长江漫滩地层深大基坑开挖设计及稳定性分析

王龙飞

（中铁十五局集团城市轨道交通工程有限公司，河南 洛阳 471002）

目前，城市地铁车站深基坑工程具有建设规模较大，较为复杂的结构形式及组成，周边环境、地下管线复杂密集等特点，同时，车站深大基坑开挖施工过程中对土层造成扰动，易导致软弱土层局部塌陷。因此，基坑开挖施工过程中，地表沉降变形控制尤为重要，据此，选择合适的基坑开挖施工技术较关键。目前，国内外学者对地铁车站深基坑的开挖施工技术进行了系列研究[1-5]。研究成果多数是针对于黏土和砾石等地层条件下深大基坑的开挖方法的研究，具有一定的理论体系和较为成熟的工艺，但长江漫滩复杂地层条件下的深大基坑的开挖方法、开挖参数及其稳定性分析缺乏系统的研究，本文通过对南京地铁9 号线滨江公园站深基坑，研究分析其开挖设计参数及稳定性，为类似工程提供经验参考。

1 工程概况

1.1 设计概况

滨江公园站位于奥体大街与扬子江大道交叉口处，岛式站台，地下二层双跨框架结构（局部双柱三跨）。开挖基坑长478m，宽19.7m，深度为16.09～17.89m，明挖法施工，采用0.8m 厚地下连续墙作为围护结构，东侧挖至中风化泥岩层中，墙长55.0～56.5m，西侧挖至粉细砂层中墙长33.6～36.5m。[6]（图1）

图1 地铁车站平面图

1.2 工程地质及水文条件

滨江公园站基坑地层情况从地表依次为：人工填土、冲淤积黏土、粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂、砾石、砂质泥岩。车站范围内无地表水分布。[6]各土层参数如表1 所示。

表1 各土层物理力学性能参数

1.3 周边环境

车站周边环境相对复杂，与扬子江大道平行，上方为江苏大剧院广场（北端），东侧约20m 为奥体新城隧道。同时，地下管线也较多，多数分布在江苏大剧院广场，少数分布在车站南端。[6]

2 深大基坑分层长台阶开挖方案

2.1 竖向分层，纵向分段开挖

分层长台阶放坡开挖法按照“时空效应”原理，对坑内土体合理切割，进行分区域分块开挖。

2.2 先支撑后开挖

开挖台阶长度L 应控制在一定范围内，各开挖段作业完成后应及时架设支撑，防止基坑处于长时间无支护状态。

2.3 横向分单元放坡开挖

每层土方开挖时在横向对开挖土体进行单元划分，进一步控制开挖土体单元大小。开挖按“先中间后向两边扩展”的顺序进行放坡开挖。

3 漫滩地层深大基坑开挖参数与稳定性分析

本文采用有限元数值模拟软件，利用强度折减法对深基坑开挖参数及其稳定性进行分析。

3.1 计算模型及参数选取

根据对称性，建立1/2 无支护状态基坑平面应变模型，对不同开挖深度、台阶长度与放坡角度下的稳定性分析，确定基坑安全合理开挖参数。根据圣维南原理，有限元模型尺寸取50m×60m，底边和侧边均采用约束方向位移的位移边界条件，见图2 所示。

图2 基坑计算断面模型

3.2 竖向土层开挖高度H 对基坑稳定性影响

为确定竖向土层开挖高度H 的合理范围，分别取2m、5m、6m、8m 的开挖深度依次对基坑稳定安全系数进行求解。

当垂向土层开挖高度为2m 时，基坑处于安全状态，安全系数Fs 为1.82。随着开挖高度H 的增加，Fs 呈减小趋势，H 为5m 时，基坑稳定安全系数为1.2。当开挖高度H 大于5m 后，Fs 减小并逐渐小于1，如图3 所示。

图3 垂向分层开挖高度H 对基坑安全稳定影响曲线

分析结果表明，基坑开挖安全稳定系数随开挖高度H 的增加而减小。其中，稳定安全系数Fs 在0＜H≤5m 区间内大于1，基坑处于稳定状态；当开挖深度H＞6m，安全系统Fs＜1，基坑处于失稳状态。因此，分层长台阶放坡开挖法的垂向分层区间高度在2m≤H≤5m 区间能够有效保证基坑各层土方开挖时的安全稳定。

3.3 纵向分段长度L 对基坑稳定性影响

为确定纵向分段开挖长度L 的合理范围，分别取6m、8m、10m、12m、14m、16m、18m 的开挖长度，依次对基坑稳定安全系数进行求解，基坑开挖深度取5m。

由图4 可知，随着纵向分段长度的增加，基坑安全稳定系数Fs 呈递减趋势。当6m＜L＜14m 时，Fs 递减较为迅速，表明在此长度范围内，L 的变化对基坑稳定较为明显。当14m＜L＜18m 时，Fs 变化不显著，随着L 的增加，开挖边坡上下逐渐形成了贯通的破坏滑动面。施工过程中，应尽可能使基坑处于稳定状态，因此，分段开挖长度建议取值6m≤L＜14m。

图4 纵向分段长度L 对基坑安全稳定影响线

3.4 放坡比例对基坑稳定性影响

为确定开挖土层放坡比例的合理范围，分别取1：3、1：2、1：1、1：0.75、1：0.5 的放坡比例依次对基坑稳定安全系数进行求解，基坑开挖深度H=5m，纵向分段长L=12m。

由图5 可知，随着基坑开挖放坡比例的增加，基坑稳定安全系数Fs 呈递减趋势。当开挖放坡比例为1：3 时，Fs 为3.22，当开挖放坡比例为1：0.5 时，Fs 为1.8，同比减小44%。其中，当放坡比例在1：3-1：1 之间时，Fs 递减速度相对较大，说明放坡比例的变化对基坑稳定性影响较为显著；在1：1-1：0.5 区间时，Fs 递减速度较低。考虑到施加施工过程中基坑开挖边坡易受雨水冲刷，实际放坡比例建议取小于等于1：2。

图5 放坡比例对基坑安全稳定影响曲线

4 周边建筑物及地表沉降变形分析

滨江公园地铁车站穿越较厚软弱地层，周边环境复杂，基坑土方开挖安全施工尤为重要，采用上述开挖设计，进行车站基坑开挖施工。基坑开挖期间对周边地表沉降及建筑物沉降变形进行分析。基坑开挖施工对周边建筑物和地表产生的沉降变形如图6 所示。

由图6 可知，采用该开挖设计参数，在实际基坑开挖施工过程中，减弱了对周边土层的扰动，进一步阻止了上层软弱土坍塌，最终使得地表沉降降低。周边建筑物在基坑开挖施工阶段最大沉降量仅为2.8mm，地表最大沉降量仅为11.5mm，均满足设计要求。根据现场监测数据地下连续墙墙体变形，均满足设计要求。

图6 周边建筑物及地表沉降沉降曲线

5 结论

本文以南京地铁9 号线滨江公园车站基坑开挖工程为例，对长江漫滩地层条件下深大基坑开挖参数及稳定性进行分析研究，并提出了在此种地质条件下的基坑土方开挖设计，得出如下结论。

5.1 车站基坑穿越较厚软弱地层，地层条件及周边环境复杂，地表沉降控制严格时，宜采用竖向分层，纵向分段的“拉马道式”开挖方式。

5.2 漫滩复杂地质条件下，竖向分层开挖深度宜取2m≤H≤5m；纵向分段长度宜取6m≤L＜14m；开挖放坡比例宜取1：2 及以下。