复杂条件下软土超深基坑变形特性分析

徐四一 丁传松

（上海山南勘测设计有限公司，上海 201206）

0 引言

随着城市化进程的发展，软土地区市政基础设施如地铁、市域线等轨道交通线路越来越多，由于换乘、避开邻近设施等诸多因素影响，加之周围环境、地质条件、交叉施工作业、施工场地大小限制等，对应地铁车站/市域线车站基坑工程围护设计越来越复杂，施工变形控制难度增大，尤其涉及到保护性对象（如特种管线、重要设施等）等级高、基坑平面尺寸及深度差异、分区开挖等，施工中对变形规律的分析并进行变形控制以保护重要的特种管线或重要设施意义重大[1-5]。

软土地区城市开发密度大增，经常发生因施工工序、重车荷载、基坑变形规律掌握不足等导致基坑工程风险，而当前对施工层面的施工工序、重车荷载对基坑工程的影响等相关研究略显不足。研究和总结相关施工经验并进行数据分析，具有降低工程风险的现实意义。

本文以上海某市域线车站基坑为背景，针对多个施工分区和⑥层粉质黏土缺失，考虑各分区平面尺寸不同、围护深度不同、开挖深度差异、基坑与邻近换乘段交叉施工、持续的基坑侧壁附加荷载等影响因素，重点分析围护墙体水平位移（测斜）、坑外地表沉降规律，基于不同分区基坑的变形特性分析，对相关施工措施进行探讨，为后续类似项目提供经验借鉴。

1 工程概况

1.1 工程背景

上海市域线某车站位于外环外某园内，为二层车站（与其他地铁线路换乘区域为三层），整体处于古河道沉积区，大致呈细长型，东西走向。车站结构净尺寸：693 m×（13/24/36）m，基坑开挖深度24.3 m～30.1 m（以H表示，下同），围护结构均采用地下连续墙。车站主体基坑设三道纵隔墙，共设4 个区进行施工（见表1、图1）。

图1 基坑分区平面示意图

表1 基坑分区参数

基坑开挖深度超过25 m 的均采用1200 mm 的地下连续墙，开挖深度小于25 m 的均采用1000 mm的地下连续墙。工作井区域的支撑形式：第一、三、五、六道为砼支撑，第二、四、七道为钢支撑；1/2/3 区标准段区域的支撑形式均为：第一、三、五道为砼支撑，第二、四、六道为钢支撑。4 区标准段为第一、三道为砼支撑，第二、四、五、六道为钢支撑。基坑底部3 m 以下采用高压旋喷桩抽条加固。

同一施工分区因北侧合流污水管线因素，连续墙普遍加深，加深长度分别为5/6/9 m。

3 区涉及与地铁的换乘段，1200 mm 连续墙深度加深至74.5 m，开挖深度由24.3 m 加深至33.4 m，落深区另增加2 道砼支撑，围护采用铣接头和MJS 加固止水。

1.2 周围环境

车站结构北侧存在两根φ4000 mm 合流污水砼顶管，与车站结构大致平行走向；管节长2.5 m，顶覆土约8 m。污水管距离西工作井最小距离为26.29 m，距离东工作井最大为44.41 m，均位于基坑开挖2 倍深度影响范围内。

1.3 工程地质与水文地质

（1）工程地质与不良地质

车站位于古河道沉积区，施工范围内存在2 处明浜（淤泥厚度0.2～1.8 m），3 处暗浜（淤泥厚度1.2～5.5 m）；下部为粉（砂）性土③1-1，该区域⑥层粉质黏土缺失。普遍分布有厚层软弱土层（③1、④、⑤1），具有含水量高、孔隙比大、强度低及压缩性高等特性。4 区开挖至底板深度时有沼气喷溢。土层物理性质指标见表2。

表2 土层物理力学性质指标

车站标准段坑底位于⑤1黏土层；工作井坑底位于⑤31粉质黏土夹粉砂层。围护墙底均位于⑤32粉质黏土与粉砂互层中。

（2）水文地质

影响车站基坑的承压水为⑤32层和⑦2层（局部同⑧2层连通）。⑤32层微承压水水位埋深 4.85～5.96 m。⑦2层承压水水位埋深为4.735 m～5.161 m。换乘段落深区连续墙围护隔断承压水层。

1.4 施工工序与工况

车站基坑共分4 个区进行施工。基坑开挖施工工序先后为4 区、1 区、3 区、2 区。具体见表3。

表3 施工工序一览表

2 监测数据分析与施工控制

2.1 地下连续墙体水平位移（测斜）

（1）车站4 个区测斜变形总体分析

基坑开挖中因车站基坑区域明浜和暗浜多、软弱淤泥质土厚度大、⑥层粉质黏土缺失等，加之交叉施工点多、出入口少、重车荷载大等不利因素，导致本项目连续墙体水平位移（测斜）值普遍偏大。

图2-图5 为4 个区典型墙体测斜与坑外地表沉降测点示意图。

图2 施工1 区围护墙体测斜和地表沉降测点设置示意图

图3 施工2 区围护墙体测斜和地表沉降测点设置示意图

图4 施工3 区围护墙体测斜和地表沉降测点设置示意图

图5 施工4 区围护墙体测斜和地表沉降测点设置示意图

图6 为选取4 个区（阳角、短边、换乘段区域测点不参与统计）长边测斜点测斜均值统计。各区测斜均值相对较大的位于基坑宽度大的2 区和3 区，测斜均值相对小的为基坑宽度小的4 区；表明基坑宽度尺寸是影响围护墙体测斜变形的重要指标。

2 区和3 区开挖施工顺序相比整个工期最晚，尽管吸取了4 区和1 区施工中的经验教训，但数据变形仍较大；原因系基坑宽度大、邻近盾构材料/换乘段材料重车荷载频繁加载、工地出入口仅有1 个等。表明基坑宽度尺寸设计、纵隔墙设计、开挖土方车路线及工地出入口数量设置等均至关重要，在整个项目中应做好前置规划。

（2）围护墙深度、开挖深度基本一致，基坑宽度不同

根据表4，围护深度和开挖深度一致时，基坑宽度越宽（即使采取了很多施工措施），测斜最大值越大；变形的尺寸效应明显。

表4 围护墙体测斜最大值

4 区为最先施工的基坑（基坑宽度最小，测斜最大值却比3 区较大），可能原因：在开挖施工工序、支撑施工控制等方面均存在一些不足。根据4 区的施工经验教训，3 区基坑采取了多项施工措施：开挖面减少为2 幅连续墙宽度、钢支撑增设伺服系统（同时支撑截面由φ609 调整为φ800）和缩短支撑施工时间等，反应在时间效应和空间效应上，宽度19 m 的基坑墙体测斜变形得到了较好的抑制。宽度36 m 的基坑尽管施工中控制措施较多，但客观尺寸因素影响更大，导致变形较大。

（3）基坑宽度、开挖深度一致，围护墙深度不同

因基坑北侧2H（H为基坑开挖深度）范围内有保护性合流污水管线，该侧连续墙深度普遍加深。选取3 组成对测点（见表5），基坑宽度均为本项目最大的36 m。超宽基坑因开挖/支撑时间长、临边重车荷载频繁加载、空间效应等诸多因素影响，墙体测斜总体均较大，测斜最大值平均值超过5‰H。

表5 围护墙体测斜最大值

受出入口限制，本项目土方及材料运输出口只有1 个（位于1 区西侧）。在最后一个施工区2 区施工中，邻近换乘地铁站材料重车荷载、邻近盾构区间管片运输重车荷载反复作用于基坑北侧临边；叠加影响致使开挖施工中的2 区墙体变形及地表沉降变形均较大，尤其使北侧较深的连续墙变形和地表沉降均超过南侧。

（4）换乘段、加固区

车站基坑与地铁换乘段落深区位于3 区（见图3），因设计有纵隔墙，等同增加了支撑刚度，对应围护墙体测斜最大值相比其他区域减小至少40%，空间约束左右明显（见表6）。

表6 围护墙体测斜最大值

西工作井加固区测点CX91、东工作井加固区测点CX44 因均在盾构始发区，工作井外侧均采用三轴搅拌桩加固，围护墙体测斜最大值均小于一级基坑等级1.4‰H。说明主动区土体强度增大对减小围护体变形作用非常明显。

2.2 地表沉降

（1）选取项目4 个区各两个断面（对称布设于基坑南北两侧），图7 为距离围护不同距离的地表沉降点沉降槽变形。地表沉降槽最大值距离围护连续墙约12 m（约0.43～0.5H），地表主要沉降集中在2H范围内；多个区域地表沉降最大值超过4‰H，且沉降范围超过3H；即本工程基坑工程施工对周围地表沉降影响较大。可能原因为：因本项目邻近的盾构隧道管片运输重车、换乘车站材料运输重车荷载反复影响（受限于1 个重车出入口）；另外，开挖较深时考虑突涌因素坑外降承压水，降水漏斗范围大亦对地表沉降产生影响。

图7 地表沉降离围护边线不同距离变化曲线

（2）根据工程经验和研究成果，基坑周围地表沉降与围护墙体测斜有对应关系[6-9]。本项目中，根据基坑4 个区地表沉降最大值与地下连续墙测斜最大值拟合函数，最大沉降是最大测斜的0.832 倍，与规范[10]相关研究总体相符（见图8）。

图8 地表沉降最大值与围护墙体测斜最大值关系

3 结论

（1）古河道沉积软土区围护墙体测斜变形与基坑宽度紧密相关，宽度越大墙体变形越大，对应地表沉降亦较大。

（2）换乘段位置因纵隔墙支撑刚度影响，邻近区域空间尺寸效应明显，围护墙体测斜显著减小。

（3）基坑临边周期性重车振动荷载对围护墙体变形及周边地表沉降变形影响大。重车进出路线及出入口规划优化设计应引起足够重视。

（4）古河道软土区域基坑周边地表沉降最大值约在0.5H位置，受降承压水及重车荷载等影响，地表沉降范围显著增大。

（5）开挖施工中通过减小开挖面宽度、缩短支撑施工时间及增加支撑刚度均能有效抑制变形发展。