長江漫灘地層深大基坑開挖設(shè)計及穩(wěn)定性分析

王龍飛

（中鐵十五局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司，河南 洛陽 471002）

目前，城市地鐵車站深基坑工程具有建設(shè)規(guī)模較大，較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式及組成，周邊環(huán)境、地下管線復(fù)雜密集等特點(diǎn)，同時，車站深大基坑開挖施工過程中對土層造成擾動，易導(dǎo)致軟弱土層局部塌陷。因此，基坑開挖施工過程中，地表沉降變形控制尤為重要，據(jù)此，選擇合適的基坑開挖施工技術(shù)較關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外學(xué)者對地鐵車站深基坑的開挖施工技術(shù)進(jìn)行了系列研究[1-5]。研究成果多數(shù)是針對于黏土和礫石等地層條件下深大基坑的開挖方法的研究，具有一定的理論體系和較為成熟的工藝，但長江漫灘復(fù)雜地層條件下的深大基坑的開挖方法、開挖參數(shù)及其穩(wěn)定性分析缺乏系統(tǒng)的研究，本文通過對南京地鐵9 號線濱江公園站深基坑，研究分析其開挖設(shè)計參數(shù)及穩(wěn)定性，為類似工程提供經(jīng)驗參考。

1 工程概況

1.1 設(shè)計概況

濱江公園站位于奧體大街與揚(yáng)子江大道交叉口處，島式站臺，地下二層雙跨框架結(jié)構(gòu)（局部雙柱三跨）。開挖基坑長478m，寬19.7m，深度為16.09～17.89m，明挖法施工，采用0.8m 厚地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，東側(cè)挖至中風(fēng)化泥巖層中，墻長55.0～56.5m，西側(cè)挖至粉細(xì)砂層中墻長33.6～36.5m。[6]（圖1）

圖1 地鐵車站平面圖

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

濱江公園站基坑地層情況從地表依次為：人工填土、沖淤積黏土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、礫石、砂質(zhì)泥巖。車站范圍內(nèi)無地表水分布。[6]各土層參數(shù)如表1 所示。

表1 各土層物理力學(xué)性能參數(shù)

1.3 周邊環(huán)境

車站周邊環(huán)境相對復(fù)雜，與揚(yáng)子江大道平行，上方為江蘇大劇院廣場（北端），東側(cè)約20m 為奧體新城隧道。同時，地下管線也較多，多數(shù)分布在江蘇大劇院廣場，少數(shù)分布在車站南端。[6]

2 深大基坑分層長臺階開挖方案

2.1 豎向分層，縱向分段開挖

分層長臺階放坡開挖法按照“時空效應(yīng)”原理，對坑內(nèi)土體合理切割，進(jìn)行分區(qū)域分塊開挖。

2.2 先支撐后開挖

開挖臺階長度L 應(yīng)控制在一定范圍內(nèi)，各開挖段作業(yè)完成后應(yīng)及時架設(shè)支撐，防止基坑處于長時間無支護(hù)狀態(tài)。

2.3 橫向分單元放坡開挖

每層土方開挖時在橫向?qū)﹂_挖土體進(jìn)行單元劃分，進(jìn)一步控制開挖土體單元大小。開挖按“先中間后向兩邊擴(kuò)展”的順序進(jìn)行放坡開挖。

3 漫灘地層深大基坑開挖參數(shù)與穩(wěn)定性分析

本文采用有限元數(shù)值模擬軟件，利用強(qiáng)度折減法對深基坑開挖參數(shù)及其穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

3.1 計算模型及參數(shù)選取

根據(jù)對稱性，建立1/2 無支護(hù)狀態(tài)基坑平面應(yīng)變模型，對不同開挖深度、臺階長度與放坡角度下的穩(wěn)定性分析，確定基坑安全合理開挖參數(shù)。根據(jù)圣維南原理，有限元模型尺寸取50m×60m，底邊和側(cè)邊均采用約束方向位移的位移邊界條件，見圖2 所示。

圖2 基坑計算斷面模型

3.2 豎向土層開挖高度H 對基坑穩(wěn)定性影響

為確定豎向土層開挖高度H 的合理范圍，分別取2m、5m、6m、8m 的開挖深度依次對基坑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行求解。

當(dāng)垂向土層開挖高度為2m 時，基坑處于安全狀態(tài)，安全系數(shù)Fs 為1.82。隨著開挖高度H 的增加，F(xiàn)s 呈減小趨勢，H 為5m 時，基坑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.2。當(dāng)開挖高度H 大于5m 后，F(xiàn)s 減小并逐漸小于1，如圖3 所示。

圖3 垂向分層開挖高度H 對基坑安全穩(wěn)定影響曲線

分析結(jié)果表明，基坑開挖安全穩(wěn)定系數(shù)隨開挖高度H 的增加而減小。其中，穩(wěn)定安全系數(shù)Fs 在0＜H≤5m 區(qū)間內(nèi)大于1，基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)開挖深度H＞6m，安全系統(tǒng)Fs＜1，基坑處于失穩(wěn)狀態(tài)。因此，分層長臺階放坡開挖法的垂向分層區(qū)間高度在2m≤H≤5m 區(qū)間能夠有效保證基坑各層土方開挖時的安全穩(wěn)定。

3.3 縱向分段長度L 對基坑穩(wěn)定性影響

為確定縱向分段開挖長度L 的合理范圍，分別取6m、8m、10m、12m、14m、16m、18m 的開挖長度，依次對基坑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行求解，基坑開挖深度取5m。

由圖4 可知，隨著縱向分段長度的增加，基坑安全穩(wěn)定系數(shù)Fs 呈遞減趨勢。當(dāng)6m＜L＜14m 時，F(xiàn)s 遞減較為迅速，表明在此長度范圍內(nèi)，L 的變化對基坑穩(wěn)定較為明顯。當(dāng)14m＜L＜18m 時，F(xiàn)s 變化不顯著，隨著L 的增加，開挖邊坡上下逐漸形成了貫通的破壞滑動面。施工過程中，應(yīng)盡可能使基坑處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此，分段開挖長度建議取值6m≤L＜14m。

圖4 縱向分段長度L 對基坑安全穩(wěn)定影響線

3.4 放坡比例對基坑穩(wěn)定性影響

為確定開挖土層放坡比例的合理范圍，分別取1：3、1：2、1：1、1：0.75、1：0.5 的放坡比例依次對基坑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行求解，基坑開挖深度H=5m，縱向分段長L=12m。

由圖5 可知，隨著基坑開挖放坡比例的增加，基坑穩(wěn)定安全系數(shù)Fs 呈遞減趨勢。當(dāng)開挖放坡比例為1：3 時，F(xiàn)s 為3.22，當(dāng)開挖放坡比例為1：0.5 時，F(xiàn)s 為1.8，同比減小44%。其中，當(dāng)放坡比例在1：3-1：1 之間時，F(xiàn)s 遞減速度相對較大，說明放坡比例的變化對基坑穩(wěn)定性影響較為顯著；在1：1-1：0.5 區(qū)間時，F(xiàn)s 遞減速度較低?？紤]到施加施工過程中基坑開挖邊坡易受雨水沖刷，實際放坡比例建議取小于等于1：2。

圖5 放坡比例對基坑安全穩(wěn)定影響曲線

4 周邊建筑物及地表沉降變形分析

濱江公園地鐵車站穿越較厚軟弱地層，周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑土方開挖安全施工尤為重要，采用上述開挖設(shè)計，進(jìn)行車站基坑開挖施工。基坑開挖期間對周邊地表沉降及建筑物沉降變形進(jìn)行分析。基坑開挖施工對周邊建筑物和地表產(chǎn)生的沉降變形如圖6 所示。

由圖6 可知，采用該開挖設(shè)計參數(shù)，在實際基坑開挖施工過程中，減弱了對周邊土層的擾動，進(jìn)一步阻止了上層軟弱土坍塌，最終使得地表沉降降低。周邊建筑物在基坑開挖施工階段最大沉降量僅為2.8mm，地表最大沉降量僅為11.5mm，均滿足設(shè)計要求。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)地下連續(xù)墻墻體變形，均滿足設(shè)計要求。

圖6 周邊建筑物及地表沉降沉降曲線

5 結(jié)論

本文以南京地鐵9 號線濱江公園車站基坑開挖工程為例，對長江漫灘地層條件下深大基坑開挖參數(shù)及穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，并提出了在此種地質(zhì)條件下的基坑土方開挖設(shè)計，得出如下結(jié)論。

5.1 車站基坑穿越較厚軟弱地層，地層條件及周邊環(huán)境復(fù)雜，地表沉降控制嚴(yán)格時，宜采用豎向分層，縱向分段的“拉馬道式”開挖方式。

5.2 漫灘復(fù)雜地質(zhì)條件下，豎向分層開挖深度宜取2m≤H≤5m；縱向分段長度宜取6m≤L＜14m；開挖放坡比例宜取1：2 及以下。