劉 寧，凌 青，葉 旦，王 亮

(中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京 210014)

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，許多城市對(duì)地下空間進(jìn)行了不同用途的開發(fā)利用，而基坑規(guī)模和開挖深度的增大使臨時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和穩(wěn)定問題變得復(fù)雜和突出[1]。軟土深基坑工程仍然是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性、高風(fēng)險(xiǎn)性、高難度的巖土工程技術(shù)熱點(diǎn)課題。如何保證軟土地基深基坑開挖工程安全，已成為巖土工程界面臨的一個(gè)新挑戰(zhàn)[2]。軟土深基坑工程受地層特性、地下水及外部荷載等諸多因素影響，風(fēng)險(xiǎn)性高[3]。目前，對(duì)深基坑的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為確保軟土深基坑工程施工安全可靠的必要和有效手段，通過基坑開挖過程中的基坑監(jiān)測(cè)[4-5]，實(shí)行信息化施工能減少基坑安全事故發(fā)生[6]。

本文結(jié)合南京河西地區(qū)某軟土深基坑支護(hù)工程實(shí)例，對(duì)軟土地基深基坑開挖過程中結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行分析，初步獲取軟土基坑變形規(guī)律[7-10]，為軟土基坑施工與監(jiān)測(cè)提供參考依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

1.1 工程概況

該地鐵車站基坑工程位于南京河西地區(qū)，距秦淮河1.6 km，距長(zhǎng)江約2.5 km，沿江東南路呈東西向設(shè)置，與規(guī)劃有軌電車換乘。該地鐵車站為地下兩層跨島式站臺(tái)車站，車站基坑全長(zhǎng)191.00 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬21.30 m，盾構(gòu)井段寬25.70 m。標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度15.78 m，盾構(gòu)井段深度17.09 m。車站基坑平面圖見圖1。

圖1 基坑平面

車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用連續(xù)墻+內(nèi)支撐型式，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm連續(xù)墻，標(biāo)準(zhǔn)段基坑豎向設(shè)四道支撐：第一道采用800×800 mm混凝土支撐，水平間距6 m，第二道～第四道采用φ609，t=16 mm鋼管支撐，水平間距3 m，并對(duì)第三道支撐進(jìn)行換撐。盾構(gòu)井基坑豎向設(shè)四道支撐：第一道采用800×800 mm混凝土支撐，水平間距6 m，第二道～四道采用φ609，t=16 mm鋼管支撐，水平間距3 m，并對(duì)第三道支撐進(jìn)行換撐。標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度為17 m。盾構(gòu)井嵌固深度為18.7 m。地下連續(xù)墻接頭采用10 mm厚H型鋼板接頭，另外墻幅接縫處基坑外側(cè)采用兩根旋噴樁止水。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

車站所處地區(qū)地貌類型為長(zhǎng)江高漫灘平原地貌單元，地勢(shì)較平坦，地面高程為7～10 m，近地表主要由全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂等組成?？辈斓貙咏衣兜牡貙又饕校孩?1層雜填土，②-la2粉質(zhì)黏土，②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，②-3d3層粉砂夾粉質(zhì)黏土及②-4d2粉砂、細(xì)沙，其中②-2b4為軟土層，②-3d3為液化土層。

地下水類型主要為孔隙潛水、微承壓水及基巖裂隙水?？紫稘撍咏乇矸植迹畬訋r性主要為①層人工填土及②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。含水層厚度5.50～13.60 m、平均8.86 m。微承壓水含水層巖性主要為②層細(xì)粉砂及④層圓礫。隔水頂板為微不透水的②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，隔水底板為下伏巖層。本車站基巖裂隙水為碎屑巖類裂隙水，含水巖組巖性為白堊系浦口組的碎屑巖類組成。

2 監(jiān)測(cè)方案

2.1 基坑監(jiān)測(cè)內(nèi)容

結(jié)合基坑的具體情況，選擇的測(cè)項(xiàng)包含：坑外地表沉降、圍護(hù)墻頂沉降和水平位移、立柱沉降、支撐軸力、墻體測(cè)斜、土體測(cè)斜及坑外地下水位等測(cè)項(xiàng)。由于在基坑施工過程中部分測(cè)點(diǎn)被破壞，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)或者監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)失真，因此本次分析選取能夠較好地反映支護(hù)體系受力與變形及監(jiān)測(cè)效果良好的一些測(cè)項(xiàng)進(jìn)行分析。

2.2 監(jiān)測(cè)報(bào)警值

根據(jù)本工程的特點(diǎn)，結(jié)合《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》(GB50497—2009)關(guān)于一級(jí)基坑監(jiān)測(cè)報(bào)警值的規(guī)定以及設(shè)計(jì)單位要求，監(jiān)測(cè)報(bào)警值見表1。

表1 監(jiān)測(cè)報(bào)警值

3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1 圍護(hù)墻頂沉降

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，圍護(hù)墻頂沉降總體表現(xiàn)為上抬。從圖2可以看出監(jiān)測(cè)初期墻頂出現(xiàn)短暫的下沉，之后便持續(xù)上浮，最終累計(jì)上浮量大多超出報(bào)警值。在底板澆筑結(jié)束后，墻頂豎向位移基本穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)曲線顯示，整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中，墻頂豎向位移大多比較平緩，沒有出現(xiàn)急劇變化的現(xiàn)象，表明基坑開挖過程中，地下連續(xù)墻豎向位移是緩慢發(fā)展的。

為控制地下連續(xù)墻的上抬量，在基坑開挖過程中，適當(dāng)降低坑內(nèi)外地下水位，使土體固結(jié)壓縮，對(duì)墻體產(chǎn)生負(fù)摩阻，一定程度上抑制墻體上抬，從圖2可以看出，六月下旬之后，墻體上抬趨勢(shì)明顯抑制。

圖2 圍護(hù)墻頂沉降時(shí)程曲線

從南、北兩側(cè)墻體豎向位移的對(duì)比曲線圖可以看出，北側(cè)墻體豎向位移出現(xiàn)比較明顯的對(duì)稱現(xiàn)象，基坑中部上抬量較大，從中部到兩側(cè)上抬量逐漸減小，至兩端點(diǎn)上抬量較小，沒有明顯上抬，南側(cè)墻體則沒有明顯的對(duì)稱現(xiàn)象，且整體上抬量較小，未超出報(bào)警值。

另外，從圖3中可以看出，兩側(cè)墻體存在最大約10 mm 的差異沉降量，這將使混凝土支撐受到明顯的彎矩，可能導(dǎo)致混凝土支撐從軸心受壓狀態(tài)或小偏心受壓狀態(tài)發(fā)展至大偏心受壓狀態(tài)，降低其受壓穩(wěn)定性。

3.2 墻頂水平位移觀測(cè)

本次墻頂水平位移觀測(cè)在墻頂布置小棱鏡，采用極坐標(biāo)法進(jìn)行觀測(cè)。在施工過程中，墻頂小棱鏡多數(shù)受到不同程度的破壞，影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。本次總結(jié)挑選保存較為完好的6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖4中的6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在基坑西端頭井處，圖中4條曲線均較平緩，且位移量也較小，這應(yīng)與混凝土支撐具有較大的剛度有關(guān)。另外，理論上基坑端頭處墻頂水平位移也較小。

3.3 立柱沉降

從圖5中可以看出，立柱豎向位移趨勢(shì)與墻頂豎向位移趨勢(shì)基本一致，但立柱累計(jì)位移量稍大于墻頂累計(jì)位移量。立柱與地下連續(xù)墻的差異沉降也會(huì)增加混凝土支撐的次生應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土支撐受到明顯的彎矩，從而影響到其穩(wěn)定性。

圖5 立柱沉降時(shí)程曲線

3.4 坑外地表沉降

為全面分析基坑周邊地表沉降的特點(diǎn)，選取兩個(gè)測(cè)點(diǎn)較為完整、位置比較典型的監(jiān)測(cè)斷面，做出沉降監(jiān)測(cè)斷面曲線圖。從圖6和圖7中可以看出，坑外地表沉降的特點(diǎn)為距離基坑支護(hù)邊緣最近處沉降量最小，距離基坑支護(hù)邊緣較遠(yuǎn)處沉降量也相對(duì)較小，在兩者之間的一定范圍內(nèi)沉降量達(dá)到最大值。這種現(xiàn)象與理論預(yù)期相符合，靠近地下連續(xù)墻邊緣處，受到地下連續(xù)墻背摩擦力的影響，土體沉降受到約束；而距離基坑邊緣較遠(yuǎn)處，由于降水而產(chǎn)生的滲流影響減弱，故土體沉降量也會(huì)較?。辉谶@兩者之間的范圍內(nèi)，土體即不受墻背摩擦力的約束，降水滲流影響又比較顯著，故而最大沉降量會(huì)產(chǎn)生在此范圍內(nèi)。

圖6 地表沉降第08監(jiān)測(cè)斷面沉降曲線

圖7 地表沉降第22監(jiān)測(cè)斷面沉降曲線

3.5 支撐軸力

圖8為混凝土支撐軸力變化時(shí)程曲線?？梢钥闯?，混凝土支撐軸力觀測(cè)值大部分小于報(bào)警值。在開挖第一層土期間，混凝土支撐軸力有明顯增加的趨勢(shì)，第二道支撐架設(shè)完畢后，大部分混凝土支撐軸力持續(xù)下降。后期鋼支撐拆除階段，混凝土支撐軸力又略有上升，這一現(xiàn)象基本與理論預(yù)期一致。

部分軸力觀測(cè)值后期出現(xiàn)負(fù)值，即表示支撐受拉力。這種情況應(yīng)是支撐受明顯彎矩影響，導(dǎo)致一側(cè)受拉一側(cè)受壓，受拉側(cè)鋼筋平均拉力大于受壓側(cè)鋼筋平均壓力，而混凝土軸力計(jì)算是通過受力鋼筋平均應(yīng)力計(jì)算而來，故導(dǎo)致支撐軸力計(jì)算值出現(xiàn)拉力。因此，在日常觀測(cè)中，應(yīng)關(guān)注受拉側(cè)鋼筋的拉力大小，應(yīng)用變形協(xié)調(diào)原理計(jì)算混凝土所受拉力，以此判斷是否達(dá)到混凝土的抗拉強(qiáng)度，注意觀察混凝土支撐是否出現(xiàn)裂縫，不能只關(guān)注計(jì)算軸力的大小，忽視支撐的受力狀態(tài)。

圖8 混凝土支撐軸力變化時(shí)程曲線

3.6 墻體測(cè)斜

墻體測(cè)斜采用在地下連續(xù)墻鋼筋籠上綁扎測(cè)斜管，用滑動(dòng)測(cè)斜儀的方法進(jìn)行觀測(cè)，并以孔底為起算基點(diǎn)。

本次總結(jié)以土方開挖和底板澆筑施工節(jié)點(diǎn)為時(shí)間參考，選取每個(gè)節(jié)點(diǎn)的典型曲線，并將不同節(jié)點(diǎn)時(shí)的曲線繪制在同一幅圖內(nèi)，以便觀察不同施工工況下墻體的變形特點(diǎn)。由于施工影響和破壞，部分墻體測(cè)斜孔數(shù)據(jù)不連續(xù)，本次總結(jié)挑選數(shù)據(jù)較為完整的兩個(gè)測(cè)孔(見圖9和圖10)繪制不同施工工況下墻體測(cè)斜曲線的變化圖。

圖9 ZQT04號(hào)孔變化曲線

圖10 ZQT06號(hào)孔變化曲線

從墻體測(cè)斜變化曲線圖中可以看出，所列出的墻體測(cè)斜孔最終最大累計(jì)變化量多數(shù)超出報(bào)警值。最大變形值出現(xiàn)在基坑底附近，隨著基坑開挖深度的增加，產(chǎn)生最大位移的位置也隨之下降。在土方開挖期間，墻體位移有明顯增加，但在最后一層土開挖結(jié)束至底板澆筑完成期間，墻體深層水平位移量較小。這說明土方開挖導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)發(fā)生改變，原有平衡被打破，支護(hù)結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行內(nèi)力重分配直至達(dá)到新的平衡，墻體因此也會(huì)發(fā)生明顯的變形，在監(jiān)測(cè)期間，此過程應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注，以獲得支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形的發(fā)展變化。

另外，圖中測(cè)斜曲線在后期變形較大時(shí)，不再像前期變形較小時(shí)那樣光滑，而是出現(xiàn)突變點(diǎn)，這種現(xiàn)象是否具有普遍性，需要在后續(xù)監(jiān)測(cè)過程中總結(jié)歸納。

3.7 土體測(cè)斜

為了解基坑開挖及降水對(duì)坑外深層土體造成的影響，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水帷幕外側(cè)1 m左右布置了土體深層水平位移觀測(cè)孔。測(cè)孔采用預(yù)鉆孔然后埋設(shè)測(cè)斜管的方法布設(shè)，同樣以孔底為起算基點(diǎn)。

由于施工影響和破壞，部分監(jiān)測(cè)孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)，部分工況數(shù)據(jù)缺失。挑選數(shù)據(jù)較為完整的一些測(cè)孔為對(duì)象繪制土體深層水平位移主要工況下的變形曲線，見圖11、圖12。

圖11 TS05號(hào)孔變化曲線

圖12 TS13號(hào)孔變化曲線

土體測(cè)斜曲線表現(xiàn)出與墻體測(cè)斜曲線形態(tài)相似，但也有明顯的區(qū)別。根據(jù)3.4節(jié)坑外土體沉降分析結(jié)果，靠近圍護(hù)結(jié)構(gòu)土體沉降較小，隨著距離的增加沉降量出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的水平位移量和土體三維變形形態(tài)，土體測(cè)斜孔孔口附近位移量較小，甚至出現(xiàn)負(fù)向位移(即背離基坑方向)。

與墻體測(cè)斜不同，土體測(cè)斜最大值一般出現(xiàn)在基坑底上部1～2 m位置，隨著土層的開挖，最大水平位移位置也逐漸下降。

4 結(jié) 論

本文以南京一地鐵車站軟土深基坑為例，介紹了基坑開挖過程中支護(hù)體系及周邊巖土體受力變形特點(diǎn)，通過對(duì)基坑的圍護(hù)墻頂沉降和水平位移、立柱沉降、支撐軸力、墻體測(cè)斜及土體測(cè)斜監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) 地下連續(xù)墻呈明顯上抬趨勢(shì)，與理論預(yù)期不相符合，且兩側(cè)連續(xù)墻及連續(xù)墻與支撐立柱之間存在差異沉降，對(duì)支撐受力不利，應(yīng)采取措施控制差異沉降量，減小對(duì)支撐和連續(xù)墻本身受力的影響。對(duì)于懸掛式止水帷幕，為減小地下連續(xù)墻過量上抬，可合理安排坑內(nèi)外降水，適當(dāng)降低坑內(nèi)外地下水位，以使土體固結(jié)壓縮對(duì)墻體產(chǎn)生負(fù)摩阻，控制墻體上抬。

(2) 支撐軸力一般小于報(bào)警值。下層土方開挖將導(dǎo)致墻體變形，應(yīng)力重新分配，緊鄰的上層支撐軸力隨之增大，此時(shí)應(yīng)重點(diǎn)觀測(cè)，適當(dāng)加密觀測(cè)頻率，掌握應(yīng)力重分配過程中的支撐軸力變化。

(3) 個(gè)別墻體測(cè)斜累計(jì)變形量和變形速率超出報(bào)警值，增大支撐預(yù)加軸力或增加支撐能夠有效地防止墻體變形持續(xù)快速發(fā)展。隨著墻體變形發(fā)展，其變形曲線可能不像理論預(yù)期那樣光滑。部分土體測(cè)斜數(shù)據(jù)在孔口附近表現(xiàn)為背離基坑位移，應(yīng)與測(cè)斜管和坑外土體沉降槽的相對(duì)位置有關(guān)。