營業線多臺階坑中坑式軟土深基坑變形研究

張學橋

（中鐵十七局集團上海軌道交通工程有限公司 上海 200135）

1 工程概述

寧波處于我國的東部沿海，普遍分布著較厚的濱海相軟土，構成主要為淤泥質粉質黏土與淤泥質黏土，為典型的海綿結構和層理結構；淤泥質土具有高含水量、高壓縮性、強度低，流變、觸變性大等特點，基坑穩定性差，基坑開挖過程容易產生不均勻沉降和變形大等問題［1］。

寧波站改建工程位于寧波市海曙區老城范圍內的原鐵路營業線站場內，為鐵路站房與寧波地鐵2號線寧波火車站一體化共建項目，建筑總面積13.36萬m2；地上和地下共六層，地上三層為站房，地下一層為南北廣場連接通道，地下二、三層為地鐵車站，車站北側為寧波地鐵4號線換乘車站。寧波站建成后將形成集鐵路、地鐵、出租車、公交車等多種市政交通設施“零換乘”的一體化大型綜合交通樞紐，總平面圖詳見圖1。

圖1 寧波站總平面示意

深基坑長265m，最寬處123.5m，主基坑寬75 m，開挖深度24 m，南北廣場基坑、地鐵4號線換乘站基坑均同期實施，鐵路營業線運營首次采用鋼格構柱梁板式便橋橫跨深基坑［2-4］，深基坑也首次采用了多步臺階式放坡，配合攪拌樁、灌注樁、地下連續墻等多種圍護結構形式，實現了營業線內淤泥質坑中坑軟土綜合深基坑施工的新形式，解決了大型樞紐型車站一體化建設的難題。本文通過基坑變形的理論數據和基坑施工監測數據的對比，分析其差異性，對營業線內大型一體化的淤泥質軟土深基坑的設計和施工具有較大的指導和借鑒意義。

2 工程地質及周邊環境

2.1 工程地質條件

主要地質詳見圖2。

圖2 深基坑工程地質橫剖面圖

2.2 水文地質條件

（1）孔隙潛水

賦存于表部填土和黏土、淤泥質土層中，水量較大，滲透系數在1.0×10-8～4.07×10-9m／s之間，埋深為0.9～1.2 m，變幅0.5～1.0 m之間，標高約2.10 m。

（2）孔隙承壓水

承壓含水層主要賦存于③1層粉質黏土層、⑥2層砂質粉土層和⑧層粉砂、細砂層中。

③1層粉質黏土及⑥2層砂質粉土中，為微承壓含水層，③1層埋深12～17.6 m，⑥2層埋深37.5～45.4 m，水量相對較小，單井出水量在6～10 m3／d；砂質較純、厚度較大的地段出水量相對較大，承壓水頭為地表以下1.8～2.5 m左右，滲透系數在4.2×10-8～1.5×10-6m／s，地下水基本不動。

⑧層粉砂、細砂層，水量豐富透水性好，為第一承壓含水層，最淺埋深51m，單井開采量500～1 000m3／d，平均滲透系數約3.53×10-4m／s，含水層頂板埋深一般為48.0～55.0 m左右，含水層厚度10～18 m，層位穩定，基本不流動，承壓水頭為地表下4.5～4.8 m。

2.3 周邊環境

基坑南側緊鄰尹江路，道路下順道路方向有煤氣、雨水、通訊、污水、供水等多條管線；距離基坑約85 m的東南角，有榮安世家兩棟高層建筑；基坑正上方為寧波站既有站場，施工期間要保證橫跨基坑的上下行兩條杭深線鐵路正常運營。

3 圍護結構形式、受力分析及檢算

3.1 圍護結構形式

基坑的主要圍護形式見表1，基坑總平面詳見圖3，標準段橫剖面見圖4，鋼筋混凝土內支撐見圖5～圖7。

圖3 深基坑總平面示意

表1 深基坑主要圍護結構形式統計_

圖4 標準段橫剖面圖（單位：m）

圖5 第一道鋼筋混凝土內支撐平面圖

圖6 第二、三道鋼筋混凝土內支撐平面圖

3.2 圍護結構受力分析與檢算

（1）基坑圍護結構整體穩定性驗算

根據地質勘查資料，利用圓弧滑動理論、庫倫土壓力理論等對基坑圍護結構進行整體穩定、抗隆起、抗傾覆、抗管涌驗算［5-7］，見表 2。

圖7 第四道內支撐平面圖（僅南端頭）

_表2_基坑圍護結構穩定性檢算

（2）考慮時空效應的桿系有限元計算地下連續墻內力、變形

圍護施工階段沿基坑周邊取單位長度采用桿系有限元法計算，地層的被動抗力采用彈性鏈桿代替，地層對墻體作用考慮時空效應的等效彈簧進行模擬，考慮各施工階段施工參數變化、墻體位移的影響，須滿足強度及變形控制的安全穩定性要求。

開挖階段計入結構的先期位移值以及支撐的變形，按“先變形、后支撐”的進行結構分析，并計算內部結構回筑階段的內力組合，最終的位移及內力值是各階段之累計值［8-12］。

土壓力計算理論采用朗金土壓力理論，c、φ值取峰值，并采用水土分算；地面超載取為20 kN／m2，計算結果見表3。

_表3 基坑圍護墻體位移及彎矩理論計算數據

（3）支撐體系平面框架計算

支護體系形成后，將圍檁、支撐視作平面框架，支撐與圍檁、支撐與支撐的連接視作剛性連接，立柱作為支撐梁的連桿支座。平面框架的圍檁在水平面內均布荷載作用下，計算出支撐和圍檁內力［13］，這里只對比支撐軸力，計算結果見表4。

表4_支撐軸力的理論計算結果

（4）基坑開挖及降水對周邊環境的影響

采用了平面彈塑性有限元分析方法，土體采用Mohr-Coulomb（M-C）材料模式用來模擬，圍護體及地鐵車站通過輸入等效的EI及EA等參數來模擬力學特性，并通過輸入合理的接觸面參數來模擬結構物與土體的接觸非線性［14-15］；根據基坑內微承壓水層降壓影響計算周邊地面沉降，計算結果見表5。

_表5_開挖及降水對周邊環境變_形的理論計算

4 變形監測的實測值和理論值的對比分析

通過研究各項變形監測的實測值和理論值的對比，下面對寧波站軟土基坑圍護結構安全性能、周邊環境的影響等進行分析。

4.1 支撐軸力數據的對比分析

深基坑內鋼筋混凝土支撐軸力對比見表6。

表6_支撐軸力實測值與計算值對比 kN

（1）第一層支撐實測值只達到了報警值的70%，其它各層實測值未超過報警值的50%，與允許軸力差距更大，圍護結構偏安全。

（2）支撐軸力實測值遠小于計算值，分析其主要原因如下：

一是在第二層土開挖之前，由于基坑邊坡區域的水泥攪拌樁與土體的化學作用以及疏干井的降水疏干作用，使圍護結構附近土體的物理力學性能發生了變化，土體強度得到很大提高，這也就使實際作用在圍護結構背面的主動土壓力比采用原狀土參數計算的主動土壓力小很多；

二是在圍護結構外側，有攪拌樁加固的重力壩，有大量的工程樁約束土體變形，這在理論計算時并未計入。

4.2 圍護墻的水平位移數據的對比分析

實測值取最大值，理論值采用理正深基坑和同濟啟明星軟件分別計算，報警值采用設計提供的報警值，對比見表7。

_表7_水平位移_實測值與理論值對比

（1）各段圍護墻的水平位移都接近和達到了報警值，理正深基坑在10 m開挖深度內的算值偏小，同濟啟明星在開挖深度超過10 m后算值偏小。

（2）圍護墻位移隨開挖深度增大而增大，一般呈現出兩頭小，中間大的“鼓肚子”特點，這種變形規律與支撐軸力大小情況吻合。

（3）基坑水平位移實際變形數據和理論計算基本相符，理論計算標準段圍護墻水平位移偏小，應在以后計算中調整相關參數。

4.3 地表沉降數據的對比分析

基坑開挖及降水過程中的豎向變形實測值和理論值對比數據，見表8。

_表8_開挖及降水豎向變形實測值和理論值對比_

（1）開挖階段，地下連續墻、鉆孔圍護樁既受基坑卸載回彈影響，又受坑內承壓水層降壓影響，兩種勢力相互抵消，表現出豎向位移不明顯，有升有降，自始至終絕對值在15 mm以內。

（2）坑外邊坡點下沉明顯，隨著開挖深度增加及基坑承壓水層的降壓進行，坑外邊坡沉降從最初9 mm增加21 mm，最后沉降穩定在25.4 mm，未超過報警值。

（3）根據所監測數據距離基坑的不同距離地表沉降數據，可得知承壓水降水階段對周邊地表豎向變形的影響范圍及沉降值較計算值偏大。

5 主要研究結論與建議

（1）采用兩級放坡，鉆孔灌注樁圍護、地下連續墻加內支撐作為淤泥質軟土綜合深基坑的主要支護形式，通過圍護結構的受力、位移、地面沉降等變形實測值和理論值數據對比分析，圍護結構的實際支撐軸力遠小于理論報警值，圍護墻實際位移基本和理論計算相符且未超出報警值，說明這種圍護結構形式在解決營業線內大型軟土樞紐型綜合深基坑的施工，是安全可靠的。

（2）通過基坑監測發現，本工程的重力壩、止水帷幕和降水疏干，起到了提高土體強度的作用，減少了土體作用在圍護墻上的主動土壓力，反映在實際支撐軸力遠小于采用原狀土參數計算的理論支撐軸力。

（3）通過⑥2微承壓水層降壓對周邊環境影響的實測值和理論值的對比，微承壓水層降壓過程中，水位穩定，未發生突涌，地表未因基坑降水而出現大面積、較大的下沉現象。

但在降水過程中，周邊地層豎向沉降變形的實際范圍比理論計算的影響范圍廣，建議在類似軟土深基坑工程中注意，通過降壓保證基底不發生突涌的同時，要防止降壓過度造成地表大面積下沉而破壞周邊環境的現象，并針對在影響范圍內的重要的地面建（構）筑物要進行重點監測或加密監測。

（4）寧波站軟土深基坑的開挖實踐，證明本基坑豎向分層，水平面分段、分塊，對稱、平衡、限時開挖支撐的開挖方法，符合軟土深基坑開挖支護的時空效應理論，滿足軟土深基坑的施工需要，對類似工程的設計和施工有借鑒作用。