营业线多台阶坑中坑式软土深基坑变形研究

张学桥

（中铁十七局集团上海轨道交通工程有限公司 上海 200135）

1 工程概述

宁波处于我国的东部沿海，普遍分布着较厚的滨海相软土，构成主要为淤泥质粉质黏土与淤泥质黏土，为典型的海绵结构和层理结构；淤泥质土具有高含水量、高压缩性、强度低，流变、触变性大等特点，基坑稳定性差，基坑开挖过程容易产生不均匀沉降和变形大等问题［1］。

宁波站改建工程位于宁波市海曙区老城范围内的原铁路营业线站场内，为铁路站房与宁波地铁2号线宁波火车站一体化共建项目，建筑总面积13.36万m2；地上和地下共六层，地上三层为站房，地下一层为南北广场连接通道，地下二、三层为地铁车站，车站北侧为宁波地铁4号线换乘车站。宁波站建成后将形成集铁路、地铁、出租车、公交车等多种市政交通设施“零换乘”的一体化大型综合交通枢纽，总平面图详见图1。

图1 宁波站总平面示意

深基坑长265m，最宽处123.5m，主基坑宽75 m，开挖深度24 m，南北广场基坑、地铁4号线换乘站基坑均同期实施，铁路营业线运营首次采用钢格构柱梁板式便桥横跨深基坑［2-4］，深基坑也首次采用了多步台阶式放坡，配合搅拌桩、灌注桩、地下连续墙等多种围护结构形式，实现了营业线内淤泥质坑中坑软土综合深基坑施工的新形式，解决了大型枢纽型车站一体化建设的难题。本文通过基坑变形的理论数据和基坑施工监测数据的对比，分析其差异性，对营业线内大型一体化的淤泥质软土深基坑的设计和施工具有较大的指导和借鉴意义。

2 工程地质及周边环境

2.1 工程地质条件

主要地质详见图2。

图2 深基坑工程地质横剖面图

2.2 水文地质条件

（1）孔隙潜水

赋存于表部填土和黏土、淤泥质土层中，水量较大，渗透系数在1.0×10-8～4.07×10-9m／s之间，埋深为0.9～1.2 m，变幅0.5～1.0 m之间，标高约2.10 m。

（2）孔隙承压水

承压含水层主要赋存于③1层粉质黏土层、⑥2层砂质粉土层和⑧层粉砂、细砂层中。

③1层粉质黏土及⑥2层砂质粉土中，为微承压含水层，③1层埋深12～17.6 m，⑥2层埋深37.5～45.4 m，水量相对较小，单井出水量在6～10 m3／d；砂质较纯、厚度较大的地段出水量相对较大，承压水头为地表以下1.8～2.5 m左右，渗透系数在4.2×10-8～1.5×10-6m／s，地下水基本不动。

⑧层粉砂、细砂层，水量丰富透水性好，为第一承压含水层，最浅埋深51m，单井开采量500～1 000m3／d，平均渗透系数约3.53×10-4m／s，含水层顶板埋深一般为48.0～55.0 m左右，含水层厚度10～18 m，层位稳定，基本不流动，承压水头为地表下4.5～4.8 m。

2.3 周边环境

基坑南侧紧邻尹江路，道路下顺道路方向有煤气、雨水、通讯、污水、供水等多条管线；距离基坑约85 m的东南角，有荣安世家两栋高层建筑；基坑正上方为宁波站既有站场，施工期间要保证横跨基坑的上下行两条杭深线铁路正常运营。

3 围护结构形式、受力分析及检算

3.1 围护结构形式

基坑的主要围护形式见表1，基坑总平面详见图3，标准段横剖面见图4，钢筋混凝土内支撑见图5～图7。

图3 深基坑总平面示意

表1 深基坑主要围护结构形式统计_

图4 标准段横剖面图（单位：m）

图5 第一道钢筋混凝土内支撑平面图

图6 第二、三道钢筋混凝土内支撑平面图

3.2 围护结构受力分析与检算

（1）基坑围护结构整体稳定性验算

根据地质勘查资料，利用圆弧滑动理论、库伦土压力理论等对基坑围护结构进行整体稳定、抗隆起、抗倾覆、抗管涌验算［5-7］，见表 2。

图7 第四道内支撑平面图（仅南端头）

_表2_基坑围护结构稳定性检算

（2）考虑时空效应的杆系有限元计算地下连续墙内力、变形

围护施工阶段沿基坑周边取单位长度采用杆系有限元法计算，地层的被动抗力采用弹性链杆代替，地层对墙体作用考虑时空效应的等效弹簧进行模拟，考虑各施工阶段施工参数变化、墙体位移的影响，须满足强度及变形控制的安全稳定性要求。

开挖阶段计入结构的先期位移值以及支撑的变形，按“先变形、后支撑”的进行结构分析，并计算内部结构回筑阶段的内力组合，最终的位移及内力值是各阶段之累计值［8-12］。

土压力计算理论采用朗金土压力理论，c、φ值取峰值，并采用水土分算；地面超载取为20 kN／m2，计算结果见表3。

_表3 基坑围护墙体位移及弯矩理论计算数据

（3）支撑体系平面框架计算

支护体系形成后，将围檩、支撑视作平面框架，支撑与围檩、支撑与支撑的连接视作刚性连接，立柱作为支撑梁的连杆支座。平面框架的围檩在水平面内均布荷载作用下，计算出支撑和围檩内力［13］，这里只对比支撑轴力，计算结果见表4。

表4_支撑轴力的理论计算结果

（4）基坑开挖及降水对周边环境的影响

采用了平面弹塑性有限元分析方法，土体采用Mohr-Coulomb（M-C）材料模式用来模拟，围护体及地铁车站通过输入等效的EI及EA等参数来模拟力学特性，并通过输入合理的接触面参数来模拟结构物与土体的接触非线性［14-15］；根据基坑内微承压水层降压影响计算周边地面沉降，计算结果见表5。

_表5_开挖及降水对周边环境变_形的理论计算

4 变形监测的实测值和理论值的对比分析

通过研究各项变形监测的实测值和理论值的对比，下面对宁波站软土基坑围护结构安全性能、周边环境的影响等进行分析。

4.1 支撑轴力数据的对比分析

深基坑内钢筋混凝土支撑轴力对比见表6。

表6_支撑轴力实测值与计算值对比 kN

（1）第一层支撑实测值只达到了报警值的70%，其它各层实测值未超过报警值的50%，与允许轴力差距更大，围护结构偏安全。

（2）支撑轴力实测值远小于计算值，分析其主要原因如下：

一是在第二层土开挖之前，由于基坑边坡区域的水泥搅拌桩与土体的化学作用以及疏干井的降水疏干作用，使围护结构附近土体的物理力学性能发生了变化，土体强度得到很大提高，这也就使实际作用在围护结构背面的主动土压力比采用原状土参数计算的主动土压力小很多；

二是在围护结构外侧，有搅拌桩加固的重力坝，有大量的工程桩约束土体变形，这在理论计算时并未计入。

4.2 围护墙的水平位移数据的对比分析

实测值取最大值，理论值采用理正深基坑和同济启明星软件分别计算，报警值采用设计提供的报警值，对比见表7。

_表7_水平位移_实测值与理论值对比

（1）各段围护墙的水平位移都接近和达到了报警值，理正深基坑在10 m开挖深度内的算值偏小，同济启明星在开挖深度超过10 m后算值偏小。

（2）围护墙位移随开挖深度增大而增大，一般呈现出两头小，中间大的“鼓肚子”特点，这种变形规律与支撑轴力大小情况吻合。

（3）基坑水平位移实际变形数据和理论计算基本相符，理论计算标准段围护墙水平位移偏小，应在以后计算中调整相关参数。

4.3 地表沉降数据的对比分析

基坑开挖及降水过程中的竖向变形实测值和理论值对比数据，见表8。

_表8_开挖及降水竖向变形实测值和理论值对比_

（1）开挖阶段，地下连续墙、钻孔围护桩既受基坑卸载回弹影响，又受坑内承压水层降压影响，两种势力相互抵消，表现出竖向位移不明显，有升有降，自始至终绝对值在15 mm以内。

（2）坑外边坡点下沉明显，随着开挖深度增加及基坑承压水层的降压进行，坑外边坡沉降从最初9 mm增加21 mm，最后沉降稳定在25.4 mm，未超过报警值。

（3）根据所监测数据距离基坑的不同距离地表沉降数据，可得知承压水降水阶段对周边地表竖向变形的影响范围及沉降值较计算值偏大。

5 主要研究结论与建议

（1）采用两级放坡，钻孔灌注桩围护、地下连续墙加内支撑作为淤泥质软土综合深基坑的主要支护形式，通过围护结构的受力、位移、地面沉降等变形实测值和理论值数据对比分析，围护结构的实际支撑轴力远小于理论报警值，围护墙实际位移基本和理论计算相符且未超出报警值，说明这种围护结构形式在解决营业线内大型软土枢纽型综合深基坑的施工，是安全可靠的。

（2）通过基坑监测发现，本工程的重力坝、止水帷幕和降水疏干，起到了提高土体强度的作用，减少了土体作用在围护墙上的主动土压力，反映在实际支撑轴力远小于采用原状土参数计算的理论支撑轴力。

（3）通过⑥2微承压水层降压对周边环境影响的实测值和理论值的对比，微承压水层降压过程中，水位稳定，未发生突涌，地表未因基坑降水而出现大面积、较大的下沉现象。

但在降水过程中，周边地层竖向沉降变形的实际范围比理论计算的影响范围广，建议在类似软土深基坑工程中注意，通过降压保证基底不发生突涌的同时，要防止降压过度造成地表大面积下沉而破坏周边环境的现象，并针对在影响范围内的重要的地面建（构）筑物要进行重点监测或加密监测。

（4）宁波站软土深基坑的开挖实践，证明本基坑竖向分层，水平面分段、分块，对称、平衡、限时开挖支撑的开挖方法，符合软土深基坑开挖支护的时空效应理论，满足软土深基坑的施工需要，对类似工程的设计和施工有借鉴作用。