高灵敏性软土深基坑变形影响因素分析及控制措施

2021-04-27刘志波

铁道建筑技术 2021年2期

刘志波

（中铁十四局集团第四工程有限公司山东济南 250002）

1 工程概况

1.1 仇毕车站深基坑介绍

仇毕站为地下四层岛式车站，双柱三跨矩形框架结构，车站采用明挖顺作法施工［1］。车站基坑长187.875 m，标准段基坑宽23.20 m，开挖深度27.55 m，南（北）盾构端头井基坑深29.3 m（29.69 m）。车站围护结构均采用1 200 mm厚、56.7 m深地下连续墙。标准段共设八道支撑，第一、六道为钢筋混凝土支撑，其余为钢支撑（第二、三道直径为609 mm，第四、五、七、八道为800 mm）；南（北）盾构井共设九道支撑，第一、六道为钢筋混凝土支撑，其余为钢支撑（第二、三道直径为609 mm，第四、五、七、八、九道为800 mm）。

1.2 周边环境情况

（1）周边管线

根据《宁波市轨道交通3号线一期工程管线详查交底记录》［2］及《宁波市轨道交通3号线一期工程管线详查成果及说明》，车站基坑范围内不存在管线，周边存在电力、给水、通讯管线。

（2）周边建筑物

车站南侧有欣兴别克4S店两层框架房屋，车站西侧有宁波世纪汽车城停车场、宁波现代机电物资市场四层框架房屋、现代商城六层框架房屋。

2 软土深基坑变形分类

软土深基坑变形主要分为以下三类：围护结构墙体变形、坑底土体隆起、基坑周围地表沉降。

围护结构墙体的变形分为墙体水平变形和竖向变形。水平变形是在基坑开挖初期，支撑结构还未施工，墙体产生水平位移，且顶端位移最大；当开挖深度达到一定程度施作内撑后，刚性和柔性墙体的位移变形程度有所区别，其中刚性墙体向基坑内侧产生变形，而柔性墙体在支撑处产生向基坑外的变形趋势，此时墙体腹部往往向基坑内部突出明显，而墙顶位移几乎不产生变化。竖向变形是因为在土体开挖过程中，土体自重应力释放致使围护结构墙体发生上移［3］，这种上移不仅严重威胁到基坑的安全与稳定，同时还影响到基坑周围的地表沉降以及围护结构自身的稳定性，尤其是处于饱和软弱地层当中的基坑工程，影响尤为突出。

基坑坑底隆起是因为基坑开挖过程即是基坑开挖面上卸载的过程，基坑上部约束已缺失，造成基坑底发生回弹。对于深基坑而言，由于基坑围护结构承受巨大的主动土压力，导致基坑墙体受土压力作用向坑内变形，致使基坑底土体向上回弹，发生隆起。

3 监测内容与监测数据分析

3.1 监测范围及项目

为了更好地控制三类变形的影响，采用监测手段及时了解变形信息，以便调整施工方案。

在基坑施工区域周围3倍基坑开挖深度范围内以基坑围护施工和开挖施工为监测工作的重点阶段，并根据施工工况，适当加密监测频率［4］。根据规范及设计要求，本次施工监测内容见表1。

3.2 监测数据概况

监测工作于施工进场开始，至工程施工完毕，监测工作结束。各监测项目的监测情况如下：

（1）房屋沉降：百隆街商铺沉降最大监测点为Jc8（－45.3 mm）、Jc7（－43.0 mm），雪佛兰职工宿舍平均沉降在30 mm左右，距离基坑最远的别克维修车间沉降在4～7 mm范围。

（2）管线沉降：燃气管线最大沉降点为Mc6（－221.5 mm），污水管线最大沉降点为Wc6（－116.5 mm）。

（3）地表沉降：受场内施工荷载影响，地表累计沉降较大，最大沉降点为D6-3（－259.3 mm），距离基坑约10 m。

（4）墙体位移：本工程墙体位移监测点共20个，有7个测点累计位移量超过80 mm，主要分布在基坑标准段。最大位移点为CX13，位于基坑南侧，累计位移量为97.81 mm。其他测点累计位移在50～80 mm之间，变化不大。综合各测斜孔监测情况，基坑南侧测斜累计变量大于北侧测斜累计变量。

（5）工后沉降：本工程工后沉降监测点共19个，累计最大沉降量为－5.38 mm（测点Jc9），最后100 d最大沉降速率为－0.016 mm/d，基坑稳定，满足停测标准［5］。

3.3 数据分析

选取南（北）端头井及标准段两组墙体位移点情况进行数据整理，见表2。

表2 墙体位移点变化情况

随着基坑开挖深度增加，测斜最大变形深度逐步下移，最大变形深度位于基坑开挖深度下2～6 m。基坑开挖至第四层，测斜累计变量临近报警值，由于第6道支撑为混凝土支撑，基坑变形不大，开挖至第7层～第8层时变形加剧。

根据CX13监测数据成果，基坑开挖至第4层，累计最大位移量为36.13 mm；基坑开挖至第5层，累计最大位移量为44.33 mm；基坑开挖至第6层，累计最大位移量为54.33 mm；基坑开挖至第7层，累计最大位移量为67.57 mm，基坑开挖至第8层；累计最大位移量为80.90 mm；底板浇筑完成，累计最大位移量为87.4 mm。墙体变形最大处于第5～8层基坑开挖阶段，底板浇筑完成后至今，数据趋于稳定，变化不大。

坑外地下管线、地表沉降、房屋沉降［6］主要变化在基坑开挖第5层土方～第8层土方期间。基坑开始降承压水后，变形速率明显减弱。

针对基坑变形较大区域，采取了相应的措施，如CX2于5月3日黄色预警，及时浇筑临时板撑并增设直撑，控制坑外车辆；在基坑开挖至底层时增设临时支撑、加厚底板垫层、浇筑反撑等，合理安排工序，赢得了时间，变形得以控制。

影响基坑变形的因素可概括为：（1）宁波地区土质特殊性；（2）基坑正常开挖引起的墙体变形；（3）地下水；（4）基坑周边为施工便道，坑外动载；（5）无支撑暴露时间过长，支撑预应力损失导致支撑受力不够。

4 基坑变形控制措施

（1）土体加固

宁波地铁3号线典型的宁波高灵敏性软土土质，受扰后易造成水平方向卸荷和垂直方向卸载。为了改变土质特殊性，本工程采用三轴搅拌桩抽条方式对软土掺入8%水泥使土体固结。通过增加土体强度能有效提高土体的侧向抗力，减少土体压缩和围护墙的位移，以保证工程结构不致发生超过允许值的位移［7］。

（2）内支撑竖向间距

适当减小内支撑的竖向间距不仅能增加墙体相对刚度［8］，而且能缩短无支撑暴露时间。本工程南北端头最下层土方开挖时，存在2 m的下卧区间，在此区间将钢支撑间距调至2.6 m，上筑结构时采用换撑处理，有效控制了端头井的角部墙体变形。

（3）利用时空效应土方开挖

土体应力松弛会使土体的位移和应力均随时间而变化，而在应力水平不变的条件下，应变随时间增长的特性称为土的蠕变性。在土体应力较小的情况下蠕变变形很小（主要为弹性蠕变）并且收敛且稳定，当土压力达到或超过弹性蠕变的极限应力水平时，蠕变速率会急剧增大而发生破坏［9］。

适当减小每步开挖土方的空间尺寸［10］并减少每步开挖土方的无支撑暴露时间，是降低土体应力水平、控制流变位移的有效手段，特别是在无支撑暴露时间小于24 h时效果尤其明显［11］。考虑时空效应，科学地利用土体自身控制地层位移的潜力，以解决软土深基坑稳定和变形问题［12］。

在具体施工中，沿纵向按限定长度（6 m）分段、逐段开挖；在每个开挖段中分层，每层先挖中间、再挖两端；随挖随撑，在开挖16 h内安装支撑并施加预应力（设计轴力的70%）。

（4）及时调整钢支撑预加轴力

应加强对钢支撑轴力的监测，发现轴力流失应及时进行轴力补偿。轴力补偿复加时，每一幅地下连续墙上的支撑应同时复加。

钢支撑安装后要注意观察，支承桩相对地下连续墙的上下浮动会引起支撑拱起弯沉，要及时发现、及时“松绑”。

下道钢支撑轴力施加，会导致上道钢支撑轴力减小，应根据监测单位提供的数据补加轴力，直至达到设计要求。

在施工中要对基坑变形加强监测，如因侧压力造成钢支撑轴力过大而接近控制值时，必须及时采取相应措施进行处理，如增加支撑等措施，以免钢支撑挠曲变形过大，对基坑安全造成危害。

（5）加强基坑降水

宁波地铁3号线根据实际承压水层深度与基坑底板标高，按照基坑底板抗突涌稳定验算要求进行分区段、按需降水。

在降水的同时，为防止四周水位降低导致力学平衡失稳，有效应力增加而且水位降落至漏斗范围内，水力梯度增加致使以体积力的形式作用在土体上的渗透力增大［13］，在两种影响因素下基坑周边土体产生沉降和变形。为控制工程降水对地面沉降的影响，除了利用围护结构阻隔地下水的渗流通道、按需降水等方法外，本工程采用地下水回灌作为应对措施。坑外水位稳定后，受保护建筑物处水位降深5.3 m，开启两口回灌井进行压力回灌后，建筑物处水位降深最终稳定在3.0～3.5 m。