長江漫灘地區緊鄰文物地鐵車站深基坑變形分析及控制研究

于 程 童祖玲 賴蘇玲

(南京同力建設集團股份有限公司 江蘇南京 210046)

0 引言

城市快速發展，交通日益完善，給人類生活帶來了便利，也給各類基坑工程帶來更大的挑戰。由于環境的復雜化，工程實施過程中，土質及周邊環境的影響，成為基坑安全考慮的主要因素之一。南京地鐵站南京西站位于長江漫灘地區，車站南側為南京西站(市級文物)，地質條件差和周邊環境保護要求高，成為該工程施工的一大難點。本文根據監測數據，對其深基坑變形進行原因分析，研究總結其結構變形控制措施，以期對類似深基坑的設計、施工提供借鑒。

1 項目概況

1.1 工程概況

新建地鐵站南京西站為中間站，站臺是寬度為11 m的島式站臺，地下兩層雙跨(局部三跨)矩形框架結構，車站標準段寬度為20.1 m，車站主體結構外包總長為180 m；頂板覆土約為3.1 m～3.3 m，標準段底板埋深為16.6 m～16.75 m，端頭井底板埋深為17.6 m～17.9 m，車站共設置3個出入口、2個風道和1個消防疏散通道，1個預留出口。車站主體基坑采用明挖順作法施工。主體圍護結構采用800 mm厚度地下連續墻+水平內支撐支護體系，車站兩端且均為盾構接收。

1.2 周邊環境

該項目位于長江漫灘地區，車站南側為南京西站(市級文物)，主體結構外皮距其建筑最近約42.3 m，附屬結構外皮距其建筑最近約15.6 m。

1.3 工程地質條件

車站地表普遍分布①-1人工填土，往下依次為②-2b4淤泥質粉質黏土(混夾粉土、粉砂，層厚18.80 m～32.40 m)、②-4b3粉質黏土夾粉砂(混夾粉土、粉砂，層厚約3.50 m～28.20 m)、②-5d1粉砂、粉土(層厚約1.20 m～5.20 m)、④-4e1卵礫石(層厚約5.30 m～16.30 m)，局部揭露④-4d1粉砂層。

結構底板位于地質條件較差的②-2b4淤泥質粉質黏土層(混夾粉土、粉砂)(fak=65 kPa)，如圖1所示。

圖1 項目地質剖面圖

1.4 水文地質條件

1.4.1 地表水

車站周邊較大的地表水體為長江和惠民河。長江距離廠區西側約300 m，惠民河距場區西側約40 m。長江距場區較遠，對本項目影響不大。惠民河距場區稍遠，地表水與孔隙潛水聯系密切，對基坑降水有一定影響。

1.4.2 地下水

(1)孔隙潛水

孔隙潛水近地表分布，主要賦存于淺部①層人工填土。①層成分復雜，極不均勻，其透水性較好、賦水性較差；該含水層水位埋深主要受大氣降水控制。

(2)承壓水

承壓水主要賦存于深部②層粉砂、細砂中。透水性、賦水性均較好，與潛水的隔水層為微～弱透水的②層淤泥質粉質黏土、粉質黏土夾粉土、粉砂，埋藏較深，一般在50 m以下，具承壓性，含水層底板為下伏基巖。

(3)地表水及各含水層之間的水力聯系潛水與承壓水之間水力聯系微弱。

2 基坑設計

2.1 圍護結構

車站基坑圍護結構采用800 mm厚地下連續墻,標準段墻深36.7 m，最大墻深39.5 m。接頭形式：工字鋼剛性接頭；車站圍護結構依次穿越①1雜填土、②1素填土、②-2b4淤泥質粉質粘土、②-4b3粉質粘土夾粉砂。

2.2 水平支撐體系

第一道采用鋼筋混凝土支撐：截面尺寸為800 mm×1000 mm；第二道及以下采用φ609，t=16 mm鋼管支撐，如圖2所示。

圖2 圍護結構斷面圖

2.3 地基加固

該工程位于長江漫灘地區，且該車站結構底板位于地質條件較差的淤泥質粉質黏土層，該土層強度低、壓縮性高，對地連墻變形的控制不利，因此設置合理的加固措施是有效途徑之一。

車站主體基坑內設置雙軸攪拌樁抽條+裙邊基底加固(抽條寬度3 m，間距3 m，裙邊寬度3 m)，加固深度均為3 m，雙軸攪拌樁采用φ700@500×500矩形布置，雙軸攪拌樁裙邊加固與地下連續墻間設一圈φ800@600三重管旋噴樁。

2.4 模擬計算

根據下關火車站與南京西站相對位置關系，采用FLAC3D建立模型如圖3(a)所示，進行數值計算分析。由于巖土材料物理力學特性的隨機性和復雜性，要完全模擬巖土材料的力學性能，嚴格按照實際的施工步驟進行數值模擬困難。在建模和計算過程中，應考慮主要因素，忽略次要因素，結合具體問題進行適當簡化[1]。

2.4.1 計算模型

本次計算建立二維與三維有限元模型進行計算，采用FLAC3D模擬1號風道基坑開挖對下關火車站主體建筑的影響，考慮按基坑工程實際的開挖中加撐與換撐順序進行模擬。

根據計算結果，選擇典型斷面計算，模型寬、高分別為101 mm×45 mm，共5726個單元，8967個節點，如圖3(b)所示。

(a)有限元幾何模型 (b)有限元模型圖3 計算模型圖

2.4.2 計算結果

從圖4～圖7可知，基坑的開挖，將使建筑產生水平位移和豎向沉降，靠近基坑側的位移和沉降值最大。計算得到，最大水平位移值為2.2 mm，最大豎向位移4.35 mm。根據房屋豎向沉降值，可算得建筑傾斜值為0.0004%。可見，建筑的變形和差異沉降均滿足建筑保護控制值要求。

圖4 基坑開挖產生水平位移

圖5 基坑開挖產生建筑水平位移

圖6 基坑開挖產生的豎向位移

圖7 基坑開挖產生建筑豎向位移

3 基坑變形監測

施工過程中，應對基坑及周邊建筑物進行實時監測。本文主要對一期主體基坑的變形進行分析，一期主體基坑的監測平面布置圖如圖8所示。開挖過程中及時對監測數據進行統計分析，發現基坑變形較大，監測預警點位較多，預警情況如表1所示。

表1 一期主體基坑監測預警統計表

圖8 一期主體基坑監測平面布置圖

監測所得圍護結構深層水平位移最大累計變形為173.09 mm，位于深度22.5 m處，基坑西側7-8軸之間；周邊地表沉降，最大累計沉降變形為-152.3 mm，位于基坑西側7-8軸之間；周邊建筑物沉降最大累計沉降變形為-23.5 mm；立柱樁沉降最大累計變形為38.00 mm，位于基坑西側2軸附近。

4 基坑變形原因分析

4.1 地質條件

基坑所在位置地質條件主要為軟土。軟土的物理特性是具有天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強度低、滲透系數小。工程特征則表現為觸變性、流變性、高壓縮性、高靈敏度、低透水性及不均勻性等，這些特性對軟土基坑工程的主要影響有：

(1)觸變性：結合樁體深層水平位移數據來看，地連墻最大變形深度均在開挖面以下4 m～5 m左右，如圖9所示。

圖9 最大變形深度隨支撐條件改變的變化

(2)流變性：對比降水記錄與地表沉降監測數據，即使基坑未開挖時，基坑降水仍會導致地表沉降數值緩慢增長。

(3)高壓縮性：軟土屬高壓縮性土，軟土的壓縮系數a1- 2>0.5MPa-1，極易因其體積的壓縮而導致地面和基坑支護結構沉降。

(4)低透水性：因其透水性弱和富水性強，對地基排水固結不利，不僅影響地基強度，同時也延長了地基趨于穩定的沉降時間。車站一期共設置10口疏干井，計算理論日均單井降水可達5.7 m3，實際日均單井降水僅未1.2 m3，疏干效果較差，土體固結較慢。

(5)低強度和不均勻性：軟土地基強度很低，且極易出現不均勻沉降。從地表沉降監測數據來看，基坑南側地表沉降值普遍小于基坑北側同斷面地表沉降值(施工機械及重載車量均在基坑南側作業)。

4.2 支撐預應力損失

鋼支撐按設計值預加軸力后，從監測數據可看出，其軸力損失較大。日最大損失量可達預加軸力的31.7%，復加軸力后軸力仍會有較大損失。反復復加軸力4～5次，方可大致保持鋼支撐軸力損失量較小，如圖10所示。

圖10 鋼支撐軸力大小變化

4.3 不同的挖撐體系形成次序

通常可將挖撐次序分為先撐后挖和先挖后撐兩種過程。顯然，前者對基坑的約束作用更強,基坑的變形更小。然而在實際施工過程中，由于鋼支撐豎向軸心間距僅3 m，凈距僅2.31 m，機械作業幾乎無法做到先撐后挖，導致開挖面無支撐，暴露時間增大。

4.4 基坑暴露時間過長

車站一期主體基坑于2019年11月5日開挖，受環保揚塵管控、春節假期及疫情影響，于2020年8月1日完成一期基坑封底。基坑暴露時間過長，也是導致基坑變形量大的重要原因。

5 采取措施及實施效果

針對上述變形過大的原因分析，有針對性采取改善措施，將監測變形數據控制在合理范圍之內，具體詳見下文。

5.1 加強管理基坑降水與排水

根據軟土的工程特性，合理采取相應改善措施。由于軟土具有流變性及低透水性特點，故不宜過早進行降水作業，否則會導致為開挖區域土體緩慢積累應力，稍受外力擾動其變形值即快速增長。車站一期原方案共設置10口疏干井，起到的疏干效果卻較差，土體固結較慢。故軟土基坑降水應以明排為主，對開挖到的區域進行降水作業，僅需在開挖過程中保證開挖區域土的含水率不過大即可，以減小變形，減少對周邊環境的影響。

5.2 優化支撐結構體系

為減少鋼支撐預應力軸力的損失，對支撐結構體系進行優化。如能在基坑變形前使坑外土壓力與支撐軸力達到平衡，基坑變形就可以得到有效控制，而鋼支撐伺服系統正好能做到這一點[2]。

鋼支撐預加軸力設計值根據坑外土壓力和坑內抗力平衡計算出來，預加軸力按照設計值的50%～70%施加。但按照預加軸力，并不能較好控制基坑變形，主要原因是預加軸力與坑外土壓力不相等，不能達到上撐即能控制變形的效果。所以，較為合理的方式是預加軸力取設計值的100%。由于目前規范規定的土壓力計算模型采用主動土壓力公式，而使用伺服系統后，基坑變形受到嚴格控制，土壓力可能介于主動土壓力和靜止土壓力之間。所以綜合考慮，預加軸力不小于設計值的100%，可以把100%設計值設定為壓力下限。為了最大限度地發揮支撐的作用，應該將支撐承載力極限作為壓力上限，通過伺服系統保證支撐安全[3]。

車站一期主體基坑11-13軸局部采用鋼支撐伺服系統，通過對比地連墻深層水平位移監測數據，可以看出，采用伺服系統段落地連墻深層位移，最大值僅為未使用區域1/3左右，且地連墻變形形式與未使用伺服區域有較大區別。圖11為對鋼支撐區域地連墻和伺服區域地連墻最大變形處監測情況統計，可看出地連墻在鋼支撐伺服系統作用下，成剛性變化，在普通鋼支撐作用下成彈性變化[4]。

(a)鋼支撐區域地連墻最大變形處監測情況 (b)伺服區域地連墻最大變形處監測情況圖11 地連墻變形形式監測結果對比

從以上對比分析可以看出，鋼支撐伺服系統能夠有效發揮鋼支撐的支護作用，減小預應力損失，從而達到減小基坑變形的作用。

5.3 合理安排開挖順序

在安排挖土順序時，首先要按照圍護結構支撐的布置情況分層開挖，其次尚需分區開挖。同樣，分層分塊的開挖，也會減小開挖土體的空間幾何體，這就是利用空間效應減小基坑的變形。當一個區段的土方挖到設計標高后，應立即安裝支撐，以縮短無支撐的暴露時間，減少時間效應對位移的影響。

如圖12所示的分層分段放坡開挖形式與整層開挖比，開挖面無支護暴露時間可大幅度縮短。故在本工程中，合理設置分層分段開挖，并及時支護，減少開挖面無支護的暴露時間，以減小基坑變形。

圖12 基坑分層分段放坡開挖示意圖

通過各項對策實施，在一期基坑開挖過程中，下關火車站沉降觀測、測斜觀測數值均在設計單位給定的控制值內。

6 結論

軟土層基坑在復雜環境條件下施工，結構變形的控制是保證基坑安全穩定的基本。本工程通過各項對策實施，在一期基坑開挖過程中，下關火車站沉降觀測、測斜觀測數值均在設計單位給定的控制值內。本文通過對南京西站軟土層深基坑的變形，進行原因分析與控制措施總結，得出以下結論：

(1)由于軟土的流變性及低透水性，不宜過早進行降水作業。應以減少積累應力，基坑降水應以明排為主，對開挖到的區域進行降水作業，僅需在開挖過程中保證開挖區域土體滿足開挖條件即可。

(2)鋼支撐伺服系統能夠有效發揮鋼支撐的支護作用，基坑深層位移最大值僅為普通鋼支撐圍護結構變形的1/3左右，對減小支護結構及鄰近建筑物的變形具有顯著效果。

(3)合理設置分層分段開挖，并及時支護，減少基坑暴露時間，即減少時間效應，充分發揮空間效應，對于減小支護結構變形起到關鍵作用。