基于時空效應的某深基坑施工技術及變形特性研究

吳堅敏,吳泓怡

(廣元市住房和城鄉建設局質安站，四川廣元 628017)

近二十年來，城市建設進入了快速發展階段，高層、超高層建筑快速增加，基坑平面尺寸和豎向深度隨之增大，因此，對基坑支護設計和施工技術控制要求逐漸增高。目前，飽和軟黏土地區基坑事故時有發生，如何控制該土層特性下深基坑變形，已成為巖土工程領域亟待解決的課題。著名學者劉建航院士等在總結長三角地區飽和軟黏土流變特性基礎上,提出考慮“時空效應”的基坑動態設計[1-2],在軟土地區深基坑工程中獲得良好效果。然而,由于巖土工程實踐性較強,對現場施工技術的研究更具現實性。因此,研究如何運用合理的基坑施工技術,降低基坑開挖對周邊環境影響已成為巖土工程領域的重要課題之一。本文基于“時空效應”原理,結合具體工程實踐,采用合理的施工技術，有效控制飽和軟黏土地區深大基坑變形，保護周邊環境。

1 概述

1.1 工程概況

蘇州融創金融城項目，位于蘇州市高新區，西側緊鄰濱河路(地鐵三號線)、南側為竹園路(地鐵五號線)、東側為運河路?；有螤畈灰巹t，面積約34 000 m2，基坑深度為10.5 m，為減小飽和軟黏土地區基坑土體在卸荷過程所產生的“時空效應”[3-6]，將本基坑分為臨軌側與非臨軌側兩大區域，而臨軌側分為A1基坑、A2基坑、B基坑及C2基坑，非臨軌側為C1基坑。各基坑施工順序為：A1基坑(A2基坑)→B基坑→C1基坑→C2基坑。臨軌側豎向圍護(西側與南側)采用地下連續墻圍護型式，非臨軌側豎向圍護(北側與東側)采用鉆孔灌注樁圍護型式，臨軌側與非臨軌側之間的隔離樁采用鉆孔灌注樁圍護型式，待圍護樁功能使用完畢后對其進行靜力清除。水平支護采用兩道混凝土支撐，五大基坑支撐體系均為獨立體系，基坑分區圖如圖1所示。

圖1 臨軌側與非臨軌側分區示意

1.2 地質水文概況

1.2.1 地質概況

本基坑挖深影響范圍內土層特性自上而下分別為：①素填土：松軟，以黏性土為主要成分；②層黏土：可塑狀態，壓縮性中等；③層粉質黏土：可塑狀態，壓縮性中等；④-1層粉土：飽和，稍-中密，壓縮性中等；④-2層粉砂：飽和，稍-中密，壓縮性中低，工程特性較好；⑤-1層粉質黏土：流塑-軟塑，壓縮性、工程特性中等；⑤-2層粉質黏土夾粉砂：流塑-軟塑，壓縮性、工程特性中等；⑥-1層黏土：可塑～硬塑。

1.2.2 水文概況

本工程場地內地下水自上而下為孔隙潛水、承壓水(微)及承壓水，承壓水層埋深較深，對本基坑無影響，對本基坑存在影響的為孔隙潛水與微承壓水。

孔隙潛水主要位于①層素填土中。承壓水(微)主要位于④-1層粉土與第④-2層粉砂中。

1.3 周邊環境概況

1.3.1 周邊道路

基坑南側濱河路與西側竹園路均為已通行市政道路；基坑東側和北側分別為與三期、一期交接地塊，為素混凝土硬化的臨時施工道路。

1.3.2 周邊地鐵結構分布

本項目西側緊鄰正施工中的地鐵三號線，南側緊鄰地鐵五號線。

基坑西側距地鐵距離:西側距地鐵3號線附屬結構約6.0 m，距盾構隧道約18.0 m，距索山橋西車站約23.0 m。

基坑南側距地鐵距離：50 m。

1.3.3 周邊管線分布

基坑東側與北側位于場地內南側距地鐵5號線附屬結構約16.0 m，距盾構隧道約14.0 m，距索山橋西車站約35.0 m，無管線分布；南側濱河路與西側竹園路下管線錯綜復雜，主要管線信息分類與埋深信息如表1所示。

表1 管線距離與埋深信息

2 施工重難點分析

2.1 周邊環境復雜，變形控制要求高

本基坑西側距地鐵3號線最近處僅6.0 m，南側距地鐵5號線最近處僅14.0 m，在軌道公司所規定的對地鐵保護50 m控制線范圍內，依據蘇州市地鐵保護要求，基坑開挖導致的地鐵結構變形不超過10 mm。故本基坑施工過程中對周邊環境變形控制是本項目的重難點。

2.2 土層物理力學性質差，開挖要求高

本基坑深度影響范圍內土層存在⑤-1層粉質黏土、⑤-2層粉質黏土夾粉砂等飽和軟弱土層，土層物理力學性質較差，又因為本基坑開挖深度較深為10.5 m，基坑尺寸較大，故土方開挖過程中應考慮“時空效應”對本基坑變形的影響。

2.3 地下水豐富，止水要求較高

對本基坑存在影響的主要為孔隙潛水(①層雜填土中)與微承壓水(④-1層粉土、④-2層粉砂)，其中微承壓水層相對較厚，透水性好。基坑底主要位于④-1粉土層中，動水作用下可能產生管涌、流砂等不利狀況，故本基坑對豎向圍護樁外側止水要求較高。

3 基坑施工技術

3.1 水平向分區開挖

“時空效應”原理由劉建航院士等專家提出，將施工技術并入基坑支護設計范疇，以設計來指導施工，用施工來反饋設計，動態調整基坑設計與施工技術因素[7]。本基坑在設計時，將一個大基坑分為5個獨立小基坑，即臨軌側的A1基坑、A2基坑、B基坑及C2基坑和非臨軌側的C1基坑。因A1與A2基坑為主樓所在區域，結合工期要求，將先行施工。各基坑施工順序為：A1基坑(A2基坑)→B基坑→C1基坑→C2基坑。每一個獨立基坑在土方開挖時，應進行分塊施工，如圖3.1所示，A1基坑與A2基坑的①區、②區及③區按順序依次施工至坑底。B區先施工④區后施工⑤區；C1區與C2區依次施工⑥區和⑦區。合理的分坑施工，可最大限度減少因“時間效應”與“空間效應”引起的周邊環境變形(圖2)。

圖2 基坑開挖分區

3.2 豎向分層開挖

工況一:主要進行首層土方的開挖，①區、②區及③區同時開挖至第一道支撐梁底500 mm位置處，施工第一道支撐梁與壓頂梁，施工完畢后進行養護，如圖3所示。

圖3 基坑開挖工況一

工況二：第一道支撐與壓頂梁強度達設計強度75 %后，方可進行第二層土方的開挖。①區、②區及③區同時開挖至第二道支撐梁底500 mm位置處，即標高-3.400 m，施工第二道支撐梁及圍檁并進行養護，如圖4所示。

圖4 基坑開挖工況二

工況三：第二道支撐與圍檁強度達設計強度75 %后，先進行①區域土方開挖，開挖至坑底后，對①區底板進行澆筑。土體應分層、分段進行開挖，每層厚度不大于2.5 m，每段長度不大于20 m，坡比應大于1∶1.5，如圖5所示。

圖5 基坑開挖工況三

工況四：①區底板澆筑完成后，將②區土方開挖至坑底，對②區底板進行澆筑。土體應分層、分段進行開挖，每層厚度不大于2.5 m，每段長度不大于20 m，坡比應大于1∶1.5，如圖6所示。

圖6 基坑開挖工況四

工況五：待①區、②區底板澆筑完成后，對中間留土③區進行開挖，開挖至坑底后澆筑底板。③區底板澆筑完成后，即A1區完成底板澆筑，便可進行主樓的施工，如圖7所示。

圖7 基坑開挖工況五

B區、C1區及C2區土方開挖參照圖2—基坑開挖分區圖，結合A區施工技術進行施工，確保基坑開挖過程中周邊地鐵與市政管線等周邊環境的安全。

4 變形特性分析

4.1 圍護樁深層水平位移

圖8為A1基坑③區域南側圍護樁深層位移監測點CX2在不同施工工況下，豎向圍護樁深層位移變化曲線圖。由深層位移變化曲線圖可知，第一層土方開挖工況下，豎向圍護樁處于懸臂結構，最大位移位于樁頂位置，為1.0 mm；隨著基坑土體繼續開挖，深層位移變化曲線為“拋物線”型且最大值逐漸下移，當土方開挖至第二道支撐底時，最大深層位移位于坑底以下(標高-3.700 m)，為4.6 mm；當基坑開挖至基底位置時，最大深層位移位于坑底以上(標高-7.500 m)，為8.2 mm，小于地鐵保護變形容許值10.0 mm，滿足要求。

圖8 CX2監測點深層位移變化曲線

4.2 地鐵上部地表沉降分析

圖9為B基坑南側四個不同沉降監測點(D1～D4)在不同施工工況下地鐵上部地表沉降變化曲線圖。

圖9 周邊地表豎向位移變化曲線

由圖9變化曲線圖總體趨勢可知，隨著基坑被動區不斷卸荷，豎向圍護樁深層位移不斷增加，導致圍護樁外側即地鐵上部地表豎向位移不斷增大。第一層土方開挖，因開挖深度較淺，對周邊土體沉降影響較小，隨著基坑開挖越來越深，沉降速率逐漸增大，當開挖至坑底施工底板后，地鐵上部地表豎向位移不再增加，趨于平緩。從數據分析可知，D-1～ D-4沉降監測點豎向位移為5.3～6.3 mm，D-1點沉降值最大，但僅為6.3 mm，小于地鐵保護變形容許值10.0 mm。由上述分析可知，飽和軟黏土地區基坑采用合理的分坑施工技術可減小“時空效應”所致的周邊環境變形的影響。

5 結束語

軟黏土地區的臨軌基坑，對地鐵的保護為重中之重?；?于“時空效應”原理,采用 “分區、留土、對稱”等合理的施工技術，能有效控制飽和軟黏土地區深大基坑變形，以達到保護周邊環境的目的，取得了一定的經濟效應和良好社會影響，為今后軟黏土地區的類似臨軌基坑提供良好的借鑒。