福州軟土地區某地鐵深基坑變形異常原因分析

陳致富

（福建省建筑科學研究院， 福建 福州 350000）

0 引言

隨著國家城市化以及基礎設施的快速發展,各城市正大力發展地鐵建設，地鐵建設過程中遇到的各種地質問題日益凸顯，深大基坑工程也發展迅猛，對各種不同地層條件、不同環境下的地鐵車站基坑變形的研究成果也較為豐富。江曉峰等[1]根據軟土地區深基坑圍護墻變形和墻外地表沉降的監測數據研究得出圍護墻變形曲線形態特征、地表沉降曲線以及地表沉降影響范圍等結論。顧蒙娜等[2]結合地鐵車站基坑工程，對深厚軟土場地地鐵深基坑擋墻的水平位移及坑外地表沉降的監測數據進行了統計分析，研究了地連墻最大水平位移與墻后地表最大沉降的統計關系。楊科等[3]結合室內試驗結果和基坑開挖過程中的實測數據，對上海地區基坑的變形特性和坑外土體擾動變形機理進行了分析和探討。王建華等[4]針對上海地區，C.Ou等[5]針對臺北軟土地區，劉念武等[6]針對杭州地區，K.Karlsrud[7]針對奧斯陸軟土地區分別給出了軟土條件下的基坑變形特性。

本文主要以福州地鐵 2號線某軟土深基坑為實例，對基坑開挖過程地下連續墻變形全過程的異常原因進行分析，以便于為福州軟土地區的類似基坑工程提供參考。

1 工程概況

該地鐵車站主體采用明挖法施工，基坑長約200m，寬19.7m～23.8m，開挖深度約16.0～18.1m；基坑安全等級為一級，重要性系數1.1。基坑支護結構采用0.8m厚地下連續墻加4道豎向內支撐的圍護體系結構，其中第一道支撐采用700mm×1000mm鋼筋混凝土對撐及角撐；第二道支撐在端頭井區域采用700mm×1000mm鋼筋混凝土支撐，其余采用Φ609鋼管對撐；第三、第四道均采用Φ609鋼管對撐及角撐。

同時，地下連續墻施工完成后對車站范圍內土層進行了地基加固處理，標準段采用直徑Φ700mm@500mm雙軸攪拌樁進行抽條加固，端頭井采用Φ 850mm@600mm三軸攪拌樁進行抽條加固，具體的基坑支護結構剖面圖如圖1。

圖1 基坑支護結構剖面圖

根據周邊環境調查資料，基坑周邊無重要建筑物，西側為大片空地，東側圍擋緊靠烏龍江大道，此道路為城市主干道，雙向 8車道，車流量較多，且道路下埋設有Φ1200mm的砼污水管，埋深約9.0m，距離車站主體圍護結構約4.2m，位于基坑開挖的主要影響范圍內。

場地所處地層由上至下依次為：素填土、雜填土、粉質粘土、粘土、淤泥、淤泥質土、淤泥夾砂、粉細砂、粗中砂、淤泥質土、卵石、砂質粘性土(硬塑)、花崗巖，基底部分處在淤泥質土層。地下水水位埋深1.4～4.2m。各土層的地質巖土特性參數詳見表1所示。

表1 巖土物理參數表

2 基坑施工過程及監測點布設

基坑土方開挖過程中，自南端頭開始，由南向北采取分層、分段開挖。為了便于區分施工工況，將基坑支撐從上往下將基坑土層分為表層土、第二層土、第三層土、第四層土，其中表層土開挖工況主要為冠梁及第一道混凝土支撐施工階段。

根據現場施工情況和進度，將基坑土方開挖分為五個階段，施工階段詳見表2。

表2 基坑施工階段

本基坑設置了圍護結構水平位移與沉降，土體側向變形、支撐軸力、地表沉降、管線沉降、地下水位等監測項目，限于篇幅，本文以北段測點為分析重點，監測點平面布置圖只顯示北段部分，監測點平面布置圖見圖2。

圖2 基坑監測點平面布置圖（北段）

3 監測成果及分析

3.1 基坑圍護樁深層水平位移

選取基坑中間以及端頭的圍護結構等典型測點進行研究。在基坑不同方向以及變形最大處共選取四個深層水平位移監測點，四個深水平位移監測點的時程曲線圖如圖3-圖6所示。在不考慮被動區加固情況下設計計算的圍護結構變形圖如圖7所示，其中ZQT4、ZQT5、ZQT19為基坑中部監測點，ZQT24為北端頭監測點。

圖3 ZQT4深層水平位移時程曲線圖

圖4 ZQT5深層水平位移時程曲線圖

圖5 ZQT19深層水平位移時程曲線圖 圖6 ZQT24深層水平位移時程曲線圖

從圖3～圖6可以看出，深層位移變化曲線呈現典型的內凸式變形，其中圍護墻頂部位移較小，甚至出現朝向坑外的變形，而最大水平位移發生在基坑開挖面以下約3m～5m處，并隨著土方開挖逐漸向下移動，基本和基坑施工工況相符，但最大水平位移發生位移略低于常規的變形最大點位置。在常規的圍護墻變形曲線中，圍護樁最大水平位移發生位置通常位于基坑開挖面以上一定區域，這表明本工程圍護墻的最大水平位移發生位置與常規變形曲線存在一定差異。

從整個施工過程來看，圍護結構變形量較大，除了端頭井測點，其他測點平均最大位移量到達60mm以上，基坑中部位置位移量最大，其中ZQT4、ZQT5最大變形達到了100mm左右。另外，從時程曲線圖可以看到，在基坑第二層土方開始開挖時，圍護結構就發生較大的變形，其中ZQT4、ZQT5在土方開挖至4m深度處，變形數據即達到 30mm以上，超過了報警值（30mm），在第三、四層土開挖時，圍護結構的變形量也較大，直到底板封底之后變形趨勢趨于穩定。

3.2 圍護墻變形異常原因分析

（1）真空降水

在第二層土方開挖時，現場發現第一道混凝土支撐底部與墊層之間存在（5-8）cm的縫隙。經現場調查，該現象是由于基坑開挖前真空降水所致，由于真空降水使得淤泥質土固結收縮，軟土的固結在提高了淤泥質土的強度同時，也導致了基坑內土體固結沉降，并引發基坑內土體與地連墻之間的縫隙，即真空降水對于圍護墻的變形異常存在較大的影響。

（2）被動區加固體與地連墻之間未緊密貼合

變形曲線可以看出，是否考慮被動區加固的作用對于變形曲線的形態及最大值發生位置具有顯著的影響。其中，當考慮被動區加固的作用時，圍護樁的最大水平位移顯著減小，同時變形曲線最大值發生在基坑開挖面以上一定高度，但不考慮被動區加固時，變形曲線不僅位移顯著增大，且最大水平位移發生位置明顯下移，這也在一定程度上解釋了圖3～圖6中變形曲線中最大水平位移發生位置下移的現象。

（3）土方超挖、支撐架設不及時

同時，在基坑開挖過程中，若土方發生超挖，且支撐架設不及時，即將引發圍護墻發生顯著位移。在現場實際土方開挖過程中，由于現場調配及土方開挖工序等問題，支撐未能及時架設，使得圍護樁變形顯著增大，即圍護墻變形異常與施工時支撐架設不及時、土方超挖有著較大關系。

（4）地層及坑外超載不對稱

此外，由于圍護結構東側和西側土層存在一定差異，其中東側軟土層相對較厚，加上基坑東側緊靠交通要道，受車載以及振動影響，圍護結構的變形比相對應的西側圍護結構變形大。

3.3 基坑支撐軸力

TZL1-4、TZL1-5為 4、5斷面第一道混凝土支撐支撐軸力測點，GZL2-4、GZL2-5、GZL3-4、GZL3-5以及GZL4-4、GZL4-5分別為4、5斷面第二至第四道鋼支撐支撐軸力。

支撐軸力隨著基坑的開挖而增大，隨著基坑底板封底數據區域穩定。第一道混凝土支撐隨著第二層土方開挖，支撐軸力增加速率較快，局部存在波動情況，這與基坑開挖時土方、周邊超載變化等因素有關。其他鋼支撐軸力數據正常，未超過設計值，即在圍護結構變形較大的情況下，支撐軸力值沒有顯著增大變化，這表明盡管基坑變形存在異常，但基坑支護結構受力總體是安全的。

3.4 基坑周圍地表沉降

地面沉降測點間距標準段為20m，端頭段為10m，每斷面布設3個測點，測點間距分別為2、5、8m（詳見圖3）

4 結語

通過對福州軟土地區某地鐵深基坑變形及內力監測數據的分析，可以得出如下結論：

（1）坑內真空降水使得淤泥質土發生固結收縮，并引發地連墻發生朝向坑內的變形，并同時導致坑外周邊地表產生較為顯著的沉降變形，即真空降水對圍護墻的變形異常存在較大的影響。

（2）被動區加固體與地連墻之間是否緊密貼合對于圍護墻的變形性狀存在較大影響，當被動區未與圍護墻緊密貼合時將導致圍護墻最大水平位移的深度發生顯著下移。

（3）在基坑開挖期間，土方超挖及支撐架設不及時等不規范施工亦是基坑圍護結構較大變形的一個主要因素，在施工過程中需引起高度重視。

（4）由于地層分布不均勻、周邊超載不對稱等也會對基坑圍護結構的不對稱變形產生影響。

[1]江曉峰，劉國彬，張偉立，等.基于實測數據的上海地區超深基坑變形特性研究[J].巖土工程學報，2010，32（S2）:570-573.

[2]顧蒙娜，莊海洋，劉雪珠，吳祥祖，馮樹森.深厚軟弱場地地鐵車站基坑變形規律統計分析[J].地下空間與工程學報，2015，11（1）:172-176.

[3]楊科，賈堅.上海軟土基坑變形土體擾動機理及室內試驗研究[J].地下空間與工程學報，2013，9（6）:1266-1270.

[4]王建華，徐中華，王衛東.支護結構與主體地下結構相結合的深基坑變形特征分析[J].巖土工程學報，2007，29（12）:1899-1903.