時空效應理論在軟土地區基坑開挖中的應用

舒永鳴

摘 要：結合蘇州軌道交通2號線04標明挖車站及區間的基坑開挖實例，以施工為主脈對蘇州軟黏土層深基坑進行分析，將時空效應理論在軟土地區基坑開挖中的應用提出要點并總結。

關鍵詞：明挖深基坑；軟土地區；時空效應

1 前言

在軟土地區，土的強度低、含水量大，此地層上的基坑工程所受的土體流變性影響很大。在軟土基坑開挖中，適當減小每步開挖土方的空間尺寸，并減少每步開挖所暴露的部分基坑擋墻的未支撐前的暴露時間，是考慮時空效應、科學地利用土體自身的控制地層位移的潛力，解決軟土深基坑穩定和變形問題的基本對策。

2 概述

蘇州市軌道交通2號線Ⅱ-TS-04標土建工程包括齊門北大街站及陽澄湖中路站至齊門北大街站區間明挖段。齊門北大街站為明挖地下二層島式站臺車站，總長464.35m，設有9個出入口、3組風亭。陽澄湖中路站至齊門北大街站區間明挖段右線隧道全長1095.4m。齊門北大街站標準段外包寬度19.1m，開挖深度約17.4m，西端頭井段外包寬度23m，開挖深度約18.4m，車站主體圍護結構采用800mm厚地下連續墻。陽澄湖中路站至齊門北大街站區間段圍護結構視開挖深度的不同而分別采用800mm厚地下連續墻及φ1000@800、φ800@600鉆孔咬合樁，均采用明挖順做法施工，基坑開挖深度0～16.8m。車站及區間支撐系統第一道均為砼支撐，以下部分根據基坑開挖深度不同分別采用2～4道φ609鋼支撐。砼支撐縱向間距為8m，鋼支撐縱向間距為3～4m。工程所在場區地層巖性主要為粘土、粉質粘土、粉土、粉（細）砂等。

3 施工流程

基坑土方開挖按照“分層、分段、分塊、對稱、平衡、限時”和“先撐后挖、限時支撐、嚴禁超挖”的原則進行施工。基坑開挖時根據支撐豎向布置進行分層開挖（每層開挖面不能低于相應支撐中心以下500mm），根據支撐平面布置間距進行分段開挖（段長不大于6m），保證圍護結構在基坑開挖過程中受力平衡，嚴禁在一個工況條件下一次開挖到底。土方開挖時備足運輸車輛及施工機械，開挖土方和安裝支撐并施加預應力應控制在24h內完成，達到“快撐快挖”的效果，減少基坑暴露變形時間。

以齊門北大街站標準段為例，根據基坑豎向支撐系統可將其豎向開挖分為5層：表層、負一層、負二層、負三層、負四層。表層為原始地面至冠梁底，負一層至負三層開挖線為相應支撐中心標高下0.5m，負四層開挖線為基底。

4 施工技術

4.1 開挖條件

① 基坑土方開挖安排在坑內井點降水20天后進行，降水深度應控制在基底以下1m；

② 基坑開挖必須在地下連續墻等圍護結構、冠梁及第一道混凝土支撐達到設計強度后方可進行；

③ 基坑土方開挖前應完成基坑周邊及支護結構上的相關監測點布設，并已取得初始值；

④ 地連墻防滲漏材料例如快凝水泥、聚氨酯及高壓灌注機等相關救援物資、設備應準備到位，并與施工現場建立單獨庫房進行存放；

⑤ 基坑開挖前，應先檢查了解地質、水文、道路、附近建筑物、民房等狀況，做好記錄，開挖過程經常觀測變化情況，發現異常，立即采取應急措施；

⑥ 作業前要全面檢查開挖的機械、電氣設備是否符合安全要求，嚴禁帶“病”運行，基坑現場排水、降水、集水措施是否落實。

4.2 開挖參數

① 分層分小段（不大于6m長）開挖土方和相應安裝支撐并施加預應力應控制在24h內完成，每層土方開挖底面不能低于相應支撐中心以下500mm，嚴禁在一個工況條件下一次開挖到底，待支撐安裝結束后，再施工下一段；

② 基坑開挖時縱橫向的安全坡度要求不得陡于1：3，必須分段、分區、分層、對稱進行，不得超挖；

③ 坡面上采用彩條布覆蓋，以減少雨水沖刷；機械挖土時，坑底應保留200～300mm厚土層用人工挖除整平，防止坑底土擾動，并及時澆筑墊層砼，以封閉基底；底板根據施工分段情況予以澆筑，間隔時間不易超過兩周；

④ 土方開挖時，棄土堆放應遠離基坑頂邊線2H以外（H為基坑開挖深度）；墻后堆載標準段<20kPa，端頭井<30kPa。

4.3 開挖原則

基坑土方開挖按照“分層、分段、分塊、對稱、平衡、限時”和“先撐后挖、限時支撐、嚴禁超挖”的原則進行施工。

土方開挖時備足運輸車輛及施工機械，保證在規范要求時間內完成每一層土方開挖，達到“快撐快挖”的效果，減少基坑暴露變形時間。

4.4 開挖方法

① 對撐的長條形深基坑（基坑標準段）

必須按設計要求分段開挖和澆筑底板，每段開挖中又分層、分小段，并限時完成每小段的開挖和支撐。

開挖參數通常為：

分段長度：L≤24m

每小段寬度：Bi=3～6m（若基坑圍護結構為地下連續墻，則6m約為一幅地下墻的寬度，亦即2根鋼支撐的位置）

每層厚度：hi=3～4m

每小段開挖支撐時限：Tr=8～24h

L、Bi、hi、Tr在施工時可根據監測數據進行適當調整。

② 車站端頭井段

端頭井段基坑采用盆式開挖法施工，即先開挖端頭井基坑中部土方，挖土過程中在基坑中部形成類似盆狀的土體，保留基坑周邊用來阻止地下連續墻等圍護結構變形的土堤，減小了基坑圍護結構的無支撐暴露的時間，然后依次對稱開挖斜支撐區的土體。斜支撐區的土方應自基坑角點沿垂直于斜撐方向向基坑內分層、分段、限時地開挖并架設支撐。盆邊土堤的高度一般不大于5m，盆邊寬度一般不小于10m。當盆邊高度大于4m時，可采取二級放坡的形式，放坡平臺寬度一般不小于4m。

4.5 質量措施

① 沿縱向按限定長度開挖段逐段開挖，在每個開挖中分層分小段開挖，隨挖隨撐，按規定時限施加支撐預應力，做好坑內排水，減少基坑暴露時間。

② 在設計坑底標高以上200～300mm的土方須采用人工開挖，集中勞動力和配套設備，每開挖出一段基底即鋪設一片墊層，防止人類活動和自然因素造成的擾動。對局部超挖處要用砂填實，嚴禁用淤泥回填。最底層土方開挖必須在最短的時間內完成，并在1天內完成墊層砼的澆注，鋼筋砼底板要求在土方開挖完成7天內完成砼澆注。

③ 作業人員須及時封堵地下連續墻接縫或墻體內出現的水土流失，嚴防小股流水、流砂沖破地下連續墻中存在的充填泥土的孔洞而導致大量涌砂和基底失穩。

④ 每一小段的土方開挖中，嚴禁挖成3～4m高的垂直土壁或陡坡，以免坍方傷人，并嚴防坍方而導致橫向支撐失穩。

⑤ 縱向放坡開挖時，應在坡頂外設置截水溝或擋水土堤，防止地表水沖刷坡面和基坑外排水再回流滲入坑內；在開挖施工過程中，進行人工修坡，并對暴露時間較長或可能受暴雨沖刷的縱坡采用篷布覆蓋坡面等保護措施。

⑥ 在整個開挖過程中派專人監控和指揮挖掘機司機的操作，嚴禁在土方開挖施工過程中出現施工機具碰損支撐系統的情況，不得對支撐系統產生超載，以免支撐系統因超載過大造成失穩，危及圍護結構的安全。

⑦ 在基坑分層開挖過程中，定時檢查井點降水深度；并加強對降水管井的保護，以免填塞管井，影響降水效果，并將露出開挖面以上部分管井進行分節拆除。

⑧ 坑頂周圍嚴格限制堆土等地面超載，適當隔離振動荷載作用。

⑨ 對于斜撐間距較小的部位，長臂挖機無法取土時，下部土體采用人工配合小挖機翻土。

⑩ 在每層土的平臺上修一300×300mm的橫向截水溝，在溝的兩端各設一800×800×600（高）的集水坑，隨時將坑內的水排出坑外。

5 注意事項

（1）時空效應理論的主要技術要點：沿規定的開挖次序逐段開挖，在每個開挖段中分層、分小段開挖、隨挖隨撐、按規定時限施加預應力，做好基坑排水，減小基坑暴露時間。

（2）車站端頭井的三側是連續的圍護結構，只有與標準段連接處是開口的。在端頭井基坑開挖施工時，一定要先施工控制開口變形的支撐，即“鎖口”撐。采用地下連續墻圍護時，端頭井與標準段連接處的“Z”幅地下墻上一定要設置直撐，以防止轉角的圍護結構產生轉動。

（3）基底上預留300mm土采用人工開挖。若采用機械直接開挖至基底，則容易擾動結構基礎下的原狀土，造成基底承載力不均。尤其是在降水不徹底、基底遭雨水及地下水浸泡發軟等情況下，原土層必須采取換填、曬干、壓實等方式進行處理，以提高基底承載力，防止主體結構回筑后產生相對較大的不均勻沉降，進而產生裂縫導致滲水。

（4）基坑開挖前視場地地層及周邊環境情況需進行必要的基坑土體加固，一般有：

① 在地下連續墻底下因清孔不好土體很軟時，進行地下墻墻底注漿加固，以防止開挖時引起地下墻沉降和墻外側土體松動沉降；

② 確保開挖土坡穩定的土體加固；

③ 地下墻內側被動土壓力區，以注漿法或其他方法加固。

以上3種加固方法需視設計要求，若設計上未有該土體加固方案，則在施工中常采用降水加固法，即在具有夾薄層粉砂的黏性土或黏性土與砂性土互層中，對基坑內自地面下至基坑底以下一定厚度的土體采用超前降水法提高土體自身固結強度。一般超前降水時間為20d～30d，降水深度為基底下1m。

（5）鋼支撐失穩前有拱起側彎或下沉的先兆，發現情況要迅速采取加固或補撐措施；在基坑開挖期間要加強對支撐的觀察，每班要有專人巡察。如果發生鋼支撐失穩、基坑未坍塌，則需在失穩的鋼支撐旁加設鋼支撐，并施加預應力。同時對周圍支撐復查，查找是否有支撐松弛，如果發現有支撐松弛，應立即采取復加預應力加固措施。如果支撐松弛而發生支撐失穩，則應立即查找周邊超載、圍護結構背土是否流失、支撐材質等原因，防止失穩現象擴散。

（6）基坑開挖過程中，需緊跟每層開挖支撐面的進展對地下墻等圍護結構的變形及地層移動進行監測。監測內容主要包括基坑周邊地表沉降點、地下管線變形監測、坑內外地下水位、建筑物的沉降與傾斜、圍護結構的水平位移、圍護結構頂部水平和垂直位移、支撐軸力等等。根據基坑每個開挖段中的監測反饋資料及時采取措施改進施工，控制基坑變形。

6 結語

在以蘇州為代表性的軟土地區深基坑開挖中應用時空效應理論，按照“分層、分段、分塊、對稱、平衡、限時”和“先撐后挖、限時支撐、嚴禁超挖”的原則進行施工，確保工程質量和安全，提高工效，并根據基坑監測數據進行信息化施工，優化施工工藝。

參考文獻

[1]劉國彬，王衛東.基坑工程手冊（第2版）[M].中國建筑工業出版社，2009.

（作者單位：中鐵二局第五工程有限公司）