孫 勇，常紹杰，楊振平

（中交一航局第四工程有限公司，天津 300456）

1 工程概述

在城市建筑密集區(qū)域進行深基坑施工，其圍護結(jié)構(gòu)的變形對周圍建筑物的安全性能影響十分重大。天津地鐵3號線北站站主體基坑支護結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土連續(xù)墻和鋼支撐組成的內(nèi)支撐圍護結(jié)構(gòu)體系。車站基坑長197 m，寬24.5 m，開挖深度為17.6 m，地連墻厚為0.8 m，深31 m，布置4道鋼管支撐；端頭井最大開挖深度19.1 m，墻厚為1.0 m，深33.2 m，布置5道鋼管支撐；換乘節(jié)點處開挖深度25.4 m，墻厚為1.0 m，深45 m，布置8道鋼管支撐。入土比均為0.7。車站標準段采用全明挖法施工。相鄰建筑為1957年所建3層磚混結(jié)構(gòu)，地基為片石條形擴大基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深2.1m，距基坑邊10 m，局部僅7.8 m（如圖1、圖2）。

2 圍護結(jié)構(gòu)變形及相鄰建筑沉降影響因素分析

影響圍護結(jié)構(gòu)變形的主要因素是圍護結(jié)構(gòu)所承受的土壓力的變化，及圍護結(jié)構(gòu)本身對壓力的抵抗能力。相鄰建筑物的沉降是土壓力與圍護結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)果，它與圍護結(jié)構(gòu)的變形有著密切的關(guān)系。也就是說土壓力隨著施工過程的變化始終是變化的，設(shè)計和施工時需綜合考慮。當(dāng)圍護結(jié)構(gòu)形式確定后，就需要在施工過程中嚴格控制各個影響因素，以確保圍護結(jié)構(gòu)的安全性。

2.1 圍護結(jié)構(gòu)的影響

對于地鐵車站普遍采用的地下連續(xù)墻作為深基坑的圍護結(jié)構(gòu)，其影響因素為：

1）圍護結(jié)構(gòu)變形的大小取決于圍護結(jié)構(gòu)自身的剛度。圍護結(jié)構(gòu)的剛度受彈性模量、結(jié)構(gòu)厚度影響。目前，深度15 m以上的地鐵車站基坑，地下連續(xù)墻的厚度一般在800～1 200 mm，其后者的剛度約為前者的3.375倍，即基坑變形將減少70%；圍護結(jié)構(gòu)由于與支撐系統(tǒng)協(xié)同工作，地下連續(xù)墻的厚度應(yīng)考慮支撐體系的材料、開挖工藝等綜合確定。

2）圍護結(jié)構(gòu)的插入深度，直接影響基坑本身的抗隆起穩(wěn)定性，一般為0.6H～0.8H（H為基坑開挖深度），但是插入深度還受基坑底部承壓水層的影響。地下連續(xù)墻入土深度設(shè)計要結(jié)合嵌固深度、各項穩(wěn)定性、水文地質(zhì)條件和地下水控制要求等綜合考慮。

圖1 基坑平面圖

圖2 基坑剖面圖

2.2 支撐的影響

1）支撐剛度越大，對于限制基坑的變形越有利，但是過大的剛度不僅會加大支撐桿件的體積，不便于施工，并且增加工程造價。所以常見的長條形地鐵車站深基坑，應(yīng)該綜合考慮支撐的彈性模量、截面積、支撐長度、支撐水平間距等，合理選擇支撐剛度。

2）對鋼管施加預(yù)應(yīng)力可以消除支撐體系松弛，避免開挖階段土體內(nèi)產(chǎn)生過大的剪應(yīng)力，可有效減少基坑變形。合理的鋼支撐預(yù)加軸力值就是能讓鋼支撐、鋼圍檁、圍護結(jié)構(gòu)之間無縫隙接觸且共同受力，通常為計算軸力的60%～70%。

3）鋼支撐是長細桿結(jié)構(gòu)，重力可使鋼支撐極限承載力降低35%左右，其影響不可忽略。安裝鋼支撐鋼管時采用三分點起吊，鋼管彎矩最小，變形最??；鋼管安裝定位后，施加預(yù)應(yīng)力前改由中點單點起吊，使其有一定的向上反撓度，減少重力對鋼支撐內(nèi)力的影響。

4）實測證明鋼支撐內(nèi)力與溫度密切相關(guān)，溫升過高會導(dǎo)致失穩(wěn)，溫降過低會導(dǎo)致支撐失效，溫度降低造成的影響要比溫度升高嚴重得多，在架設(shè)鋼支撐時應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)時環(huán)境溫度、最高環(huán)境溫度、最低環(huán)境溫度對所有鋼支撐軸力進行必要的調(diào)節(jié)，軸力的調(diào)節(jié)量可按下式[1]進行：

式中：k為溫度調(diào)節(jié)系數(shù)，見表1；α為鋼材的線膨脹系數(shù)；Δt為升溫或降溫溫差；E為彈性模量；A為截面積。

表1 溫度調(diào)節(jié)系數(shù)k取值表

2.3 基坑開挖的影響

開挖順序作為支撐的重要施工參數(shù)是影響深基坑變形的重要因素，通常包括先挖后撐和先撐后挖2種情況。

開挖方式是影響鋼支撐內(nèi)力與穩(wěn)定的最重要因素，鋼支撐內(nèi)力絕大部分是由于開挖引起的，按照時空效應(yīng)規(guī)律依“分層開挖、先撐后挖”的原則優(yōu)化每一層的開挖深度與步距，及時安裝鋼支撐，科學(xué)合理有序的開挖能有效減少開挖過程對鋼支撐內(nèi)力的影響，大大提高基坑的穩(wěn)定性。

基坑開挖具有明顯的時間效應(yīng)，支撐的架設(shè)需要一定的時間，對于土質(zhì)較差的基坑，采用先挖后撐的方法時，由于支撐的架設(shè)時間，基坑可能發(fā)生較大的變形，嚴重時會導(dǎo)致基坑坍塌破壞。因此，先撐后挖是深基坑優(yōu)先采用的開挖方法。

2.4 施工降水與地下水位影響

施工降水會引起土體的固結(jié)變形。由太沙基固結(jié)理論可知，土的變形速率取決于孔隙水的排出速率，即孔隙水的消散速率?；觾?nèi)施工期間的降水，會引起坑內(nèi)土體的沉降變形，此時如果基坑外部水位不發(fā)生變化，圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)外的水力壓差會對圍護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓力。由于圍護結(jié)構(gòu)的剛度和土體的支撐作用，此時圍護結(jié)構(gòu)的變形不大。但如果圍護結(jié)構(gòu)對外部土體內(nèi)的水沒有形成封閉時，外部土體內(nèi)的水就會滲流到基坑內(nèi)被排出，此時基坑外的土體也會產(chǎn)生沉降，圍護結(jié)構(gòu)變形加大。因此坑內(nèi)降水時圍護結(jié)構(gòu)的嚴密性對周圍建筑的影響很大。

2.5 開挖深度

基坑內(nèi)土體開挖深度的變化直接導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)外土壓力的變化，隨著開挖深度H的增加，圍護結(jié)構(gòu)的變形逐步增加，基坑周圍地面的沉降會越來越大，最大沉降發(fā)生的位置不在緊靠墻體處，而是有一定距離，一般為0.3 H～H。

3 相鄰建筑物沉降與圍護結(jié)構(gòu)變形關(guān)系

圍護結(jié)構(gòu)的變形和基坑底隆起是基坑周圍地表沉降和相鄰建筑物沉降產(chǎn)生的直接原因。根據(jù)地層損失原理，基坑開挖引起周圍地層移動的主要原因是坑底的土體隆起和周圍墻的位移；基坑周圍地層移動進而影響周圍的建筑物、地下管線和其它市政設(shè)施的安全；另外，基坑降水使原有地下水位降低，飽和土孔隙水壓力的逐漸消散及在外荷載作用下土層產(chǎn)生壓縮固結(jié)，也增加了建筑物沉降。基坑附近有效影響范圍內(nèi)建筑物的存在，也對基坑圍護結(jié)構(gòu)增加了附加荷載，增加了圍護結(jié)構(gòu)的變形。

地面沉降曲線影響范圍內(nèi)地基的沉降將導(dǎo)致建筑物的沉降，其沉降大小與建筑物基礎(chǔ)型式、深度密切相關(guān)。建筑物沉降控制的關(guān)鍵是相鄰觀測點的差異沉降是否導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞。對于本工程，基礎(chǔ)底面埋深很淺，地面沉降基本與建筑物沉降一致。實測建筑物傾斜率在0.188%～0.226%之間，小于0.3%的控制標準。其沉降情況見圖3。

圖3 鄰近基坑辦公室沉降三維圖

4 主要控制措施

4.1 圍護結(jié)構(gòu)采取的措施

4.1.1 監(jiān)控測量

通過對以下項目的監(jiān)測，及時分析和掌控施工過程的各項數(shù)據(jù)，達到對圍護結(jié)構(gòu)變形與相鄰建筑沉降的預(yù)控目的。

1） 圍護體定向水平位移監(jiān)測（測斜）；

2） 鋼支撐軸力監(jiān)測；

3） 地下水位監(jiān)測；

4）基坑周圍地表沉降監(jiān)測；

5）基坑隆起監(jiān)測；

6）基坑周圍建筑物沉降變形監(jiān)測；

7）基坑周圍地下管線沉降變形監(jiān)測；

8）圍護體鋼筋應(yīng)力監(jiān)測；

9）地下孔隙水壓力、土壓力監(jiān)測；

10）分層沉降監(jiān)測。

4.1.2 地下連續(xù)墻施工控制

導(dǎo)致基坑圍護結(jié)構(gòu)漏水的原因很多，主要有相鄰兩幅地連墻“劈叉”、接頭刷壁不徹底、混凝土灌注夾渣等。

1）成槽垂直度是施工中容易忽略的滲漏原因。一般規(guī)范規(guī)定地下連續(xù)墻的垂直控制標準為不大于1/150，若相鄰的兩幅分別向坑內(nèi)和坑外傾斜，兩者的相對偏差的最大限制值為1/75。以本工程為例，若地下連續(xù)墻在基坑底部的相對錯開為車站標準段區(qū)234 mm（基坑深度約為17.6 m），端頭井段區(qū)255 mm（基坑深度約19.1 m），換乘節(jié)點段區(qū)339 mm（基坑深度約25.4 m），均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，但墻厚將分別比設(shè)計墻厚減少29.25%、25.5%和28.25%。可以看出相鄰兩幅地下連續(xù)墻的“劈叉”將大大縮短接縫滲水路徑，增加滲漏的可能。因此，在挖槽機具挖土?xí)r，懸吊機具的鋼絲繩一定要呈垂直張緊狀態(tài)，這是保證挖槽垂直精度的關(guān)鍵。本工程使用寶峨GB-34成槽機配置GCS成槽監(jiān)控系統(tǒng)，開挖過程中能記錄、顯示和打印輸出成槽的深度和斜度（見圖4），并及時利用糾正系統(tǒng)糾偏，實現(xiàn)了成槽質(zhì)量的實時控制。

圖4 GCS測量系統(tǒng)

2）不同墻深的地連墻相接形成高低墻。如果先施工的深墻鎖口管全深度設(shè)置，拔出后下部可能出現(xiàn)和井管一樣的滲水通道，這對于基坑風(fēng)險很大，極易出現(xiàn)承壓水管涌現(xiàn)象。應(yīng)先施工淺墻，鎖口管設(shè)置深度以滿足淺墻深度即可。

3）各種接頭均采用強制性刷壁器進行刷壁，刷壁往復(fù)次數(shù)應(yīng)不少于10次，直到刷干凈為止。重要部位要進行超聲波檢查，必須旁站監(jiān)督。如果安裝鎖口管向鋼筋籠側(cè)傾斜，會導(dǎo)致無法進行有效地刷壁，需在基坑外側(cè)采取加固止水措施。

4）如果沉渣過厚，澆灌混凝土?xí)r，沉渣會翻到混凝土上面，并隨著混凝土面上升，當(dāng)遇到密集的接駁器錨固鋼筋時，部分沉渣會被錨固鋼筋擋住而形成夾泥。當(dāng)?shù)剡B墻接頭有不平整或澆灌混凝土面上升不同步時，沉渣會滯留在接頭處形成接頭夾泥，因此控制沉渣厚度對減少地連墻夾泥現(xiàn)象非常有效。在刷壁、下放鋼筋籠后和澆灌混凝土前，應(yīng)對孔底泥漿及槽深進行檢測，如果測試指標及槽深達不到要求，必須再次進行清底置換。特別對于超過40 m以上的深墻，泥漿中含沙量大，有必要采取泥漿分離系統(tǒng)。

圖5 北站站基坑開挖流向圖

4.1.3 開挖與支撐施工

基坑開挖采用從上到下、分層分段、留土護坡、階梯式流水、隨挖隨撐的開挖方法。每段開挖長度約25 m，每段開挖中又分4層，每層分成6 m一小段，8 h之內(nèi)挖去6 m的一小段，在暴露的地連墻上盡快安裝2根φ609×16 mm的鋼支撐。開挖到底也是每一小塊及時澆筑墊層以起底撐作用。按此施工參數(shù)進行開挖支撐，能合理地利用土體自身在開挖過程中控制位移的潛力而達到控制坑周地層位移的目的，見圖5。

土層開挖與支撐施工控制，必須先撐后挖，而不能利用土體“時空效應(yīng)”進行土方超挖、搶工期。“時空效應(yīng)”應(yīng)用的困難在于，對于不同的土質(zhì)其土體應(yīng)力和變形隨時間的消散關(guān)系難以確定，因而無法確定開挖后在多長時間內(nèi)變形達到最大，同時施工中不確定因素較多，即使準確掌握了控制時間，也很難在要求的時間內(nèi)做到對圍護結(jié)構(gòu)的支撐，從而難以控制結(jié)構(gòu)變形。

4.2 對已有建筑物采取的措施

4.2.1 控制降水

“控制降水”即根據(jù)深基坑實際開挖順序、土方開挖工況和結(jié)構(gòu)回筑工況，動態(tài)地確定疏干井的降深及運行數(shù)量，采用分段分層降水，不進行挖方的土體不再降水，精確控制建筑物周圍的地下水位，防止地基固結(jié)沉降，達到控制建筑物沉降的目的。

開挖前僅提前3 d降水，以能開挖為度，避免對周圍土體的干擾。開挖過程中保證水位在每層開挖面以下1 m即可。采用高精度水位控制系統(tǒng)，可將水位嚴格控制在設(shè)計降深的±10 cm以內(nèi)，做到實際降深曲線與理論計算基本一致。

4.2.2 增加止水帷幕以解決承壓水問題

根據(jù)地質(zhì)報告，基坑潛水與第一承壓水、第二承壓水層存在水力聯(lián)系，且附近建筑物距離基坑不足10 m，原設(shè)計地下連續(xù)墻沒有穿透第二承壓水層。為此，采用圍護、降水一體化設(shè)計，優(yōu)化圍護結(jié)構(gòu)深度，采取加深地連墻長度以直接隔斷第二層承壓水補給；同時采用增加雙高壓旋噴止水帷幕加強地下連續(xù)墻分幅接縫的防滲。通過止水帷幕施工前后抽水試驗，抽水量減少為之前的1/9～1/4，止水帷幕作用顯著。

4.2.3 提高圍護結(jié)構(gòu)剛度

圍護結(jié)構(gòu)剛度與位移大小有著直接關(guān)系。剛度參數(shù)與支撐間距h的4次方成正比，所以當(dāng)墻厚已定時，加密支撐可有效控制位移。施工前對臨近辦公樓的地連墻進行優(yōu)化設(shè)計，增加一道鋼支撐，理論計算表明基坑圍護最大水平位移由24.2 mm減小為16.6 mm，臨近基坑7 m處樓房的地面沉降值由18 mm減小為13 mm，圖6為地連墻的水平位移曲線，最大位移17.2 mm，由此看出增加一道鋼支撐后對于基坑變形、地面沉降的控制作用明顯。

圖6 地連墻深度位移圖

4.2.4 基坑開挖超前探測

基坑開挖時，嚴格執(zhí)行“先探后挖”的原則，在每層土方開挖前先探測地連墻接縫有無滲漏水，每次采用洛陽鏟探挖至開挖面以下3 m，在確認沒有漏水時方可進行分層開挖。挖機挖土前先在施工縫處挖深1 m，沒有異常后繼續(xù)開挖。地下連續(xù)墻有滲水時，采用雙高壓旋噴止水帷幕進行堵漏。

5 結(jié)語

深基坑圍護結(jié)構(gòu)的變形與鄰近建筑物的沉降密切相關(guān)，保證施工期間鄰近建筑物的安全必須系統(tǒng)地綜合考慮地質(zhì)、設(shè)計和施工的每一個過程，本工程能夠達到基坑無水施工和建筑物沉降安全，重點關(guān)注了以下幾個方面：

1）圍護結(jié)構(gòu)地連墻的設(shè)計和施工是鄰近建筑物沉降安全的前提條件，抓住施工質(zhì)量關(guān)鍵控制點，如垂直度、刷壁等環(huán)節(jié)。

2）土方開挖的方法、順序是確保基坑圍護穩(wěn)定性的關(guān)鍵，采用鋼支撐的深基坑，應(yīng)當(dāng)關(guān)注支撐剛度損失因素，特別應(yīng)注意溫差對軸力的影響，尤其在冬末春初季節(jié)。

3）采用降水最小化設(shè)計和施工，做到按需降水，分層降水，精確控制建筑物周圍的地下水位，防止地基固結(jié)沉降，達到控制建筑物沉降的目的。

4）開挖過程中的基坑監(jiān)測和信息化施工是確?；臃€(wěn)定、周圍管線和建筑物安全的重要措施。

5）開挖前根據(jù)施工記錄和探摸了解地下連續(xù)墻的缺陷，及時采取帷幕等措施防止基坑滲漏水，是保證鄰近建筑物安全的有效控制方法。

總之，采取上述基本原則，使天津地鐵3號線北站站換乘節(jié)點25 m深基坑成為無滲漏基坑的一個典型，確保了基坑和周邊建筑物的安全。

[1] 王光明.地鐵深基坑鋼支撐內(nèi)力影響因素分析[D].北京：北京市政工程研究院，2005.

[2] 樊聽龍，常紹杰，劉國強，王廣建，楊建峰.地鐵深基坑支撐與開挖技術(shù)[R].天津：中交一航局第四工程有限公司，2010.