基于时空效应软土深基坑开挖施工监测变形研究

陈 攀

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

1 工程概况

宁波5号线三官堂站地铁车站呈南北方向布置，车站两头为主要交通干道，车站拟建场址为高架东侧辅道，道路工程在轨道实施完成后再行施工。站点为地下两层岛式站台车站，明挖法施工，车站范围为双柱三跨矩形框架结构，车站中心顶板覆土厚度约3.0 m。车站起终点里程SDK27+709.686～SDK27+943.085，站台中心里程为SDK27+802.235。车站两端均为盾构法区间隧道，标准基坑宽度为21.7 m，基坑最大开挖深度在南端头井为18.154 m，北端头井开挖深度为17.70 m，基坑土方开挖总量约8.6万m3。

1.1 地质条件

由现场勘查报告可知，该地铁站施工区处于较厚的软土层区，其工程勘察地质，各土层物理力学指标如表1所示。由图可知，该站开挖区土层分别从上往下依次为：杂填土，密实度为松散～密实，层厚约为1.3 m；粉质黏土，灰黄色厚层状，局部可塑，层厚约为1.9m；黏土，灰色层状，流塑状，层厚约为1.6 m；淤泥质黏土，灰色层状，流塑状态，层厚约13.6 m；粉质黏土，灰色厚层状，流塑状态，层厚约为6.1 m。

1.2 基坑围护结构方案

车站采用明挖顺作法施工，车站中心顶板覆土厚度约3.0 m。车站起终点里程SDK27+709.686～SDK27+943.085，站台中心里程SDK27+802.235，车站基坑长233.4 m，标准段基坑宽21.70 m，开挖深度为16.36 m，端头井基坑宽25.7 m，基坑最大开挖深度南端头井为18.14 m，北端头井开挖深度为17.70 m。围护结构全部采用800 mm厚地下连续墙+内支撑体系(一混凝土四钢)，标准段基坑深约16.36 m，地墙插入比约为1.12；南端头井深18.14 m，地墙插入比约为1.09；北端头井深17.70 m，连续墙插入比约为1.34。地连墙混凝土标号为水下C35，抗渗等级为P8。

表1 各土层主要物理力学性质一览表

1.3 周边环境影响

该地铁车站周边环境影响主要为已建成的构筑物和地下管线分布，在施工过程中要严格控制对已建构筑物及地下管线的影响。

车站周边主要构筑物为。

(1)基坑西侧为在建大桥，该大桥钻孔桩承台基础，基坑与高架接线段挡墙最小净距6.5 m；

(2)基坑东侧为浙学院体育场看台，Φ426混凝土沉管灌注桩，桩长21 m，基坑与看台水平净距14.7m；

(3)车站周边地下管线主要改迁石油管线，管线与基坑最小距离为14.7 m，柴油管线和汽油管线各一根，均为273钢管，加套DN600钢筋混凝土套管保护，埋置深度约4.2 m；还有部分燃气管线和110 kV埋深4 0m的电缆线。

2 考虑时空效应影响施工方案及工程监测

深基坑在开挖施工时，由土体、支护结构工程空间结构，开挖过程中由于工程扰动，会对支护结构及土体的压力和变形造成影响，该影响不仅与基坑的开挖方式、平面尺寸及开挖深度有关，还受到支护空间的影响，具有明显的时空效应。

2.1 工程监测布置方案

为考虑时空效应在基坑开挖过程中对基坑参数的影响，对基坑的围护结构深层水平位移、地表沉降、内支撑轴力等进行监测布置。其基坑监测布置平面图如图1所示。

图1 深基坑监测布置图

2.2 施工方案与进度

依据施工计划及场地条件，基坑开挖时利用“时空效应”理论，依照“分层、分段挖土，先中间后两边”的原则进行开挖施工。考虑主体结构施工，将基坑分为10个开挖段，车站两个端头分段长度分别为204 m、24 m，其余标准段长度为23～24 m。

在开挖顺序上遵循为北端头井→南端头井→标准段(自北向南)的顺序进行，南端头由于靠近石油管线，按照一级变形控制进行考虑，南端头井见底后加大人力投入，尽快施做底板；出土过程中，密切关注基坑监测变形数据，当数据变形过大，立即增设临时钢支撑。为减少开挖过程中对基坑扰动，对基坑进行分层开挖，将基坑分为5个大层163块土方，按顺序依次进行开挖。

3 开挖过程中时空效应分析

3.1 地表沉降时空效应分析

选取基坑长边与端部短边监测数据进行分析，绘制地表沉降监测图，如图2所示。由图2可知，基坑长边地表沉降值大于短边地表沉降值，且长边中间部位地表沉降较为明显。在基坑开挖过程中，东侧开挖位移较西侧开挖位移小，东侧最大地表沉降量为-27.3 mm，为西侧沉降量-60.7 mm的44.97%。由于西侧距离大桥较近，承受荷载较大，当西侧基坑进行开挖时，应力会向着基坑侧产生释放，故此较东侧基坑开挖时，会产生较大位移沉降。

图2基坑周边地表沉降位移曲线

为了分析施工开挖变化过程中地表位移沉降，选取基坑周边典型位置监测数据进行分析，该监测点均距基坑6.5 m，从212 d地表沉降监测数据中选取前期开挖160 d内典型位移变化进行分析。

图3 基坑开挖地表沉降曲线

由图3可知，AD1-3监测点，在开挖过程位移变化较小，即开挖过程对端部地表沉降影响较小；监测点AD13-3在进行开挖时，开挖层1、2的地表沉降较小，完成前两层开挖时，地表沉降为17 mm，为总沉降值的34.7%。随着开挖时间的增加，基坑深度增加，由于土体开挖过程中的卸荷作用，地表沉降位移的增加速度也随之增加。而测点AD5-3在完成第一层开挖时，沉降值达到了17.2 mm，为最终沉降值的68%，之后随着开挖的进行，位移沉降逐渐趋于稳定值。

3.2 支护结构水平位移时空效应分析

选取基坑长边与短边处的支护结构水平位移监测点，绘制监测点水平位移曲线，如图4所示。由图4可知，基坑支护结构水平位移同样存在相同现象，即长边水平位移大于端部水平位移。其中ACX-1～8监测点的支护结构最大水平位移为24.9 mm，为ACX-9～16监测点支护结构最大水平位移67.4 mm的36.9%。即基坑支护结构的水平位移，会向着支护结构长度的跨中部位增加。

图4 开挖完成时水平位移

3.3 支护结构轴力时空效应分析

图5为基坑支护结构轴力监测图，由图5(a)可知，当基坑完成第一层开挖时，轴力在大小分布上为钢支撑轴力小于混凝土支撑轴力，混凝土支撑上的轴力呈现两头小中间大状分布。由图5(b)可知，当完成第二层开挖时，钢支撑上的轴力呈中间打领头小分布；由于AZg1-3处于南端开挖点，致使其在开挖时，第3层钢支撑还未完成布置，导致该监测点呈现南端轴力偏大现象。由图5(c)可知，在完成第3层开挖时，钢支撑上轴力依然呈现中间大两边小分布。由图5(d)可知，完成第四层开挖时，钢支撑上轴力分布呈现北侧大于南侧，南端的开挖深度小于北端，致使土体用力分布不同，致使钢支撑轴力分布不均。综上可知，在基坑进行开挖时，距离开挖土体较近的支护结构轴力所受影响较大，且伴随开的进行，支护结构上的轴力分布逐渐均匀，即该种支护结构设计较为合理。

图5 支护结构轴力监测图

3.4 基坑时空效应的涌水涌砂问题分析

在该地铁车站开挖过程中，位于该车站东侧(轴27)位置，发生地下连续墙③1b层涌水涌砂问题。由工程分析可知，该处所处地层主要为粉砂层，在对其两侧进行开挖时，致使该处发生地下连续墙的连接缝发生较大的差异性沉降，差异性沉降产生的张拉力，使地墙接缝锁口管位置产生微裂缝。此处地下水位较高，在应力和水压力的作用下，致使水压力沿着裂缝薄弱点向基坑临空面集中，在应力集中作用下，连续墙发生破坏，产生涌水现象。在水的作用力下，该处的粉砂颗粒逐渐被地下水带出，形成流水通道，最终演化为涌水涌砂现象。该涌水涌砂现象导致周边环境发生沉降，其建筑物距离基坑最近位置最大沉降值达到-70 mm。为防止继续对周边环境造成影响，采用坑外双液浆进行堵漏。首先采用地质钻机引孔，孔径φ76 mm，深度为③1b粉砂层涌水位置负5 m，将双液注浆管下到离漏点一定距离的深度，双管注浆注入水泥浆+清水，待渗漏位置流出浓稠水泥浆开始注入水玻璃，这两种浆液在管端处混合，形成水泥-水玻璃混合浆液，在水流的带动下，在漏点附近形成凝胶，利用该凝胶封堵漏水点。

4 结 论

本文以宁波5#线三官堂站地铁车站为工程依托，对该地铁站软土深基坑在开挖过程中地表沉降、内支撑轴力、基坑围护水平位移、涌水涌砂的时空效应影响进行研究，研究结果如下。

(1)在软土深基坑地区的开挖工程中，采用“分层、分段开挖，由中间向两边”的施工顺序进行，可控制软土深基坑在开挖过程中的变形。

(2)深基坑在开挖过程中时空效应较为显著，其地表沉降、支撑轴力会随着开挖深度的增加而增大，且伴随着开挖深度的增加，该现象会愈加明显，增加速率逐渐增加。

(3)软土深基坑支护结构的水平位移和地表沉降的在空间分布上呈现长边大，端部小；支护结构轴力的空间分布会受到开挖顺序的影响，且伴随开挖的进行逐渐趋于均匀分布。

(4)围护结构锁口管位置差异变形过大，在水压的影响下，地下连续墙接缝部位易发生涌水、涌砂，应采用高压旋喷注射双液浆进行封堵，能够取得较好的处理效果。