分坑技术在饱和软黏土深大基坑变形控制中的应用

杨玉江 邵亚萍

(1.上海坚志岩土工程有限公司，上海 200090;2.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

0 引言

长三角地区多为软黏土分布区，软黏土分布区基坑具有变形大、施工危险系数高等特点，工程界研究了多种新型基坑支护方式并应用于工程中，取得了一定的成果，但这些新型支护方式工期较长，施工和材料费用成本高。分坑技术在基坑工程中主要采用分坑、分块开挖来减少围护的长期支护。本研究结合具体工程实例，将分坑技术应用于饱和软黏土深大基坑的变形控制中，结果表明，分坑技术可以控制基坑变形并能够较好地保护周边环境，与其他新型基坑支护方式相比，可以大大减少工期、施工和材料费用成本，可在基坑工程中广泛应用。

1 概述

1.1 工程概况

苏地2014-WG-7#工程位于江苏省苏州市高新区滨河路与横山路路口，滨河路下为正在施工的苏州地铁3号线横山路车站。本基坑大致呈矩形，基坑面积23000 m2，基坑挖深达15.0～16.0 m，为减小饱和软黏土中深大基坑开挖导致的时空效应[1-4]，本基坑划分为A1基坑、A2基坑及B基坑(见图1)，其中A1、A2基坑为紧贴横山路地铁站的较小基坑，B基坑为远离地铁站的基坑，A1基坑与A2基坑面积均约1300 m2，B基坑面积约20400 m2，A1与A2基坑采用地下连续墙+三道混凝土支撑支护形式，B基坑采用钻孔灌注桩+三道混凝土支撑支护形式，三个基坑水平支撑均呈独立体系。

图1 基坑地理位置示意图

1.2 工程地质概况

依据《2014-WG-7#地块岩土工程详细勘察报告》，对本基坑存在较大影响的土层从上至下分别为：①杂填土(高压缩性)、②黏土(可塑)、③粉质黏土(可塑—软塑)、④粉砂夹粉土(稍密—中密)、⑤粉质黏土(软塑)、⑥黏土(可塑—硬塑)、⑦粉土(中密)。

1.3 工程水文地质概况

结合基坑水文地质资料，场地对本工程有影响的地下水有三层，包括潜水、微承压水和承压水。

潜水主要位于①杂填土中，稳定水位标高0.94～1.89 m；微承压水主要位于④粉砂夹粉土中，稳定水头标高0.0～0.5 m；承压水主要位于⑦粉土中，稳定水头标高-0.5～0.0 m。

1.4 周边环境概况

本基坑周边环境十分复杂，存在市政道路、地铁、建(构)筑物及市政管线等，对基坑开挖所引起的周边环境变形控制要求极高。本基坑东侧紧邻滨河路；基坑南侧为横山路，距离基坑外边线约9.0～16.0 m。基坑东侧滨河路下为正在施工的横山路地铁车站，基坑与横山路地铁车站基坑无缝对接。本基坑西侧紧邻已施工的地下室，南侧距2层住宅楼约26.0 m。基坑东侧滨河路与北侧横山路下均埋有给排水、通信、电力管等市政管线。

2 特点及难点分析

基坑东侧紧邻苏州地铁三号线横山路站，根据苏州地区地铁设施保护要求，轨道交通变形预警值为5 mm，报警值7 mm，控制值10 mm，因此，对周边环境尤其东侧横山路地铁站变形控制为重中之重。由于软土的流变性及深大基坑的尺寸效应，基坑开挖所致时空效应影响较大。基坑面积23000 m2，基坑挖深达15.0～16.0 m，土方量为345000～368000 m3，应合理进行分坑施工技术，缩短每一阶段、每一基坑土方开挖的时间跨度。开挖过程中进行动态监测，实时对数据进行分析，加强基坑变形控制。若施工过程中止水帷幕存在漏水，对周边地铁等变形影响较大；若承压水头未降至设计标高，坑底可能出现突涌等。

3 基坑分坑技术

为减小处于饱和软黏土中深大基坑开挖引起的基坑变形，本基坑划分为A基坑和B基坑，其中A基坑为紧贴地铁车站的较小基坑，B基坑为远离车站的较大基坑。B基坑主体结构施工至地表后，再进行A基坑的土体开挖。

3.1 平面分坑设计

基坑东侧(紧贴地铁车站侧)基坑依照“分块、分层、对称、平衡、限时”原则，将A基坑划分为A1-1、A1-2、 A1-3、A2-1、A2-2及A2-3六个基坑进行土体卸荷，以减小软黏土深基坑大面积开挖引起的时空效应[5-9]导致东侧自身围护结构基坑变形和车站结构变形。A基坑分坑如图2所示。

图2 基坑开挖分坑设计图

先开挖A1基坑，后开挖A2基坑。进行A1基坑开挖时，每一层土方开始时，均对A1-1土体与A1-2土体先行开挖，待支撑施工完毕养护达设计强度50%时，对中间A1-3土体后行开挖，采取此对称、平衡开挖，以减弱基坑长边效应所引起的中间较大变形。依据以上开挖次序，进行第二层及后续土方开挖。A1基坑地下主体结构施工至地下一层底板标高时，方可对A2基坑土方进行开挖。

3.2 空间分区设计

阶段一主要为首层土方开挖，施工第一道混凝土支撑。A1、A2基坑土体同时开挖至第一道支撑底(标高1.500 m)，施工混凝土冠梁与第一道混凝土支撑，如图3所示。

阶段二主要进行A1基坑第2、3、4层土方的开挖，对应施工第二道混凝土支撑(标高-4.250 m)、第三道混凝土支撑(标高-8.750 m)及筏板基础的施工(标高-15.050 m)，A2基坑土方保持在第一道混凝土支撑梁底(标高-1.000 m)不变(见图4)。

图3 阶段一A1基坑土方开挖与支撑梁施工工况(单位：m)

图4 阶段二A1基坑土方开挖与支撑梁施工工况(单位：m)

阶段三主要进行A1基坑第三道支撑、第二道支撑的拆除及地下二层底板、地下一层底板的施工，待A1区地下一层底板强度达到设计强度80%时，便可进行A2基坑土体开挖(见图5)。

图5 阶段三A1基坑支撑拆除与地下结构底板施工工况(单位：m)

阶段四A1基坑地下主体结构继续向上施工，A2基坑开始向下对第2、3、4层土方进行开挖，对应施工第二道混凝土支撑(标高-4.250 m)、第三道混凝土支撑(标高-8.750 m)及筏板基础的施工(标高-15.050 m)(见图6)。

图6 阶段四A2区土方开挖及支撑梁施工(单位：m)

4 实测数据分析

4.1 深层位移分析

图7和图8分别为A基坑与B基坑竖向围护桩某深层位移监测点随着基坑开挖工况发展而变化的曲线图。

图7 A基坑围护桩某深层位移变化曲线图

图8 B基坑隔离桩深层位移变化曲线图

从不同开挖工况下围护桩深层位移变化趋势图(见图7)可知，除首层土方下深层位移变化曲线图外，第二至四层土方开挖工况下深层位移曲线图均呈“大肚子”型，且最大深层位移均位于对应支撑梁位置(开挖面)附近。首层土方开挖时第一道支撑梁暂未施工，围护桩顶无约束，呈自由状态，此时桩顶深层位移最大，为0.8 mm。第二至四层土方开挖工况下，最大深层位移值分别为5.2 mm(埋深7.0 m处)、6.2 mm(埋深12.0 m处)、7.4 mm(埋深15.6 m处)，由数据分析可知，最大深层位移值逐渐下移，原因主要为随着基坑挖深变深，主动土压力Ea也随之增加，而竖向围护桩抗弯刚度EI维持不变，故深层水平位移不断变大。分坑施工后，围护桩深层位移最大值为7.4 mm，仅为苏州轨道变形控制值的74%，满足轨道保护要求。

由图7和图8对比分析可知，B基坑变化曲线图符合围护桩深层位移，深层位移最大值10.9 mm，较分坑施工后的A基坑围护桩深层位移提高47.3%。

4.2 车站上方道路竖向位移分析

对B基坑D2监测点与A基坑CJ-2、CJ-3、CJ-5、CJ-7四个竖向位移监测点进行土方开挖工况下周边地表沉降变化监测(见图9)。

图9 B基坑局部与A2基坑周边地表沉降变化曲线图

由周边道路竖向位移变化曲线图可知，随着坑内被动区土体不断卸荷，车站上方道路竖向位移逐渐增大，经分析可知，随着被动区土体逐渐卸荷，坑内自重应力逐渐释放，坑外最大主应力(竖向)不变，最小主应力(水平向)逐渐减小，如图9所示，基坑外侧土体剪应力逐渐变大，直至破坏导致围护桩向坑内变形，围护桩外侧道路沉降不断增大。待四层土方开挖完毕，施工素砼垫层与筏板基础后，周边道路竖向位移值变化很小，经分析主要由于底板刚度相对较大，等同于将围护桩坑底位置施加一固定支座，竖向围护桩侧向变形不再增加，坑外土体竖向位移趋于平缓。从车站上方道路最终竖向位移可知，CJ-2、CJ-3、CJ-5及CJ-7竖向位移最大值为依次为6.3 mm、5.1 mm、5.7 mm、5.3 mm，仅为地铁变形控制值的63%。由此可见，基坑合理的分坑技术对基坑周边地铁车站保护起着较好效果。

由图9分析可知，B基坑竖向位移监测点最大竖向位移为7.4 mm，较分坑后A基坑最大竖向位移值最大值6.3 mm提高17.5%。

由图7、图8和图9综合分析可知，无论围护桩深层位移值还是周边地表沉降值，基坑采用分坑技术后，变形值均有所控制。因此，采用合理的分坑施工技术，可解决饱和软黏土地区深大基坑开挖变形控制难题。

5 结论

(1)本基坑未分坑的B基坑深层位移较分坑施工后的A基坑围护桩深层位移提高47.3%。

(2)采用分坑施工技术后，周边地表沉降值仅为地铁变形控制值的63%。

(3)采用合理的分坑技术后，基坑变形值均有所控制，可解决饱和软黏土地区深大基坑开挖变形控制难题，达到控制基坑变形、保护周边环境的目的。