基于时空效应的某深基坑施工技术及变形特性研究

吴坚敏,吴泓怡

(广元市住房和城乡建设局质安站，四川广元 628017)

近二十年来，城市建设进入了快速发展阶段，高层、超高层建筑快速增加，基坑平面尺寸和竖向深度随之增大，因此，对基坑支护设计和施工技术控制要求逐渐增高。目前，饱和软黏土地区基坑事故时有发生，如何控制该土层特性下深基坑变形，已成为岩土工程领域亟待解决的课题。著名学者刘建航院士等在总结长三角地区饱和软黏土流变特性基础上,提出考虑“时空效应”的基坑动态设计[1-2],在软土地区深基坑工程中获得良好效果。然而,由于岩土工程实践性较强,对现场施工技术的研究更具现实性。因此,研究如何运用合理的基坑施工技术,降低基坑开挖对周边环境影响已成为岩土工程领域的重要课题之一。本文基于“时空效应”原理,结合具体工程实践,采用合理的施工技术，有效控制饱和软黏土地区深大基坑变形，保护周边环境。

1 概述

1.1 工程概况

苏州融创金融城项目，位于苏州市高新区，西侧紧邻滨河路(地铁三号线)、南侧为竹园路(地铁五号线)、东侧为运河路。基坑形状不规则，面积约34 000 m2，基坑深度为10.5 m，为减小饱和软黏土地区基坑土体在卸荷过程所产生的“时空效应”[3-6]，将本基坑分为临轨侧与非临轨侧两大区域，而临轨侧分为A1基坑、A2基坑、B基坑及C2基坑，非临轨侧为C1基坑。各基坑施工顺序为：A1基坑(A2基坑)→B基坑→C1基坑→C2基坑。临轨侧竖向围护(西侧与南侧)采用地下连续墙围护型式，非临轨侧竖向围护(北侧与东侧)采用钻孔灌注桩围护型式，临轨侧与非临轨侧之间的隔离桩采用钻孔灌注桩围护型式，待围护桩功能使用完毕后对其进行静力清除。水平支护采用两道混凝土支撑，五大基坑支撑体系均为独立体系，基坑分区图如图1所示。

图1 临轨侧与非临轨侧分区示意

1.2 地质水文概况

1.2.1 地质概况

本基坑挖深影响范围内土层特性自上而下分别为：①素填土：松软，以黏性土为主要成分；②层黏土：可塑状态，压缩性中等；③层粉质黏土：可塑状态，压缩性中等；④-1层粉土：饱和，稍-中密，压缩性中等；④-2层粉砂：饱和，稍-中密，压缩性中低，工程特性较好；⑤-1层粉质黏土：流塑-软塑，压缩性、工程特性中等；⑤-2层粉质黏土夹粉砂：流塑-软塑，压缩性、工程特性中等；⑥-1层黏土：可塑～硬塑。

1.2.2 水文概况

本工程场地内地下水自上而下为孔隙潜水、承压水(微)及承压水，承压水层埋深较深，对本基坑无影响，对本基坑存在影响的为孔隙潜水与微承压水。

孔隙潜水主要位于①层素填土中。承压水(微)主要位于④-1层粉土与第④-2层粉砂中。

1.3 周边环境概况

1.3.1 周边道路

基坑南侧滨河路与西侧竹园路均为已通行市政道路；基坑东侧和北侧分别为与三期、一期交接地块，为素混凝土硬化的临时施工道路。

1.3.2 周边地铁结构分布

本项目西侧紧邻正施工中的地铁三号线，南侧紧邻地铁五号线。

基坑西侧距地铁距离:西侧距地铁3号线附属结构约6.0 m，距盾构隧道约18.0 m，距索山桥西车站约23.0 m。

基坑南侧距地铁距离：50 m。

1.3.3 周边管线分布

基坑东侧与北侧位于场地内南侧距地铁5号线附属结构约16.0 m，距盾构隧道约14.0 m，距索山桥西车站约35.0 m，无管线分布；南侧滨河路与西侧竹园路下管线错综复杂，主要管线信息分类与埋深信息如表1所示。

表1 管线距离与埋深信息

2 施工重难点分析

2.1 周边环境复杂，变形控制要求高

本基坑西侧距地铁3号线最近处仅6.0 m，南侧距地铁5号线最近处仅14.0 m，在轨道公司所规定的对地铁保护50 m控制线范围内，依据苏州市地铁保护要求，基坑开挖导致的地铁结构变形不超过10 mm。故本基坑施工过程中对周边环境变形控制是本项目的重难点。

2.2 土层物理力学性质差，开挖要求高

本基坑深度影响范围内土层存在⑤-1层粉质黏土、⑤-2层粉质黏土夹粉砂等饱和软弱土层，土层物理力学性质较差，又因为本基坑开挖深度较深为10.5 m，基坑尺寸较大，故土方开挖过程中应考虑“时空效应”对本基坑变形的影响。

2.3 地下水丰富，止水要求较高

对本基坑存在影响的主要为孔隙潜水(①层杂填土中)与微承压水(④-1层粉土、④-2层粉砂)，其中微承压水层相对较厚，透水性好。基坑底主要位于④-1粉土层中，动水作用下可能产生管涌、流砂等不利状况，故本基坑对竖向围护桩外侧止水要求较高。

3 基坑施工技术

3.1 水平向分区开挖

“时空效应”原理由刘建航院士等专家提出，将施工技术并入基坑支护设计范畴，以设计来指导施工，用施工来反馈设计，动态调整基坑设计与施工技术因素[7]。本基坑在设计时，将一个大基坑分为5个独立小基坑，即临轨侧的A1基坑、A2基坑、B基坑及C2基坑和非临轨侧的C1基坑。因A1与A2基坑为主楼所在区域，结合工期要求，将先行施工。各基坑施工顺序为：A1基坑(A2基坑)→B基坑→C1基坑→C2基坑。每一个独立基坑在土方开挖时，应进行分块施工，如图3.1所示，A1基坑与A2基坑的①区、②区及③区按顺序依次施工至坑底。B区先施工④区后施工⑤区；C1区与C2区依次施工⑥区和⑦区。合理的分坑施工，可最大限度减少因“时间效应”与“空间效应”引起的周边环境变形(图2)。

图2 基坑开挖分区

3.2 竖向分层开挖

工况一:主要进行首层土方的开挖，①区、②区及③区同时开挖至第一道支撑梁底500 mm位置处，施工第一道支撑梁与压顶梁，施工完毕后进行养护，如图3所示。

图3 基坑开挖工况一

工况二：第一道支撑与压顶梁强度达设计强度75 %后，方可进行第二层土方的开挖。①区、②区及③区同时开挖至第二道支撑梁底500 mm位置处，即标高-3.400 m，施工第二道支撑梁及围檩并进行养护，如图4所示。

图4 基坑开挖工况二

工况三：第二道支撑与围檩强度达设计强度75 %后，先进行①区域土方开挖，开挖至坑底后，对①区底板进行浇筑。土体应分层、分段进行开挖，每层厚度不大于2.5 m，每段长度不大于20 m，坡比应大于1∶1.5，如图5所示。

图5 基坑开挖工况三

工况四：①区底板浇筑完成后，将②区土方开挖至坑底，对②区底板进行浇筑。土体应分层、分段进行开挖，每层厚度不大于2.5 m，每段长度不大于20 m，坡比应大于1∶1.5，如图6所示。

图6 基坑开挖工况四

工况五：待①区、②区底板浇筑完成后，对中间留土③区进行开挖，开挖至坑底后浇筑底板。③区底板浇筑完成后，即A1区完成底板浇筑，便可进行主楼的施工，如图7所示。

图7 基坑开挖工况五

B区、C1区及C2区土方开挖参照图2—基坑开挖分区图，结合A区施工技术进行施工，确保基坑开挖过程中周边地铁与市政管线等周边环境的安全。

4 变形特性分析

4.1 围护桩深层水平位移

图8为A1基坑③区域南侧围护桩深层位移监测点CX2在不同施工工况下，竖向围护桩深层位移变化曲线图。由深层位移变化曲线图可知，第一层土方开挖工况下，竖向围护桩处于悬臂结构，最大位移位于桩顶位置，为1.0 mm；随着基坑土体继续开挖，深层位移变化曲线为“抛物线”型且最大值逐渐下移，当土方开挖至第二道支撑底时，最大深层位移位于坑底以下(标高-3.700 m)，为4.6 mm；当基坑开挖至基底位置时，最大深层位移位于坑底以上(标高-7.500 m)，为8.2 mm，小于地铁保护变形容许值10.0 mm，满足要求。

图8 CX2监测点深层位移变化曲线

4.2 地铁上部地表沉降分析

图9为B基坑南侧四个不同沉降监测点(D1～D4)在不同施工工况下地铁上部地表沉降变化曲线图。

图9 周边地表竖向位移变化曲线

由图9变化曲线图总体趋势可知，随着基坑被动区不断卸荷，竖向围护桩深层位移不断增加，导致围护桩外侧即地铁上部地表竖向位移不断增大。第一层土方开挖，因开挖深度较浅，对周边土体沉降影响较小，随着基坑开挖越来越深，沉降速率逐渐增大，当开挖至坑底施工底板后，地铁上部地表竖向位移不再增加，趋于平缓。从数据分析可知，D-1～ D-4沉降监测点竖向位移为5.3～6.3 mm，D-1点沉降值最大，但仅为6.3 mm，小于地铁保护变形容许值10.0 mm。由上述分析可知，饱和软黏土地区基坑采用合理的分坑施工技术可减小“时空效应”所致的周边环境变形的影响。

5 结束语

软黏土地区的临轨基坑，对地铁的保护为重中之重。基 于“时空效应”原理,采用 “分区、留土、对称”等合理的施工技术，能有效控制饱和软黏土地区深大基坑变形，以达到保护周边环境的目的，取得了一定的经济效应和良好社会影响，为今后软黏土地区的类似临轨基坑提供良好的借鉴。