测断面沉降曲线

图7 地表沉降第22监测断面沉降曲线

3.5 支撑轴力

图8为混凝土支撑轴力变化时程曲线。可以看出，混凝土支撑轴力观测值大部分小于报警值。在开挖第一层土期间，混凝土支撑轴力有明显增加的趋势，第二道支撑架设完毕后，大部分混凝土支撑轴力持续下降。后期钢支撑拆除阶段，混凝土支撑轴力又略有上升，这一现象基本与理论预期一致。

部分轴力观测值后期出现负值，即表示支撑受拉力。这种情况应是支撑受明显弯矩影响，导致一侧受拉一侧受压，受拉侧钢筋平均拉力大于受压侧钢筋平均压力，而混凝土轴力计算是通过受力钢筋平均应力计算而来，故导致支撑轴力计算值出现拉力。因此，在日常观测中，应关注受拉侧钢筋的拉力大小，应用变形协调原理计算混凝土所受拉力，以此判断是否达到混凝土的抗拉强度，注意观察混凝土支撑是否出现裂缝，不能只关注计算轴力的大小，忽视支撑的受力状态。

图8 混凝土支撑轴力变化时程曲线

3.6 墙体测斜

墙体测斜采用在地下连续墙钢筋笼上绑扎测斜管，用滑动测斜仪的方法进行观测，并以孔底为起算基点。

本次总结以土方开挖和底板浇筑施工节点为时间参考，选取每个节点的典型曲线，并将不同节点时的曲线绘制在同一幅图内，以便观察不同施工工况下墙体的变形特点。由于施工影响和破坏，部分墙体测斜孔数据不连续，本次总结挑选数据较为完整的两个测孔(见图9和图10)绘制不同施工工况下墙体测斜曲线的变化图。

图9 ZQT04号孔变化曲线

图10 ZQT06号孔变化曲线

从墙体测斜变化曲线图中可以看出，所列出的墙体测斜孔最终最大累计变化量多数超出报警值。最大变形值出现在基坑底附近，随着基坑开挖深度的增加，产生最大位移的位置也随之下降。在土方开挖期间，墙体位移有明显增加，但在最后一层土开挖结束至底板浇筑完成期间，墙体深层水平位移量较小。这说明土方开挖导致支护结构受力状态发生改变，原有平衡被打破，支护结构之间进行内力重分配直至达到新的平衡，墙体因此也会发生明显的变形，在监测期间，此过程应重点关注，以获得支护结构内力与变形的发展变化。

另外，图中测斜曲线在后期变形较大时，不再像前期变形较小时那样光滑，而是出现突变点，这种现象是否具有普遍性，需要在后续监测过程中总结归纳。

3.7 土体测斜

为了解基坑开挖及降水对坑外深层土体造成的影响，在围护结构止水帷幕外侧1 m左右布置了土体深层水平位移观测孔。测孔采用预钻孔然后埋设测斜管的方法布设，同样以孔底为起算基点。

由于施工影响和破坏，部分监测孔监测数据不连续，部分工况数据缺失。挑选数据较为完整的一些测孔为对象绘制土体深层水平位移主要工况下的变形曲线，见图11、图12。

图11 TS05号孔变化曲线

图12 TS13号孔变化曲线

土体测斜曲线表现出与墙体测斜曲线形态相似，但也有明显的区别。根据3.4节坑外土体沉降分析结果，靠近围护结构土体沉降较小，随着距离的增加沉降量出现先增加后减小的趋势，考虑支护结构顶部的水平位移量和土体三维变形形态，土体测斜孔孔口附近位移量较小，甚至出现负向位移(即背离基坑方向)。

与墙体测斜不同，土体测斜最大值一般出现在基坑底上部1～2 m位置，随着土层的开挖，最大水平位移位置也逐渐下降。

4 结 论

本文以南京一地铁车站软土深基坑为例，介绍了基坑开挖过程中支护体系及周边岩土体受力变形特点，通过对基坑的围护墙顶沉降和水平位移、立柱沉降、支撑轴力、墙体测斜及土体测斜监测结果分析，可以得出以下结论：

(1) 地下连续墙呈明显上抬趋势，与理论预期不相符合，且两侧连续墙及连续墙与支撑立柱之间存在差异沉降，对支撑受力不利，应采取措施控制差异沉降量，减小对支撑和连续墙本身受力的影响。对于悬挂式止水帷幕，为减小地下连续墙过量上抬，可合理安排坑内外降水，适当降低坑内外地下水位，以使土体固结压缩对墙体产生负摩阻，控制墙体上抬。

(2) 支撑轴力一般小于报警值。下层土方开挖将导致墙体变形，应力重新分配，紧邻的上层支撑轴力随之增大，此时应重点观测，适当加密观测频率，掌握应力重分配过程中的支撑轴力变化。

(3) 个别墙体测斜累计变形量和变形速率超出报警值，增大支撑预加轴力或增加支撑能够有效地防止墙体变形持续快速发展。随着墙体变形发展，其变形曲线可能不像理论预期那样光滑。部分土体测斜数据在孔口附近表现为背离基坑位移，应与测斜管和坑外土体沉降槽的相对位置有关。