富水超深厚粉細(xì)砂層深基坑變形處理措施研究

張國(guó)騰

（中鐵一局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

1 工程概況

無(wú)錫新區(qū)站是無(wú)錫地鐵3號(hào)線一期工程第19座車站，采用明挖順作法施工，站址位于無(wú)錫新區(qū)高鐵站前方，沿珠江路敷設(shè)，小里程端頭毗鄰現(xiàn)狀新華路箱涵段，為地下2層島式站，雙柱三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，外包總長(zhǎng) 197.65 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬 22.70 m，深17.43 m；車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800mm厚地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系（從上至下為1道混凝土支撐+2道鋼支撐，鋼支撐均為φ800mm×16mm），地下連續(xù)墻平均深度38 m，最大深度44.8 m，隔斷微承壓水。

基坑開(kāi)挖范圍自上而下依次為①-1層雜填土、③-1-1層粉質(zhì)黏土、③-2層粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、④-1層黏質(zhì)粉土、④-2層粉砂夾砂質(zhì)粉土，其中車站底板均位于④-2層中，該層土全場(chǎng)分布，呈灰色，飽和，搖振反應(yīng)迅速，平均厚度 23.84 m，最大厚度39 m。

車站地下水主要為松散巖類孔隙水，具體包括全新統(tǒng)潛水層、全新統(tǒng)微承壓水、上更新統(tǒng)承壓水，其中微承壓水被圍護(hù)結(jié)構(gòu)全部隔斷，承壓水被⑥-1層黏土層隔斷，對(duì)本工程影響可忽略。

2 基坑變形過(guò)程及處理措施

1）2016年12月16日7：00點(diǎn)開(kāi)始基坑降水試驗(yàn)，降水試驗(yàn)井分布如圖1所示，24 h后坑內(nèi)水位平均下降14.43 m，停止降水 1 d后，平均水位上升約1.6 m，呈穩(wěn)定狀態(tài)，如圖2所示。

圖1 無(wú)錫新區(qū)站降水試驗(yàn)井分布

圖2 降水試驗(yàn)水位變化示意

2）2017年1月5日基坑開(kāi)始開(kāi)挖，開(kāi)挖順序?yàn)閺膬啥祟^向中間開(kāi)挖。

3）2017年2月10日復(fù)工后，開(kāi)挖順序調(diào)整為先開(kāi)挖第7標(biāo)準(zhǔn)段，然后向兩端頭展開(kāi)（第7段劃分長(zhǎng)度22 m，開(kāi)挖深度 17.34 m，土方分 4層進(jìn)行開(kāi)挖）。

4）2017年3月5日下午15：45，第7施工段開(kāi)挖至第3道支撐下0.7 m（累計(jì)開(kāi)挖深度13.8 m，支撐均按照設(shè)計(jì)要求架設(shè)、加力），該施工段內(nèi)測(cè)斜4號(hào)點(diǎn)在 16.5 m深的位置變化速率達(dá)3.99mm/d，深度17.5 m處累計(jì)變化量達(dá) 24.20mm（控制值3mm/d，±30mm），達(dá)到監(jiān)測(cè)橙色預(yù)警（變化速率和累計(jì)變化量均超過(guò)控制值的80%），支撐軸力、地表沉降及坑外水位等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均無(wú)異常，隨即停止開(kāi)挖并召開(kāi)預(yù)警分析會(huì)。

5）2017年 3月5日23：50，在原設(shè)計(jì)的第3道支撐之間（間距4 m），增加1道臨時(shí)鋼支撐，同時(shí)對(duì)測(cè)斜4號(hào)點(diǎn)兩側(cè)的第3道支撐進(jìn)行軸力復(fù)加。

6）2017年3月6日至2017年3月9日期間，第7施工段內(nèi)各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，測(cè)斜預(yù)警斷面變形收斂。

7）2017年3月9日22：00恢復(fù)基坑開(kāi)挖（第7施工段內(nèi)支撐已全部施工完成，剩余基底最后一層土方）。

8）2017年3月10日15：30，第7施工段清底時(shí)（開(kāi)挖深度17.5 m），測(cè)斜4號(hào)點(diǎn)在深度19.5 m處日變化量達(dá)3.91mm，測(cè)斜20號(hào)點(diǎn)在深度20.0 m處日變化量達(dá)8.27mm，測(cè)斜19號(hào)點(diǎn)在深度16.5 m處日變化量達(dá)10.63mm（日變形控制值3mm），達(dá)到監(jiān)測(cè)紅色預(yù)警，隨即召開(kāi)預(yù)警分析會(huì)。

9）2017年3月10日21：50，第7段墊層混凝土澆筑完成，墊層厚度由原設(shè)計(jì)的150mm增加至300mm，混凝土中加入早強(qiáng)劑，同時(shí)鋪設(shè)了φ12＠300×300加筋網(wǎng)片。

10）2017年3月11日6：30，在原設(shè)計(jì)的第3道支撐與基底之間增加了第4道φ609mm×16mm臨時(shí)鋼支撐，預(yù)加軸力967.6 kN。

11）2017年3月11日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：第7施工段內(nèi)測(cè)斜變化穩(wěn)定，其余各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也無(wú)異常。

12）2017年3月22日5：00第7施工段底板結(jié)構(gòu)澆筑完成，后續(xù)施工過(guò)程中變形數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

13）后續(xù)施工段在支撐按原設(shè)計(jì)施工的情況下，仍出現(xiàn)類似變形情況。后經(jīng)由設(shè)計(jì)院對(duì)支撐體系進(jìn)行如下優(yōu)化：①將原設(shè)計(jì)第3道支撐上調(diào)2 m后，在基底與第3道支撐中間增加第4道支撐，縮小最底層支撐與基底的垂直距離；②對(duì)鋼支撐的平面布置進(jìn)行優(yōu)化，具體為：鋼支撐平面布設(shè)位置按照地下連續(xù)墻分幅情況進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整原則為 “一墻雙撐，對(duì)稱布置”。

3 原因分析

1）地層原因 無(wú)錫新區(qū)站開(kāi)挖范圍自上而下地層中④-2層粉砂夾砂質(zhì)粉土（平均厚度23.84 m，土層具有中偏低壓縮性、工程地質(zhì)性能一般），該層在失水后，呈粉塵狀顆粒，彼此間黏聚力差，失水范圍內(nèi)的土體對(duì)地下連續(xù)墻的約束力消散明顯，即基坑在開(kāi)挖最后一層土?xí)r，基底土層的“板體約束”作用消失。

2）水文 圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用將深基坑內(nèi)外的微承壓水層水力聯(lián)系全部隔斷的設(shè)計(jì)，加之④-2層透水性極好，在長(zhǎng)197.65 m基坑內(nèi)降水時(shí)，基坑內(nèi)水位整體下降明顯，水力聯(lián)系緊密，隨著基坑內(nèi)土方開(kāi)挖及坑內(nèi)水位下降，地下連續(xù)墻內(nèi)外側(cè)形成的水頭壓力差也就愈加明顯，這一點(diǎn)與基坑開(kāi)挖越深，變形最大的位置向基坑開(kāi)挖方向下移的規(guī)律相吻合。

3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)建模計(jì)算存在一定局限性 目前國(guó)內(nèi)深基坑驗(yàn)算模型基本使用軟件進(jìn)行，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)單元在計(jì)算時(shí)，軟件應(yīng)用參數(shù)設(shè)置的局限性有：①軟件建模分析時(shí)，分析單位為基坑橫斷面上取長(zhǎng)度為1 m的連續(xù)墻單元，理想化設(shè)定地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)在基坑長(zhǎng)度方向上為剛性結(jié)構(gòu)。而實(shí)際均為工字鋼接頭僅與一側(cè)的地下連續(xù)墻鋼筋籠剛性連接（焊接），另外一側(cè)為承插接口，在基坑長(zhǎng)度方向上，地下連續(xù)墻仍然存在很大的變形空間；②軟件建模計(jì)算時(shí)，每一種工況的實(shí)現(xiàn)均無(wú)“時(shí)間差”存在，即各工況下軟件計(jì)算的圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形均為地下連續(xù)墻單元體承受水、土壓力及基坑內(nèi)側(cè)支撐力學(xué)平衡時(shí)的變形量（各工況瞬時(shí)完成轉(zhuǎn)換），但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工時(shí)，每一層土方開(kāi)挖到位后，因預(yù)埋鋼板的鑿出及托架牛腿安裝等工序（使用鋼腰梁的時(shí)間差更大），都不可避免會(huì)產(chǎn)生工況轉(zhuǎn)換的時(shí)間差，進(jìn)而會(huì)引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況與軟件計(jì)算結(jié)果不符甚至相差很大的現(xiàn)象；③鋼腰梁體系傳力損失，鋼腰梁在施工中雖盡可能地與地下連續(xù)墻面平整接觸，但實(shí)際施工中，因?yàn)楦鞣矫媸┕ぴ颍逛撝晤A(yù)加軸力在傳遞到鋼腰梁后有較為明顯的損失；④鋼支撐平面布置位置不盡合理。該車站在圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，鋼腰梁“整體傳力”的效果考慮過(guò)于理想化，鋼支撐平面間距設(shè)計(jì)為4 m，按照設(shè)計(jì)的鋼支撐平面間距施工時(shí)，因?yàn)榈叵逻B續(xù)墻幅寬基本為6 m，將不可避免地出現(xiàn)“一墻單撐、單撐偏頂”的情況；而鋼腰梁為6 m長(zhǎng)的單根拼裝而成，拼裝節(jié)點(diǎn)可視為柔性節(jié)點(diǎn)。當(dāng)上述2種情況同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，基坑的變形情況與軟件建模驗(yàn)算結(jié)果更是相差很大。

4）基底與最底層支撐的距離偏大 該車站原設(shè)計(jì)最底層支撐中心（第3道支撐）距離基坑底部平均距離為4.6 m；加之基底1 m以下降水后板體作用消散，則最底層鋼支撐與基底實(shí)際等效距離超過(guò)5 m，即鋼支撐軸力位置偏高，基坑底部與鋼支撐之間為應(yīng)力集中位置，這與監(jiān)測(cè)測(cè)斜變形曲線也相吻合。

4 結(jié)論與建議

1）該車站揭示的④-2層粉細(xì)砂層是后續(xù)深基坑施工中必須重視的地層。在各方面條件允許的情況下，應(yīng)采取相應(yīng)的基底加固處理措施，可進(jìn)行抽條加固或裙邊加固，確保基底土層在失水后，仍有較為顯著的“板體作用”。

2）結(jié)合無(wú)錫新區(qū)站所揭示的地層地質(zhì)情況，基坑在開(kāi)挖過(guò)程中伴隨的降水施工，在很大程度上決定該類地層深基坑開(kāi)挖安全，也是基坑開(kāi)挖過(guò)程中導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系產(chǎn)生較大變形的決定性因素。故在該類地層中的深基坑施工時(shí)，必須進(jìn)行降水試驗(yàn)，同時(shí)應(yīng)按照基坑開(kāi)挖的需求情況做到“按需降水，不得超降水”。

3）在基坑周邊空間及建（構(gòu)）筑物沉降允許的情況下，可輔以坑外降水措施。在基坑開(kāi)挖深度逐漸加大時(shí)，啟用坑外降水井，在底板結(jié)構(gòu)尚未回筑的時(shí)間段內(nèi)，縮小圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)的水頭壓力差，進(jìn)而控制圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形。

4）各層支撐間的豎向間距及最后一層支撐與基底的豎向距離對(duì)控制基坑的變形有很大的影響。建模驗(yàn)算時(shí)應(yīng)充分考慮實(shí)際的施工情況，必要時(shí)應(yīng)將軟件建模分析結(jié)果與實(shí)際情況相結(jié)合后再進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使建模驗(yàn)算結(jié)果最大程度的貼近實(shí)際施工工況，同時(shí)在水平方向一定要保證“一墻雙撐”。

5）鋼腰梁體系是深基坑開(kāi)挖過(guò)程中“隨挖隨撐”最主要的制約因素，同時(shí)，鋼腰梁與地下連續(xù)墻接觸面不平整也會(huì)導(dǎo)致支撐傳力不均，建議該地層或其他軟弱地層中不設(shè)置鋼腰梁體系，將鋼支撐通過(guò)預(yù)埋在地連墻側(cè)面的鋼板直接進(jìn)行傳力，減小鋼腰梁體系對(duì)鋼支撐預(yù)加軸力的損失。同時(shí)，可增加鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)，設(shè)定鋼支撐預(yù)加軸力預(yù)警閾值，在基坑開(kāi)挖全過(guò)程中，對(duì)鋼支撐軸力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和實(shí)時(shí)補(bǔ)加。

6）在開(kāi)挖完成后，應(yīng)盡快封閉墊層及底板結(jié)構(gòu)。考慮到底板結(jié)構(gòu)施工時(shí)間段較長(zhǎng)，對(duì)控制基坑變形不利，可采取措施提高墊層的強(qiáng)度和剛度，如在墊層混凝土中摻入早強(qiáng)劑、在墊層混凝土中加入加勁鋼筋網(wǎng)片以及適當(dāng)增加墊層的厚度等，在基底位置快速形成1道強(qiáng)度和剛度均較大的“板撐體系”，對(duì)控制基坑繼續(xù)變形也會(huì)有很大的改善。

參考文獻(xiàn)：

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