长江漫滩地区紧邻文物地铁车站深基坑变形分析及控制研究

于 程 童祖玲 赖苏玲

(南京同力建设集团股份有限公司 江苏南京 210046)

0 引言

城市快速发展，交通日益完善，给人类生活带来了便利，也给各类基坑工程带来更大的挑战。由于环境的复杂化，工程实施过程中，土质及周边环境的影响，成为基坑安全考虑的主要因素之一。南京地铁站南京西站位于长江漫滩地区，车站南侧为南京西站(市级文物)，地质条件差和周边环境保护要求高，成为该工程施工的一大难点。本文根据监测数据，对其深基坑变形进行原因分析，研究总结其结构变形控制措施，以期对类似深基坑的设计、施工提供借鉴。

1 项目概况

1.1 工程概况

新建地铁站南京西站为中间站，站台是宽度为11 m的岛式站台，地下两层双跨(局部三跨)矩形框架结构，车站标准段宽度为20.1 m，车站主体结构外包总长为180 m；顶板覆土约为3.1 m～3.3 m，标准段底板埋深为16.6 m～16.75 m，端头井底板埋深为17.6 m～17.9 m，车站共设置3个出入口、2个风道和1个消防疏散通道，1个预留出口。车站主体基坑采用明挖顺作法施工。主体围护结构采用800 mm厚度地下连续墙+水平内支撑支护体系，车站两端且均为盾构接收。

1.2 周边环境

该项目位于长江漫滩地区，车站南侧为南京西站(市级文物)，主体结构外皮距其建筑最近约42.3 m，附属结构外皮距其建筑最近约15.6 m。

1.3 工程地质条件

车站地表普遍分布①-1人工填土，往下依次为②-2b4淤泥质粉质黏土(混夹粉土、粉砂，层厚18.80 m～32.40 m)、②-4b3粉质黏土夹粉砂(混夹粉土、粉砂，层厚约3.50 m～28.20 m)、②-5d1粉砂、粉土(层厚约1.20 m～5.20 m)、④-4e1卵砾石(层厚约5.30 m～16.30 m)，局部揭露④-4d1粉砂层。

结构底板位于地质条件较差的②-2b4淤泥质粉质黏土层(混夹粉土、粉砂)(fak=65 kPa)，如图1所示。

图1 项目地质剖面图

1.4 水文地质条件

1.4.1 地表水

车站周边较大的地表水体为长江和惠民河。长江距离厂区西侧约300 m，惠民河距场区西侧约40 m。长江距场区较远，对本项目影响不大。惠民河距场区稍远，地表水与孔隙潜水联系密切，对基坑降水有一定影响。

1.4.2 地下水

(1)孔隙潜水

孔隙潜水近地表分布，主要赋存于浅部①层人工填土。①层成分复杂，极不均匀，其透水性较好、赋水性较差；该含水层水位埋深主要受大气降水控制。

(2)承压水

承压水主要赋存于深部②层粉砂、细砂中。透水性、赋水性均较好，与潜水的隔水层为微～弱透水的②层淤泥质粉质黏土、粉质黏土夹粉土、粉砂，埋藏较深，一般在50 m以下，具承压性，含水层底板为下伏基岩。

(3)地表水及各含水层之间的水力联系潜水与承压水之间水力联系微弱。

2 基坑设计

2.1 围护结构

车站基坑围护结构采用800 mm厚地下连续墙,标准段墙深36.7 m，最大墙深39.5 m。接头形式：工字钢刚性接头；车站围护结构依次穿越①1杂填土、②1素填土、②-2b4淤泥质粉质粘土、②-4b3粉质粘土夹粉砂。

2.2 水平支撑体系

第一道采用钢筋混凝土支撑：截面尺寸为800 mm×1000 mm；第二道及以下采用φ609，t=16 mm钢管支撑，如图2所示。

图2 围护结构断面图

2.3 地基加固

该工程位于长江漫滩地区，且该车站结构底板位于地质条件较差的淤泥质粉质黏土层，该土层强度低、压缩性高，对地连墙变形的控制不利，因此设置合理的加固措施是有效途径之一。

车站主体基坑内设置双轴搅拌桩抽条+裙边基底加固(抽条宽度3 m，间距3 m，裙边宽度3 m)，加固深度均为3 m，双轴搅拌桩采用φ700@500×500矩形布置，双轴搅拌桩裙边加固与地下连续墙间设一圈φ800@600三重管旋喷桩。

2.4 模拟计算

根据下关火车站与南京西站相对位置关系，采用FLAC3D建立模型如图3(a)所示，进行数值计算分析。由于岩土材料物理力学特性的随机性和复杂性，要完全模拟岩土材料的力学性能，严格按照实际的施工步骤进行数值模拟困难。在建模和计算过程中，应考虑主要因素，忽略次要因素，结合具体问题进行适当简化[1]。

2.4.1 计算模型

本次计算建立二维与三维有限元模型进行计算，采用FLAC3D模拟1号风道基坑开挖对下关火车站主体建筑的影响，考虑按基坑工程实际的开挖中加撑与换撑顺序进行模拟。

根据计算结果，选择典型断面计算，模型宽、高分别为101 mm×45 mm，共5726个单元，8967个节点，如图3(b)所示。

(a)有限元几何模型 (b)有限元模型图3 计算模型图

2.4.2 计算结果

从图4～图7可知，基坑的开挖，将使建筑产生水平位移和竖向沉降，靠近基坑侧的位移和沉降值最大。计算得到，最大水平位移值为2.2 mm，最大竖向位移4.35 mm。根据房屋竖向沉降值，可算得建筑倾斜值为0.0004%。可见，建筑的变形和差异沉降均满足建筑保护控制值要求。

图4 基坑开挖产生水平位移

图5 基坑开挖产生建筑水平位移

图6 基坑开挖产生的竖向位移

图7 基坑开挖产生建筑竖向位移

3 基坑变形监测

施工过程中，应对基坑及周边建筑物进行实时监测。本文主要对一期主体基坑的变形进行分析，一期主体基坑的监测平面布置图如图8所示。开挖过程中及时对监测数据进行统计分析，发现基坑变形较大，监测预警点位较多，预警情况如表1所示。

表1 一期主体基坑监测预警统计表

图8 一期主体基坑监测平面布置图

监测所得围护结构深层水平位移最大累计变形为173.09 mm，位于深度22.5 m处，基坑西侧7-8轴之间；周边地表沉降，最大累计沉降变形为-152.3 mm，位于基坑西侧7-8轴之间；周边建筑物沉降最大累计沉降变形为-23.5 mm；立柱桩沉降最大累计变形为38.00 mm，位于基坑西侧2轴附近。

4 基坑变形原因分析

4.1 地质条件

基坑所在位置地质条件主要为软土。软土的物理特性是具有天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、渗透系数小。工程特征则表现为触变性、流变性、高压缩性、高灵敏度、低透水性及不均匀性等，这些特性对软土基坑工程的主要影响有：

(1)触变性：结合桩体深层水平位移数据来看，地连墙最大变形深度均在开挖面以下4 m～5 m左右，如图9所示。

图9 最大变形深度随支撑条件改变的变化

(2)流变性：对比降水记录与地表沉降监测数据，即使基坑未开挖时，基坑降水仍会导致地表沉降数值缓慢增长。

(3)高压缩性：软土属高压缩性土，软土的压缩系数a1- 2>0.5MPa-1，极易因其体积的压缩而导致地面和基坑支护结构沉降。

(4)低透水性：因其透水性弱和富水性强，对地基排水固结不利，不仅影响地基强度，同时也延长了地基趋于稳定的沉降时间。车站一期共设置10口疏干井，计算理论日均单井降水可达5.7 m3，实际日均单井降水仅未1.2 m3，疏干效果较差，土体固结较慢。

(5)低强度和不均匀性：软土地基强度很低，且极易出现不均匀沉降。从地表沉降监测数据来看，基坑南侧地表沉降值普遍小于基坑北侧同断面地表沉降值(施工机械及重载车量均在基坑南侧作业)。

4.2 支撑预应力损失

钢支撑按设计值预加轴力后，从监测数据可看出，其轴力损失较大。日最大损失量可达预加轴力的31.7%，复加轴力后轴力仍会有较大损失。反复复加轴力4～5次，方可大致保持钢支撑轴力损失量较小，如图10所示。

图10 钢支撑轴力大小变化

4.3 不同的挖撑体系形成次序

通常可将挖撑次序分为先撑后挖和先挖后撑两种过程。显然，前者对基坑的约束作用更强,基坑的变形更小。然而在实际施工过程中，由于钢支撑竖向轴心间距仅3 m，净距仅2.31 m，机械作业几乎无法做到先撑后挖，导致开挖面无支撑，暴露时间增大。

4.4 基坑暴露时间过长

车站一期主体基坑于2019年11月5日开挖，受环保扬尘管控、春节假期及疫情影响，于2020年8月1日完成一期基坑封底。基坑暴露时间过长，也是导致基坑变形量大的重要原因。

5 采取措施及实施效果

针对上述变形过大的原因分析，有针对性采取改善措施，将监测变形数据控制在合理范围之内，具体详见下文。

5.1 加强管理基坑降水与排水

根据软土的工程特性，合理采取相应改善措施。由于软土具有流变性及低透水性特点，故不宜过早进行降水作业，否则会导致为开挖区域土体缓慢积累应力，稍受外力扰动其变形值即快速增长。车站一期原方案共设置10口疏干井，起到的疏干效果却较差，土体固结较慢。故软土基坑降水应以明排为主，对开挖到的区域进行降水作业，仅需在开挖过程中保证开挖区域土的含水率不过大即可，以减小变形，减少对周边环境的影响。

5.2 优化支撑结构体系

为减少钢支撑预应力轴力的损失，对支撑结构体系进行优化。如能在基坑变形前使坑外土压力与支撑轴力达到平衡，基坑变形就可以得到有效控制，而钢支撑伺服系统正好能做到这一点[2]。

钢支撑预加轴力设计值根据坑外土压力和坑内抗力平衡计算出来，预加轴力按照设计值的50%～70%施加。但按照预加轴力，并不能较好控制基坑变形，主要原因是预加轴力与坑外土压力不相等，不能达到上撑即能控制变形的效果。所以，较为合理的方式是预加轴力取设计值的100%。由于目前规范规定的土压力计算模型采用主动土压力公式，而使用伺服系统后，基坑变形受到严格控制，土压力可能介于主动土压力和静止土压力之间。所以综合考虑，预加轴力不小于设计值的100%，可以把100%设计值设定为压力下限。为了最大限度地发挥支撑的作用，应该将支撑承载力极限作为压力上限，通过伺服系统保证支撑安全[3]。

车站一期主体基坑11-13轴局部采用钢支撑伺服系统，通过对比地连墙深层水平位移监测数据，可以看出，采用伺服系统段落地连墙深层位移，最大值仅为未使用区域1/3左右，且地连墙变形形式与未使用伺服区域有较大区别。图11为对钢支撑区域地连墙和伺服区域地连墙最大变形处监测情况统计，可看出地连墙在钢支撑伺服系统作用下，成刚性变化，在普通钢支撑作用下成弹性变化[4]。

(a)钢支撑区域地连墙最大变形处监测情况 (b)伺服区域地连墙最大变形处监测情况图11 地连墙变形形式监测结果对比

从以上对比分析可以看出，钢支撑伺服系统能够有效发挥钢支撑的支护作用，减小预应力损失，从而达到减小基坑变形的作用。

5.3 合理安排开挖顺序

在安排挖土顺序时，首先要按照围护结构支撑的布置情况分层开挖，其次尚需分区开挖。同样，分层分块的开挖，也会减小开挖土体的空间几何体，这就是利用空间效应减小基坑的变形。当一个区段的土方挖到设计标高后，应立即安装支撑，以缩短无支撑的暴露时间，减少时间效应对位移的影响。

如图12所示的分层分段放坡开挖形式与整层开挖比，开挖面无支护暴露时间可大幅度缩短。故在本工程中，合理设置分层分段开挖，并及时支护，减少开挖面无支护的暴露时间，以减小基坑变形。

图12 基坑分层分段放坡开挖示意图

通过各项对策实施，在一期基坑开挖过程中，下关火车站沉降观测、测斜观测数值均在设计单位给定的控制值内。

6 结论

软土层基坑在复杂环境条件下施工，结构变形的控制是保证基坑安全稳定的基本。本工程通过各项对策实施，在一期基坑开挖过程中，下关火车站沉降观测、测斜观测数值均在设计单位给定的控制值内。本文通过对南京西站软土层深基坑的变形，进行原因分析与控制措施总结，得出以下结论：

(1)由于软土的流变性及低透水性，不宜过早进行降水作业。应以减少积累应力，基坑降水应以明排为主，对开挖到的区域进行降水作业，仅需在开挖过程中保证开挖区域土体满足开挖条件即可。

(2)钢支撑伺服系统能够有效发挥钢支撑的支护作用，基坑深层位移最大值仅为普通钢支撑围护结构变形的1/3左右，对减小支护结构及邻近建筑物的变形具有显著效果。

(3)合理设置分层分段开挖，并及时支护，减少基坑暴露时间，即减少时间效应，充分发挥空间效应，对于减小支护结构变形起到关键作用。