软土地区复杂环境条件地铁车站深基坑围护变形控制方法

成 杰（上海市基础工程集团有限公司，上海 200002）

伴随城市轨道交通的日益发展，城市地铁工程项目愈发增多。以上海软土地区为例，很多项目往往位于城市中心区，周边环境复杂，地铁深基坑施工过程中对控制基坑围护结构变形的要求较高，倘若管控不当便会对周边环境造成严重后果。目前，存在许多针对深基坑施工过程中围护结构变形控制的研究分析。刘建航等人[1-2]提出的“时空效应”为基坑开挖施工控制围护结构变形提供了重要的理论指导，即要求做好土方开挖施工工序的优化并且做好土方开挖与支撑安装工序之间的衔接，缩短无支撑暴露的时间。但是在高含水率、高流变性、高灵敏度、低强度的软土地区，仅遵守“时空效应”理论，深基坑周边环境保护问题仍比较严峻。

深基坑围护结构变形控制是集加固、开挖、支撑架设等分项过程的综合性控制工程[3]。在实际施工过程中如何综合运用好各项措施以更好地控制深基坑开挖过程中围护结构变形，目前依托工程实例的研究分析并不多，本文详细介绍了上海软土地区复杂环境条件下某地铁车站深基坑所采取的一系列控制围护结构变形的相关措施及其相关特征。

1 工程概况

上海地铁某地下三层双柱三跨车站，车站主体规模为174 m × 21.6 m（内净），端头井结构总宽度为 25 m（内净）。围护形式为地下连续墙（十字钢板接头），深度52 m，厚度 1.2 m。中间设封堵墙分为南北 2 个基坑。南侧基坑长 89.5 m，其中工作井部分长 15.1 m、宽 26.6 m，开挖深度 27.15 m；标准段部分长 74.4 m、宽 22.8 m（局部25.4 m），开挖深度 25.37 m。北侧基坑长 84.9 m，其中工作井部分长 15.472 m、宽 26.7 m，开挖深度 26.80 m；标准段部分长 69.428 m、宽 22.800 m，开挖深度 25.37 m。车站标准段基坑设置 6 道撑，1、4 道为混凝土支撑，2、3、5、6 道为钢支撑，端头井基坑设置 7 道撑，1、4 道为混凝土支撑，2、3、5、6、7 道为钢支撑。

该车站主体基坑安全等级为一级，环境等级一级，要求围护最大水平位移 ≤0.14% 开挖深度。周边老旧居民区及管线多且距离基坑近，基坑施工对周边保护要求高；另外，上海软土地区高含水率、高流变性、高灵敏度、高孔隙比、低强度的特性增加了基坑施工的潜在风险，特别是基坑开挖范围内存在 ③j、⑤1t 和 ⑤2a 等粉土层，渗透性较强，在一定水动力条件下易产生流砂、管涌等现象对施工有一定影响。

2 基坑开挖阶段围护结构变形的主要影响因素

根据本工程所处的场地地质条件、相关力学特性等分析，主要的影响因素有以下几点。

（1）软土地区地质条件下施工。上海是典型的软土地区，在地面下普遍分布有厚层软粘性土，其具有高含水率、高灵敏度、高孔隙比、低强度等不良工程地质特性，受扰动易发生结构破坏，导致强度降低，进而诱发地表变形；而且软土还有低渗透性、流变性等特点，应力状态发生改变时，产生流变，对基坑开挖稳定性影响较大。

（2）基坑开挖被动区土体卸荷。基坑开挖过程中基坑内卸荷产生的荷载差导致坑内被动区土体受挤压发生变形，坑内被动区土体强度越高，被动土压力越大，围护结构侧向变形越小，反之越大。因此，可以通过局部坑内土体加固、坑内降水等措施提高土体强度，进而减小基坑开挖卸荷引起的围护结构侧向变形。

（3）基坑开挖过程中无支撑暴露的时间。因软土具有高流变性，在土方开挖后，若支撑未及时架设，则基坑坑底土体将随着时间的延长而发生侧向变形。侧向变形的大小与土方开挖引起的被动区土体所受荷载大小以及时间长短有关。在支撑架设前，土方开挖引起的卸荷大小无法改变，需充分利用时空效应，优化施工工艺，减少无支撑暴露的时间，即要求每块土方开挖完成后尽快完成支撑架设并施加相应的轴力以减小围护结构侧向变形。当由于工艺需要无法及时架设支撑或相应的轴力无法及时满足设计及规范要求时，则需另外采取措施减小坑内外荷载差。

3 围护结构变形综合控制措施

3.1 Ⅰ 期南侧基坑开挖阶段变形控制措施

（1）根据进度计划安排，2019 年春节前Ⅰ期南侧基坑开挖至第四道混凝土支撑位置，而后跨越 2019 年春节后继续向下开挖。考虑设计支撑间距（纵向）、周边环境敏感性、基坑暴露时间及基坑总体变形量指标控制，遂决定采用第二、三道钢支撑由普通φ609 钢支撑调整增加应力伺服系统，以进一步控制基坑变形。

（2）Ⅰ 期南侧基坑在开挖第一层土方时，考虑到该基坑设计第一至第二道钢支撑间距较大，达到 5.5 m，另外考虑到开挖安装支撑需求，开挖深度需达到 6.0 m，单层开挖深度大、无支撑暴露时间长，非常不利于围护结构变形控制。经参建各方讨论决定，开挖该层土方时，以分 2 层进行开挖，即第一仓至第二仓第一层开挖 3.5 m，后进行第一仓第二层开挖至支撑安装位置，后进行支撑安装加载，同时配合支撑应力伺服系统使用达到基坑暴露时间缩短及围护结构侧向变形量小的效果。

（3）Ⅰ期南侧基坑在开挖第四层土方时，考虑到第四道混凝土支撑形成支撑力时间长，除设计要求在第四道混凝土支撑下采取抽条加固措施外，再在土方挖至标高后采取增加临时钢支撑的措施控制侧向变形量。

3.2 Ⅱ 期北侧基坑开挖阶段变形控制措施

Ⅱ 期北侧基坑开挖阶段除了继续沿用上述三条 Ⅰ 期南侧基坑采取的控制措施外，另外采取了以下措施：

（1）Ⅱ 期北侧基坑标准段第 6 道、工作井第 5 ～ 7道φ609 钢支撑调整为φ800 钢支撑；另外，由第 2 ～ 3道钢支撑采用钢支撑应力伺服系统调整为基坑全断面采用钢支撑应力伺服系统，支撑轴力按设计轴力 100% 初始施加，根据墙体监测数据变化情况及时调整加载值（100% ～120%）。

（2）由于 Ⅰ 期南侧基坑收底至工作井范围及标准段局部位置开挖进入 ⑤2 层，初期坑底土体固结良好，后连日降雨及开挖扰动，坑内明水在排除后土体液化明显，部分下翻结构位置开挖困难，不利于基坑变形控制。结合Ⅱ期北侧基坑底⑤2 层土层特性及环境敏感程度，在Ⅱ期北侧基坑工作井局部增加坑底加固，同时设置墙缝止水措施改善基坑渗漏水及降低明水对收底工作的影响。

4 实测数据及分析

Ⅰ 期南侧基坑标准段、工作井及 Ⅱ 期北侧基坑标准段、工作井每层工作面施工完成后的最大围护结构深层水平位移情况如表 1 ～ 表 4 所示。

表1 Ⅰ 期南侧基坑标准段施工围护结构变形汇总表

表2 Ⅰ 期南侧基坑工作井施工围护结构变形汇总表

表3 Ⅱ 期北侧基坑标准段施工围护结构变形汇总表

表4 Ⅱ 期北侧基坑工作井施工围护结构变形汇总表

通过对表 1 ～ 表 4 的相关数据分析，可以总结出以下特征。

（1）第一层土方分 2 层开挖的方法使得基坑实际分层变形量明显优于设计的分层控制指标，普遍为设计变形值的30% ～ 50%。

（2）临时增加的 1 道钢支撑在第 4 道混凝土支撑形成过程中对围护变形发展起到明显控制作用。

（3）Ⅰ 期南侧基坑第二层土方开挖采用“层中分层”的方法，同时配合钢支撑应力伺服系统的使用，使得基坑实际分层变形量明显优于设计的分层控制指标；另外配合第四道混凝土支撑施工阶段增加1道临时钢支撑控制基坑变形量，围护变形情况可控，最大变形量达 1.8 ‰，较设计变形指标要求差距较小。

（4）通过总结 Ⅰ 期南侧基坑施工经验并增加相关措施后，Ⅱ 期北侧基坑围护结构总体变形控制尚好，各围护测斜点监测指标均有效控制在规范及设计可控范围内（1.4‰基坑开挖深度），基本控制在允许指标的 70% 左右，最大变形点变形指标为 1 ～ 1.2‰。

（5）Ⅱ 期北侧基坑标准段第 6 道、工作井第 5 ～ 7 道φ609 钢支撑调整为φ800 钢支撑，并配合钢支撑应力伺服系统的使用，且初次加载轴力在设计轴力的基础上适当调整，总体控制在设计轴力 110%，使得第 4 道混凝土支撑以下部分土方开挖过程中围护结构变形量明显小于Ⅰ期南侧基坑围护结构变形量，控制效果显著。

5 结 语

软土地区复杂环境条件下，该车站基坑整个开挖阶段通过各项措施的综合应用、对Ⅰ期南侧基坑相关特征详细地分析总结以及对Ⅱ期北侧基坑控制围护侧向变形措施的进一步优化，可以得出以下结论：

（1）在单层土层较高的基坑开挖施工中，采用“层中分层”的方式，对控制围护结构侧向变形有积极作用，普遍为设计变形值的 30% ～ 50%。

（2）混凝土支撑施工阶段，因混凝土支撑施工及形成支撑力时间长，导致无支撑暴露时间久，可采取增加临时钢支撑的措施控制围护侧向变形量，总体效果明显。

（3）基坑开挖收底作业前，可结合坑底土层特性及环境敏感程度，在局部开挖困难的位置增加坑底加固，同时设置墙缝止水措施改善基坑渗漏水对收底工作的影响，防止土体液化被动土压力减小导致围护侧向变形变大。

（4）基坑开挖阶段，采用主动加载的钢支撑应力伺服系统替代被动受力的传统钢支撑，对减小围护结构整体侧向变形量具有显著的作用，特别是在受客观因素影响导致基坑有支撑暴露时间比较长的情况下，能有效确保基坑及其周边环境的安全。