上海软土深基坑有支撑暴露变形研究

0 引 言 城市基坑工程通常处于房屋和生命线工程的密集地区，为保护周围已有建筑物的正常使用和安全，不仅要求基坑支护结构具有足够的强度以保证基坑本身安全，而且对于变形也提出了严格限制。尤其上海软土地区的深基坑工程，很多情况下变形控制往往起决定性作用，因此基坑的变形控制和治理问题已经成了目前地下工程中一个十分热点的课题。 基坑变形按时间顺序可分为：前期变形（基坑开挖前的变形）、开挖期间的变形（基坑开挖至底板施工完毕期间的变形）、后期变形（底板浇捣后的变形）。其中开挖阶段安全问题最突出、变形最大，此阶段变形控制是深基坑变形控制的重点。 目前上海市大部分深基坑工程都采用刘建航院士提出的时空效应施工方法，采用分层、分段、对称、平衡开挖方法和随挖随撑，按规定时限施加预应力，减少基坑暴露时间的支撑方法。对于每小块土体，根据其相应支撑轴力的施加状态，可将施工时间分为无支撑暴露时间和有支撑暴露时间；其变形分为无支撑暴露变形和有支撑暴露变形。目前基坑的无支撑暴露变形研究较多，相关应对措施较为成熟；对于基坑有支撑暴露变形研究较少，但从大量基坑工程中发现，有支撑暴露变形在基坑开挖过程中不容忽视，在一定情况下可以转变为主要隐患。本文结合实际工程，对基坑工程有支撑暴露变形作了研究，以期对今后的工程有一定借鉴。 1 基坑变形的时间效应 上海地区地表下 30 m 深度以内的地层多属软弱的粘性土，其特点为强度低、含水率高、有很大的流变性，尤以深基坑下部所处的淤泥质粘土的流变性为大。由淤泥质粘土的蠕变试验结果可知[1]，加载后各应力水平下该层土在 24 h 以内都是变形的高速发展期；随后进入变形的稳定发展期，蠕变速率远低于前一阶段的发展；且随应力的增大这两个阶段的速率都会相应增加。由于挡墙的变形是同地层的蠕变分不开的，相应的挡墙变形也分为两个阶段：即前 24 h 的变形（开挖和支撑架设期间一般处于这段期间）和后期稳定发展的变形（主要是支撑完成后的放置期间）。因此一般要求每块土体开挖及支撑时间应控制在24 h以内，减少基坑暴露时间，从而减少蠕变的影响。 1.1 无支撑暴露变形 围护结构无支撑暴露时间指分块土体开挖至被动区土体不足以阻止围护结构变形时起，到对应位置的支撑施加预应力完毕止的一段时间。包括两部分：墙后土体开挖时间和对应支撑架设及施加预应力时间。 无支撑暴露时间阶段基坑挡墙变形的影响因素很多，包括卸载引起的瞬间施工变形、土体蠕变引起的变形和坑外施工超载引起的变形等。这段期间由于支撑没有架好，坑底土体的应力水平相对较高，使得土体在较高应力水平下经历蠕变的高速发展阶段。因此无支撑暴露变形时间的长短与挡墙的变形关系密切。 时空效应理论中对各种基坑的开挖方式和参数均作了详尽的规定并且提供了计算方法。具体参数参见上海地铁基坑工程施工规程（SZ-08-2000）。 1.2 有支撑暴露变形 围护结构有支撑暴露时间指围护结构在一层土体开挖、支撑完毕至下一层土体开挖之间的时间。有支撑暴露变形即基坑支护结构有支撑暴露期间的变形。 有支撑暴露时间内挡墙的变形主要是土体蠕变引起的变形，这个阶段由于支撑已完成（多数预加轴力），坑底被动区土体的应力水平相对降低，土体进入了稳定的蠕变变形阶段。墙体变形是变形速率和变形时间两者的函数，因此变形与时间有密切关系的，只是不如无支撑暴露变形那么明显，如果有支撑暴露时间较长，累加的变形量值是相当可观的。下面结合上海地铁某车站分析有支撑暴露变形与开挖时间的关系。 2 工程实例分析 2.1 工程概况 某车站，位于共和新路延长中路的交叉口西侧地下，沿共和新路呈南北向布置，为地下二层岛式车站。净长 226.6 m，标准段宽 17.6 m。车站主体围护结构采用地下连续墙，地下连续墙厚度二侧端头井为 800mm 厚，29 m；中间部分为地下连续墙 800 mm 厚，27 m。基坑开挖深度，端头井为 16.84 m，标准段为15.24 m，采用四道Φ609 钢管支撑。标准段降水开挖，端头井基坑底部注浆加固，加固范围为坑底以下 4 m；基坑保护等级为二级。 该车站主要涉及地层：①人工填土；②褐色～灰黄色粉质粘土；③-1 灰色淤泥质粉质粘土；③-2 灰色粘质粉土；③-3 灰色淤泥质粉质粘土；④灰色淤泥质粘土；⑤-1 灰色粘土；⑤-2 灰色粉质粘土；⑥-1 暗绿色粘土；⑦-1 草黄色砂质粉土。整个车站土层分布较均匀，分层界限明显。车站标准段基底位于灰色淤泥质泥土层中；端头井亦位于该层中。标准段地下连续墙底为位于暗绿色粘土层中，端头井地下墙进入⑦-1。 2.2 变形分析 选取几个断面（车站测点布置见图 1）进行测斜数据分析，将有支撑暴露时间、有支撑暴露变形和总变形综合提取出来进行综合分析，结果见表 1 和图 2。 从表1和图2可以看出：#11测斜孔开挖历时18 d，由于开挖施工总时间较短，因此有支撑暴露变形亦较小，约占开挖期间总变形的 1/5。#21、#18 和#19 测斜孔开挖历时 30 d 左右，该施工速度属于比较正常，基本保持一周一层土。有支撑暴露变形约占开挖期间总变形的 1/3～1/2。而#4 和#9 斜测孔开挖总历时 50 d 以上，暴露时间较长，结果有支撑暴露变形成为基坑开挖期间的主要变形，达到 80％以上。 由上述分析结合图 3、4 可知：开挖时间对有支撑暴露变形的影响可以近似以 30～35 d 为界，若开挖时间很短（<15 d），有支撑暴露变形较小，为开挖变形的 1/3；若开挖时间为 30～40 d，则有支撑暴露变形与开挖变形基本相当；当开挖时间很长（大于 45 d），有支撑暴露变形将显著增加，明显大于开挖变形。 3 有支撑暴露变形控制措施 深基坑变形控制贯穿于施工的全过程，可分为无支撑暴露变形控制和有支撑暴露变形控制。其中无支撑暴露变形控制主要通过控制施工参数，如开挖宽度、开挖时间、支撑时间、支撑轴力等等。 有支撑暴露变形与时间直接相关，因此应尽量缩短有支撑暴露时间。另外，此期间由于温度变化、施工扰动、主被动区土压力变化、支撑应力松弛等原因，导致支撑轴力损失。因此还应在此期间按要求复加支撑轴力。复加支撑轴力控制标准有应力控制标准和变形控制标准[2]。应力控制即当支撑轴向应力损失达到某一阀值时，进行轴力复加；位移控制即当支撑端点位移（即对应的维护结构位移）变化达到某一阀值时，进行轴力复加。实践中可根据基坑变形控制的要求制定应力和位移值，必要时采用复合控制标准。 4 结 语 (1) 有支撑暴露变形是深基坑开挖阶段变形的重要组成部分，随着暴露时间的延长会逐步增长，在深基坑变形控制过程中应给予足够的重视。 (2) 有支撑暴露变形主要与暴露时间、开挖深度、支撑轴力及加固情况等因素有关。 (3) 控制有支撑暴露变形应尽量缩短有支撑暴露时间，减少有支撑暴露期间的施工扰动并及时按要求复加支撑轴力。 参考文献： [1] 刘建航, 候学渊. 基坑工程手册[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 1997: 203–211. (LIU Jian-hang, HOU Xue-yuan. Excavation engineering handbook[M]. Beijing: China Architecture and Building Press, 1997: 203–211.) [2] 上海市地铁总公司, 同济大学. 基坑工程时空效应理论与实践研究课题总结报告[R]. 上海, 1998: 15–22. (ShanghaiMetro Company, Tongji University. Theory and practice of time-space effect in deep excavation engineering[R].Shanghai, 1998: 15–22.) 信息来源于：中国城市轨道交通网