软土地层地铁深基坑施工变形控制技术

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　　摘要：随着社会的发展，越来越多的城市开始修建地铁，如何控制软土地层中将地铁深基坑的变形以减少对周边环境的影响显得尤为重要，本文以宁波地铁一号线海晏北路站基坑施工为例，总结分析了软土地层地铁深基坑施工变形控制技术，可供相关人员参考。
　　关键词：软土；地铁深基坑；变形控制。
　　
　　地铁深基坑施工绝大多数位于密集城市中心，基坑周边密布着各类建构筑物、管线、道路以及地下隧道，周边环境复杂，而基坑作为一个临时结构设计时安全储备较小，加上目前设计理论还不够完善，导致基坑施工风险较大，一旦出现事故将会产生较大的社会影响。因此，必须严格控制地铁基坑的变形，确保周边环境的安全。
　　1、工程概述
　　1.1工程概况
　　海晏北路站为宁波市轨道交通1号线一期工程中间站，车站位于东部新城规划宁穿路下，沿宁穿路布置，呈东西走向； 车站为规划远期5号线车站呈"T"型岛-岛换乘车站，1号线为地下两层岛式车站，站台宽度12米、5号线为地下三层岛式车站，站台宽度12米，近期施作1号线车站及换乘节点。1号线车站为地下二层岛式站台车站，车站范围为单柱双跨或双柱三跨矩形框架结构，车站采用明挖顺作法施工，车站中心顶板覆土厚度3.121m。
　　
　　
　　
　　图1 车站基坑平面位置示意图
　　
　　
　　
　　1.2工程设计概述
　　车站主体围护结构采用地下连续墙加内支撑体系。车站基坑长267.25m，标准段基坑净宽21.3m。基坑标准段深度15.81～16.31m，墙长31m；西端头井基坑深度17.97m，墙长39m；东端头井基坑深度17.51m，墙长37m；换乘节点基坑深度23.21m，墙长50m。换乘节点采用1000mm厚地下连续墙+混凝土（第一道支撑）和钢管内支撑体系，其他部位采用800mm厚地下连续墙+混凝土（第一道支撑）和钢管内支撑体系。在连续墙墙缝处③1和③2地层上下各两米范围内采用三重管旋喷止水处理。
　　标准段：一道砼支撑+四道钢支撑+一道倒撑； 盾构井：一道砼支撑+五道钢支撑+一道倒撑；换乘段：两道砼支撑+五道钢支撑+两道倒撑。
　　盾构井、换乘段采用搅拌桩加固基底，加固深度3米，水泥掺量20%；标准段采用抽条加固，抽条宽度3米，深度3米。
　　2、工程地质及水文地质
　　海晏北路站处于宁波平原中东部，地貌类型位属海相沉积平原。地势平坦，现状标高为+2.3～＋２.5m。拟建场地地层均为第四纪沉积地层，成因类型以海相沉积为主，整套地层主要为粘土、淤泥质土、粉性土、深层的砂土组成。
　　海晏北路站场地地层均为第四纪沉积地层，为典型的软土地区，广泛分布厚层状软土，具有“含水量大、压缩性高、强度低、灵敏度高、透水性低” 等特点。
　　海晏北路站地层情况表
　　
　　
　　
　　土层
　　序号 土层名称 一般厚度
　　(m) 层底标高
　　(m) 状态 压缩性
　　①1-1 杂填土 1.0～2.0 / / /
　　①2 灰黄色粘土 0.5～2.2 0.46～2.18 软塑 中
　　①3 灰色淤泥质质粘土 3.4～8.1 -1.31～2.10 流塑 高
　　②2-1 灰色淤泥 1.0～4.5 -7.33～-3.95 流塑 高
　　②2-2 灰色淤泥质粘土 2.6～7.5 -10.04～-5.95 流塑 高
　　③2 灰色粉质粘土夹粉砂 5.5～9.1 -14.87～-9.95 软塑 中
　　④2 灰色粘土 3.5～11.3 -31.43～-23.00 软塑 高
　　⑤1 灰绿、草黄色粉质粘土 2.0～9.5 -31.43～-21.37 硬塑 中
　　⑤3 灰黄色砂质粉土 1.9～10.4 -35.63～-26.49 中密 中
　　⑥1 灰黄色粉质粘土 1.5～6.5 -33.98～-29.10 软塑 中
　　⑥2T 灰色砂质粉透镜体土 5.3 -32.80 中密 中
　　⑥2 灰色粉质粘土 1.7~6.4 -39.98~-31.47 软塑 中
　　车站底板位于③2层灰色粉质粘土夹粉砂，该层物理力学性质较差，为软塑状态，土质不均，夹薄层或团状粉砂，切面稍光滑，无光泽，无摇震反应，韧性中等，干强度中等；地下墙墙趾插入至第⑤1层暗绿～草黄色粉质粘土层。
　　场区内地下水由浅部土层中的潜水及深部粉（砂）性土层中的承压水组成。
　　潜水主要赋存于浅部粘性土、粉性土中，地下水位随降雨、潮汛影响而略有变化。本场区内主要承压水赋存于③1层灰色粉砂、⑤3层灰黄色砂质粉土、⑥2-T层灰色砂质粉土中。基坑开挖范围内土层除③1、③2层渗透系数建议取值约为1×10-7cm/s，③1层建议值为2.5×10-4cm/s，③2层建议值为4×10-3cm/s。
　　3、施工监测情况
　　海晏北路站基坑于2010年5月15日开挖，截止2011年4月完成全部结构施工。施工监测一直贯穿于整个开挖及结构施工的全过程，根据现场监测情况，基坑变形主要发生在基坑开挖过程中，在结构底板施工后，变形基本趋于稳定。为了说明现场实际问题，使数据有对比性，监测数据取2010年5月15日至2010年7月28日的数据进行分析。本基坑共分13段，2010年7月28日现场完成3段底板施工，4段土方开挖，其余各段按照分层情况处于不同的开挖深度，这样能更直观的反映每层土方开挖与变形的关系。
　　监测项目 累计变化量最大点 累计最大变化量 备注
　　地表沉降 D8-3 -104.25mm
　　管线沉降 DX5 -96.71mm
　　墙顶沉降 QC25 12.04mm
　　立柱沉降 LZ1 34.80mm
　　砼支撑轴力 ZH4-1 2167.8KN
　　钢支撑轴力 ZG3-5 3141.1KN
　　坑外水位 SW11 -173.9cm
　　墙体测斜 CX18 76.43mm
　　土体测斜 CXT10 57.64mm
　　注：以上数据“+”为上抬、受压、向内，“―”为下降、受拉、向外。
　　4、基坑变形分析
　　根据监测数据结合宁波地质情况，部分监测项目无法反应基坑实际变化情况，如地面沉降等受路面荷载情况影响较大，因此下面重点关注监测项目主要为立柱沉降、支撑轴力、坑外水位、墙体测斜，下面对以上四个项目进行分析。
　　4.1立柱沉降
　　由下表可知所有立柱均为上浮，且上浮量与开挖深度基本成正比例关系。其中LZ2在6月30日底板浇筑前上浮量为25.38mm，至7月28日变化量为1.58mm，变形趋于稳定。
　　测点编号 开挖深度 累计变量 备注 测点编号 开挖深度 累计变量 备注
　　LZ1 18.2m 34.80mm 已落底 LZ6 10.5m 14.97mm
　　LZ2 16.5m 26.96mm 已落底 LZ7 10.5m 15.15mm
　　LZ3 16.5m 19.63mm 已落底 LZ8 7.5m 10.73mm
　　LZ4 13.5m 22.67mm LZ9 7.5m 7.60mm
　　LZ5 10.5m 13.78mm LZ10 7.5m 9.36mm
　　注：数据统计至2010年7月28日。
　　4.2支撑轴力
　　砼支撑轴力根据开挖的情况总体为增大趋势，现场监测情况轴力基本位于600~2000KN，个别情况下达3000KN。
　　根据现场测得的钢支撑轴力来看，标准段第一层支撑轴力在320~920KN之间，第二层在728～1614KN之间，第三层在1064~1864KN之间；第四层为989～1695 KN之间。

　　钢支撑设计轴力第一层至第三层约为1600KN,第四层为1800KN，根据监测情况可见在基坑开挖到底后，支撑轴力以三、四层最大，基本每道支撑轴力都在1000KN以上，与设计情况基本相符，而第一、二层支撑轴力绝大多数远远小于设计值。
　　4.3坑外水位
　　海晏北路站基坑既进行疏干降水，又进行减压降水，坑内疏干降水水位在基底下1m，承压水头下降12.7～19.5m。根据坑外的水位观测孔数据，潜水水位下降在40～210cm不等，承压水位未进行观测。
　　根据监测情况发现，潜水水位下降主要发生在基坑降水期间，说明连续墙接缝局部存在渗漏现象，在开挖过程中我部对接缝特别关注，在基坑开挖到③1层后，发现接缝存在轻微渗漏，采用双快水泥进行封堵，潜水水位逐步回升。
　　在6月16日基坑落底，附近SW10孔水位下降达210.9cm，对接缝进行处理后，水位逐步回升，截止7月28日已恢复到正常潜水水位。
　　4.4墙体测斜
　　根据下表可知目前已开挖到基底的范围共有墙体测斜管9根，未挖到基底的墙体测斜管9根，经分析，其变形有以下规律：
　　1）所有变形最大的位置均在基坑开挖面以下，最大变形位于16.5～20米，最大变形位置与开挖深度没有太直接的关系；
　　2）CX5、CX6、CX21为盾构井范围内测斜管，其变形量明显小于标准段，标准段的长边效应明显；
　　3）所有相互对应的测斜管，其变形量基本一致；
　　4）开挖深度在7米时，基坑变形量较小，为4.28～7.2mm；开挖深度在10米时，基坑变形量增加较明显，为18.78～31.44mm；开挖深度在13.5米至16.5米时，变形量大大增加，为37.2～76.43mm；可以说绝大部分变形发生在开挖10米至16.5米的时候，也就是说基坑开挖深度越深，其变形越大；
　　5）基坑开挖到底时，基坑最大变形发生在基底以下1.5～3.5m，说明基底土层较差，所提供的被动土压力不足，设计在基底进行搅拌桩加固是相当有必要的；
　　6）基坑开挖到基底时变形较大，只有在垫层浇筑后，达到一定强度方能形成支撑作用，变形速率减少。
　　孔位编号 开挖深度 累计最大变量 最大变形位置 距离开挖面高度 备注
　　CX5 18.2m 34.54mm -20m 1.8m 盾构井
　　CX6 18.2m 42.70mm -20m 1.8m 盾构井
　　CX7 16.5m 37.20mm -20m 3.5m 与CX20相对
　　CX8 16.5m 46.82mm -20m 3.5m 与CX19相对
　　CX9 16.5m 67.20mm -19m 2.5m 与CX18相对
　　CX18 16.5m 76.43mm -18m 1.5m
　　CX19 16.5m 63.94mm -19.5m 3m
　　CX20 16.5m 51.98mm -20m 3.5m
　　CX21 18.2m 38.12mm -20m 1.8m 盾构井
　　CX10 13.5m 43mm -18m 8m
　　CX11 10m 26.35mm -18.5m 8.5m 与CX16相对
　　CX12 10m 31.44mm -18.5m 8.5m 与CX15相对
　　CX13 10m 18.78mm -17m 7m
　　CX15 10m 27.1mm -17.5m 7.5m
　　CX16 10m 25.82mm -16.5m 6.5m
　　CX23 7m 4.28mm -21.5m 14.5m
　　CX24 7m 7.2mm -18.5m 11.5m
　　CX25 7m 6.68m -19.5 12.5m
　　5、基坑变形控制经验及教训
　　针对土方开挖过程中暴露出来的问题及对监测数据的分析，对海晏北路站基坑施工进行总结，并提出一些设计和施工方面的建议，以供类似工程参考。
　　5.1设计方面
　　基坑施工变形控制要从根源上采取措施，那么必须在基坑设计的时候充分考虑各种不利因素，从设计上将风险消除到最小。
　　1）加强围护结构刚度，同时充分考虑到下翻梁的影响，设计足够的插入比，以增强围护结构抵抗变形的能力；
　　2）原设计加固深度为基底下3m，根据监测情况分析，3m范围内加固土体还不足以提供被动土压力，导致基底以下3m范围内变形最大，因此需要加深加固体深度，建议加固5m，同时设计时尽量减少下翻梁的数量，对于底板结构有下翻梁处的坑内地基加固可考虑适当加深，否则开挖下翻梁后，相当于加大开挖深度和垫层不能及时施作，会减弱加固的支撑作用，增加基坑变形。
　　3）软弱土层中的深基坑从开挖到结构施工完毕均在发生变形，时空效应显著，所以必须快速将基坑施工完毕，那就必须提高挖土的作业效率，在开挖过程中经常发生挖机陷入淤泥的情况，导致开挖速度减慢，因此建议将每隔3米的抽条加固改为网格式的加固方式，以方便现场作业；
　　4）提高垫层砼标号并加入早强剂。垫层采用25cm厚C30砼，防水保护层为5cm厚细石砼，垫层和防水保护层均需掺早强剂，使其尽快达到设计强度，起到支撑的作用；
　　5）由于基坑从开挖到结束，每天都在发生变形，因此，所有设计都应在符合设计规范及受力需要的前提下尽量方便现场施工，提高挖土及支撑架设的效率，缩短基坑工期，减少基坑变形。
　　5.2施工方面
　　1）开挖前应编制详细的无支撑暴露时间的专项方案，对机械选型、每一层土方开挖的方法进行详细考虑，尤其是机械选型上，将直接影响到基坑无支撑暴露时间的大小，必须足够重视，考虑到现场方方面面的情况，选择最适合现场作业的设备；
　　2）钢支撑预加轴力按设计轴力的60％～70％进行施加，跟踪监测轴力变化，对有轴力损失的再次复加，必要时可以加大预加轴力和增设临时支撑，确保轴力能满足设计要求；
　　3）确保钢支撑架设质量对基坑变形有相当重要的意义，尤其是支撑与连续墙之间的平整度必须保证，活络头及楔子设计合理，一方面可以减少轴力的损失，限制基坑变形；另一方面可以确保支撑受力为一条直线；
　　4）垫层浇注应根据开挖情况分段分块及时浇注，减少基底暴露时间；
　　5）对坑边的堆载和车辆分布情况，要严格进行管理，坑边不得大量堆放钢支撑，土方机械和吊车在停止作业后要远离基坑停放；
　　6）三轴深搅加固与地连墙之间的加固盲区用旋喷桩进行补充加固。
　　6、结论
　　宁波软土地层地铁深基坑施工才刚刚开始，目前我们尚未有一个透彻的认识，针对已施工的海晏北路站进行总结，我们可以得出基坑变形控制它贯穿于工程设计、施工及管理的各个环节。由于宁波地层的特殊性，我们更应该注重变形的控制，而变形的控制不应该是在变形过大的时候去采取措施，更多的是应该在事先我们主动采取措施，那么基坑变形一定会得到有力的控制。
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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