深基坑施工在目前中国的基础设施建设中具有越来越重要作用, 尤其是近几年各重要及经济发达城市中地铁交通线的大量修建, 更加确定了对深基坑施工研究的重要性。由于软土地区的不良地质影响, 深基坑施工难度加大, 施工安全也受到严重影响, 因此对沿海一带软土地区深基坑施工过程围护结构变形规律的研究就具有更加重要的理论和现实意义。本文对宁波市轨道交通1号线一期工程TJ-VII标地铁车站深基坑施工过程的监测数据及围护结构变形特点进行了详细的研究, 并对其变形规律、原理及其控制措施加以探讨。
1 工程概况
宁波市轨道交通1号线一期工程TJ-Ⅶ标车站总长448m, 包括海晏北路站及西延段, 本文以海晏北路站西延段为主要研究对象。海晏北路站及西延段为1号线中间站, 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。
1.1 工程地质条件
海晏北路站西延段场地第四纪地层发育, 厚度大于70m, 成因类型以海相沉积为主, 总体特征为: (1) 沉积物粗细韵律变化明显, 总体趋势呈自老至新粒度变细, 具多旋回性。 (2) 沉积物的沉积环境由陆相向海相过渡。中更新世早期以洪积为主, 中更新世晚期～晚更新世早期以冲积、冲湖积为主, 晚更新世晚期以海陆交互沉积为主, 全新世则以海相沉积为主。车站基坑至上而下地层为:杂填土、粘土、淤泥质粘土、淤泥、淤泥质粘土、灰色粉砂土、粉质粘土夹粉砂、灰色粉质粘土。地下水由浅部土层中的潜水、砂土中的微承压水及深部砂土层中的承压水组成。
1.2 基坑围护结构设计概况
海晏北路站西延段车站基坑长180.80m, 标准段基坑宽21.30m, 西端盾构井宽25.76m。基坑标准段深约16.5m, 西端头井基坑深度约18.74m, 围护结构采用800mm厚地下连续墙, 标准段设5道支撑加一道倒撑, 西端盾构井段设6道支撑, 第一道为8 0 0 m m×800mm钢筋混凝土支撑, 钢筋混凝土支撑水平方向平均9m间距布置;钢支撑水平方向间距2.8m～3.5m布置, 标准段第四道钢支撑为双拼支撑。
1.3 基坑开挖前加固情况
西延段车站西端头井段基底采用三轴深层搅拌桩加固, 标准段采用裙边加抽条加固 (基坑周边裙边加固区宽度4m;每条加固区宽3m, 两条加固区间距一般为9m, 共计14条抽条加固区) , 三轴搅拌桩强加固范围为基底以下3m, 弱加固区为基底以上范围, 强加固区水泥掺量为20%, 弱加固区水泥掺量为7%, 水泥搅拌桩为密排桩。在三轴搅拌加固区裙边采用旋喷桩加固, 强加固范围为基底以下3m, 弱加固区为基底以上范围, 强加固区水泥掺量为20%, 弱加固区水泥掺量为7%。西端盾构井墙拐角处采用双重管高压旋喷桩加固, 每个地连墙接缝处采用3根三重管高压旋喷桩止水, 加固区水泥掺量为35%。
2 深基坑施工过程围护结构的变形规律及原理原理分析
2.1 围护结构的变形特点及规律
经过对宁波软土地区海晏北路站及西延段基坑施工的大量监测数据分析及过程控制总结得出以下几点围护结构的变形特点及规律 (本文主要以西延段西端CX45和CX57号测斜孔为例) 。
(1) 基坑开挖前连续监测报告显示连续墙基本无变形。
(2) 基坑开挖后 (在开挖到第二层土后) , 钢支撑架设一道或两道, 墙体变形最大量在开挖面以下4m左右, 如图1所示。
(3) 基坑开挖到基底时, 连续墙日变化率最大。最大变形量发生在基底以下4m～5m, 最大变形量一般为50mm左右。
(4) 通过对整个施工过程中围护结构地下连续墙变化特点的研究, 可以发现:围护结构的最大变形量一直发生在开挖面以下3m～5m, 从开挖到结束的整个过程中, 基坑一直处于动态平衡或动态趋近平衡过程中。地连墙变形量最大的地方应为围护结构受力 (外部水土侧压力与基坑内支撑的支撑力) 最不平衡的位置 (或者说是内外受力偏差最大的地方) 。
2.2 围护结构变形原理分析
(1) 在基坑未开挖前地连墙基本没有变化, 开挖后未架支撑前因为基坑内部没有与外部主动土压力 (侧压) 平衡的力, 所以此时围护结构变形速率最大。经统计, 在架设支撑后连续墙还会继续变形, 只是速率会慢慢变小, 或者偶尔出现反弹现象, 直到内部支撑的支撑力与围护结构外部水土侧压力达到或趋于平衡, 这时的地连墙变形量最小, 或在来回波动中趋于平衡, 因为在施工过程中有很多因素 (比如施工过程中的机械振动、坑外水位随气候的变化、基坑开挖的继续进行等) 会导致这种平衡不能达到稳定或静态, 所以这种平衡有时会来回的波动。
(2) 随着基坑开挖的进行, 坑内土体的卸载量越来越大, 开挖面以下的土体的泄压速率和泄压量也会越来越大, 同时伴随的坑内土体的上浮量 (隆起量) 也会越来越大, 速率也会慢慢变快 (因为越往下的土体在原始状态下的受压越大, 密度也会整体呈上升趋势, 但是如果开挖的工期很长, 开挖面下地层的土压卸载和土体上浮已经达到平衡, 也会导致继续开挖时土体上浮量的减少) 。所以相应坑外土体的主动侧压力也会越来越大, 在基坑内土体开挖后连续墙的变形速率和变形量也会越来越大, 直到支撑架设之后与之达到相对的动态平衡, 这种变化就会趋于平缓。
(3) 在基坑开挖到基底的时候坑外土体主动侧压力与坑内支撑反力差在相应位置 (基底一下4m～5m) 达到最大, 在这个位置也就形成了围护结构变形量最大区域。在基底以下4m～5m位置墙外土体侧压力与坑内支撑反力差达到最大的原因是:在基坑开挖到基底时, 由于基底以下一定深度的土体一直在泄压和上浮且受到一定扰动, 所以结构发生了变化, 同时密度减小、主动压强降低。所以基底往下延伸一定深度时所增加的侧压量小于相同情况下墙外土体的增量, 但是越往深处延伸, 土体的扰动、泄压、结构变形量越小, 地连墙内外土体的侧压力会越来越接近, 所以会越来越接近平衡, 无论开挖到哪一层土, 情况一般都是相似的。
3 深基坑施工过程中对围护结构变形的控制措施及其建议
通过对软土地区基坑施工的大量经验与实践的总结, 对深基坑施工时围护结构地下连续墙变形控制提出以下几点措施和建议。
(1) 提高围护结构地下连续墙施工质量。 (2) 严格按照时空效应理论指导开挖, 合理分布钢支撑位置, 加快支撑架设速度, 减少无支撑暴露时间, 科学对钢支撑加力 (分2～3次加力, 每次时间间隔5～10分钟, 最终达到适当大小的预加力) 。 (3) 加快基底垫层、防水和底板的施工 (基底垫层施工应分段进行, 不宜过宽, 最好以6m左右为一个单位进行, 这样会加快垫层施工速度, 减少无支撑暴露时间。基底垫层的铺设可以大大减缓基底以下土体的上浮泄压, 也减缓基底土体结构的变化, 同时也作为一道强有力的板撑控制墙内外压力的平衡;底板的铺设直接作为一个强大的刚性体, 平衡墙外土体的压力, 提高地连墙的刚度和扭矩) 。 (4) 尽量减少施工时重载机械的扰动和墙外一定范围内的 (如土体、钢筋等) 的重物堆载。 (5) 基坑开挖时维护结构的渗漏会引起坑内土体的浸润湿化作用, 从而改变了土体的含水率等宏观物理指标, 诱发 (粘性土) 土体微结构失稳, 同时渗漏和降水会引起坑内外土体的渗流和负孔隙水压力的消散从而导致土体物理性质和内结构的改变。这些都会加大基坑开挖时内外力的不平衡, 造成更大的变形。所以要做好连续墙接缝处止水桩质量, 保证止水效果。 (6) 在基坑开挖时, 架设第一道支撑前应尽量减少基坑开挖的深度, 把第一道支撑在合理的标高上 (尽量降低) 与冠梁结合起来, 减少基坑变形量;开挖到基底时, 最后一道钢支撑的标高应在不影响主体结构施工的条件下尽量放低, 以减少基坑内外应力不平衡的空间, 能有效减少基坑的变形量。 (7) 在围护结构变形速率较大的地方 (如设置下翻梁的位置) , 如一时得不到很好的控制, 应及时补加临时钢支撑, 待变形趋于稳定且相应结构施作完成后再拆除临时支撑。 (8) 深基坑内基底加固对深基坑开挖时连续墙的变形有很好的缓冲作用。如果这种缓冲作用很小的话, 在软土地区基坑开挖时很容易造成坑外土体的快速变形而造成土体结构严重失稳, 这将会快速增大水土的侧压力, 对控制基坑变形极为不利。所以一定要做好深基坑内基底加固质量, 尤其是裙边加固时加固体一定要与围护结构地下连续墙紧密结合, 不能出现连接缝隙, 加固深度最好达到基底以下6m范围 (由于考虑到施工成本问题, 设计上一般只设计加固到基底以下3m范围) 。 (9) 根据现场监测数据及实际情况可知, 基坑施工周期越短、施工速度越快, 对基坑变形控制越有利。所以在基坑开挖施工前一定要组织和安排好各方面准备工作 (如基坑施工方案、施工计划、组织管理方案、施工人员、施工设备、出土设备及准备工作等) , 一旦开挖, 最好顺利、快速进行。 (10) 通过对围护结构地下连续墙外水土主动侧压力的科学计算, 合理设计地下连续墙的结构构造, 降低施工的难度也增加施工的安全性。
4 结语
以上是对软土地区深基坑施工过程围护结构地下连续墙变形规律和原理的一点不成熟的认识, 以及对如何更好的控制深基坑变形给出了一些措施和建议, 望各同行给予批评和指正, 同时也希望能给日益增加的软土地区深基坑施工人员一点参考。
摘要：通过对宁波软土地区深基坑施工过程监测数据的统计与分析并应用反演法, 作者得出软土地区深基坑开挖过程中围护结构的变形特点和规律, 并对控制深基坑变形提出了合理的建议及措施, 对软土地区深基坑施工的变形及安全控制也具有重要意义。
关键词：软土,深基坑,地下连续墙,变形,动态平衡
参考文献
[1] 刘国彬, 王卫东, 等.基坑施工手册[M].北京:中国建筑工业出版社, 2009.
[2] 张润钊.明挖地铁车站施工中基坑变形及控制[J].市政技术, 2010.
[3] 李青林, 刘军, 贺美德.地铁车站基坑变形规律及施工方法[J].市政技术, 2005.