软弱地层深基坑开挖变形对基坑安全的影响

全先虎

软弱地层条件下，地铁车站深基坑在围护结构施工、开挖施工、主体结构施工阶段的变形规律和失稳状况比一般地区城市深基坑更加复杂。为解决这一问题，以天津地铁某车站为研究对象，分析软弱地层地铁车站深基坑变形趋势；根据监测数据，分析深基坑工程引起墙体水平位移变化的动态趋势，探讨软弱地层地铁车站墙体水平位移预测方法。结果表明：基于钢支撑与地下连续墙相结合的软弱地层深基坑围护结构可有效维持土体平衡，约束土体变形，墙体深层水平位移总体可控。

一、工程概况

1.工程位置

天津地铁某车站周边环境较简单、交通流量小。车站站台中心轨面标高为-12.400m。车站线路平面为直线，纵向沿线路方向由大里程端向小里程端2‰降坡，车站范围正线线间距15.2m，有效站台宽度12m。

2.结构形式

本站主体基坑标准段竖向设4 道支撑。第一道为钢筋混凝土支撑，支撑截面800mm×1000mm，第二、三、四道为直径800mm、壁厚16mm 的钢管支撑。

主体基坑盾构井段竖向设5 道支撑+1 道倒撑。第一道为钢筋混凝土支撑，支撑截面800mm×1000mm。第二、三、四、五道支撑及倒撑为直径800mm、壁厚16mm 的钢管支撑。

标准段多位于粉质粘土⑥1层上，地基承载力特征值为100kPa，盾构段基坑底多位于粉质粘土⑦1层上，地基承载力特征值为120kPa。止水帷幕隔断了第一承压水层，第二承压水抗突涌计算均满足抗突涌稳定性安全系数1.05，不需设置减压井。根据基坑稳定性计算，该围护结构插入比为0.72 ～0.85。

3.工程地质与水文地质条件

（1）工程地质条件

根据勘察揭示，本工点所揭示的地基土为第四系全新统人工填土层～上更新统的河床～河漫滩相沉积、浅海相沉积、滨海-潮汐带相等沉积物，各土层特征及工程地质描述如下：

1）人工填土层（Qml）：全场地均有分布，分为①1杂填土及①2素填土，土质结构性差，欠均匀，填垫年限一般小于十年，局部近期人为扰动。

2）第Ⅰ陆相层（Q43al）：全场地分布广泛，以④1粉质黏土为主。可～软塑为主，中-高压缩性。

3）第Ⅰ海相层（Q42m）：全场地均有分布，从上而下可分为4 个亚层。

⑥1粉质黏土：灰色，软-流塑，中～高压缩性，分布广泛，局部缺失。

⑥2淤泥质土：灰色，流塑，高压缩性，分布广泛，局部缺失。

⑥3黏质粉土：灰色，稍密，中压缩性，局部揭示为砂质粉土，分布广泛。

⑥4粉质黏土：灰色，可～流塑为主，土质均匀性较差，中-高压缩性。

4）第Ⅱ陆相层（Q41h）：全场地均有分布，以⑦1粉质黏土为主，呈黑灰～浅灰色，可塑状，中压缩性。

5）第Ⅱ陆相层（Q41al）：全场地均有分布，从上而下可分为2 个亚层。

⑧1粉质黏土：灰黄～褐黄色，硬～可塑，夹粉土，中压缩性，分布广泛。

⑧2黏质粉土：灰黄-褐黄色，很湿，中密，中压缩性，分布广泛，局部缺失。

6）第Ⅲ陆相层（Q3eal）：全场地均有分布，从上而下可分为2 个亚层。

⑨1粉质黏土：褐黄色，可塑为主，中压缩性，广泛分布、连续。

⑨2粉砂：褐黄色，饱和，密实，中～低压缩性，分布广泛。

7）第Ⅱ海相层（Q3dmc）：全场地均有分布，从上而下可分为2 个亚层。

⑩1粉质黏土：灰色，可～硬塑，中压缩性，分布广泛。

⑩2黏质粉土：黄灰色，很湿，密实，中压缩性，分布广泛但不连续，局部缺失。

8）第Ⅳ陆相层（Q3cal）：全场地均有分布，从上而下可分为4 个亚层。

（2）水文地质条件

本场地浅层地下水类型主要为第四系孔隙潜水，赋存于Ⅱ陆相层及以下的粉土、砂层的地下水具承压性，为承压水。

1）潜水含水层

上部潜水，地下水埋藏较浅，稳定水位埋深1.70 ～2.80m（高程0.13 ～1.18m），主要赋存于人工填土层、第Ⅰ陆相层、第Ⅰ海相层的黏性土及粉土中。接受大气降水和地表水入渗补给，地下水多年变化平均值0.5 ～1.0m。

2）第一承压含水层

第一承压含水层主要赋存于⑧2、⑨2黏质粉土、砂质粉土、粉砂、细砂层中，第一承压含水层水头大沽标高为-1.54m。

3）第二承压含水层

二、监测目的

在地铁土建施工期间对工程自身关键部位及围岩、线路沿线周边环境实施监测，分析各种施工因素对地表变形的影响，提供改进施工、减少沉降的依据；根据观测结果，预测后续施工地表沉降和对周围环境的影响，以确定和调整下一步施工参数，采取合理保护措施，确保施工安全。

三、监测数据分析

围护结构深层水平位移是体现基坑在时间和空间上受开挖影响的主要指标，是验证基坑是否安全可靠的主要技术指标。根据研究目标，选取天津地铁某站西段头盾构井处2 个测斜点ZQT-16、ZQT-18 以及标准段测斜监测点ZQT-2、ZQT-15 进行数据分析。

基坑开挖由西向东进行，测点 ZQT-18 位于基坑端头中部，斜撑受力，此处常有长臂挖机、大型吊车等重型设备运行，其监测表明：基坑初次开挖时，开挖处土压力的释放使得桩顶迅速向基坑内移动，桩顶位移达到最大；当架设第一道钢支撑后，支撑位置以下桩体位移逐渐减少，同时桩顶位移趋于平缓；随着基坑开挖深度增大，桩顶位移变化较小，支撑以下桩体位移逐渐增大；当架设第二道钢支撑时，桩体深度1 ～10m 位置水平位移逐渐减小并出现负向位移，但桩体深度11 ～20m 位置水平位移向基坑内迅速增大；当架设第三道钢支撑时，整个墙体深层位移较之前变化较小；随着开挖深度的不断增加，第四道钢支撑架时，整个墙体深层位移又有所增大，且在深度13.5m 位置到达最大值15.8mm；国庆停工期间，底板未施做，此段时间内墙体深层水平位移呈现递增趋势，短短10 余天内，墙体急剧位移12.5mm，在10 ～21m位置，都有约10mm 的变化量，最大墙体水平位移为25.94mm。

由测点ZQT-16 可知，第一道支撑的架设，有效的限制了桩顶位移；随着基坑不断的开挖，沿深度方向桩体水平位移不断增加。第二、三层土体开挖过程中，墙体中部水平位移变化明显，在第四层土体开挖过程中，桩体受力变化较小，趋于稳定状态。基坑端头纵向跨度达26m，支撑架设较长，当开挖至基坑底部时，坑底位置墙体深层水平位移最大，达到22.32mm，整个墙体水平位移呈现“凸三角形”的变形趋势；国庆停工，底板未施做，基坑墙体水平位移明显增加，基坑底部位置都有约10mm 的位移，墙体深层最大水平位移（深度14.5m 位置）31.60mm，即将黄色预警。

标准段测点ZQT-2、ZQT-15 都处于直撑受力墙体中，由于标准段没有第四道钢支撑作用，第二、三道钢支撑之间间距较大（5.2m）。在第一层④1粉质黏土开挖完成并架设完钢支撑过程中，最大位移约为5mm，由于第二、三层土体分别多以⑥2淤泥质土、⑥4粉质黏土及其夹层淤泥质土为主，在开挖过程中，墙体水平位移都有约5mm 的正向移动。最终墙体深层位移最大值都在测斜管中部位置，最大值约25mm，整个墙体水平位移“凸三角形”的变形趋势；又因国庆期间，车站结构暂停施工，基坑暴露时间过长，墙体深层水平位移呈直线上升，截止目前，ZQT-2 最大位移（深度14.5m 位置）35.67mm， ZQT-15 最大位移（深度12.0 米位置）35.15mm，都已达到黄色预警。

四、结语

天津地铁某站软弱地层多为⑥1粉质黏土、⑥2淤泥质土、⑥4粉质黏土，主要呈流塑状为主，局部软塑状，通过对西端头开挖过程中墙体位移监测数据分析，得出以下结论：

（1）软弱地层基坑开挖过程中，墙体深层水平位移总体可控。基坑周边材料堆载和大型施工机械运行对基坑位移影响很大，实际工作中，应尽量减少堆载和机械停留时间。由于土体开挖，基坑内受力发生变化，在土体开挖完成后，应及时架设钢支撑，防止因开挖深度增加而支撑数量较少导致墙体水平位移极速增加。

（2）基坑测斜数据在一定程度上可以反映局部土质好坏情况，土体深层水平位移与墙体深层水平位移密切相关，所以在开挖后期要加强对墙体和土体的深层水平位移监测，根据监测数据，及时对钢支撑施加轴力，防止出现安全事故。

（3）随着基坑深度的不断增加，墙体最大位移不断增加且位置不断下移，在钢支撑架设完成后，趋于稳定。墙体水平位移最大位置都在墙体中部，整个墙体水平位移呈现“凸三角形”的变形趋势。

（4）基坑开挖过程中，开挖深度到达设计深度时，及时施做车站结构，防止因暴露时间过长，基坑底部受力不平衡，导致钢支撑预加轴力发生应力松弛现象，致使围护结构侧向变形过大而影响基坑安全。