武汉地区淤泥质软土地铁车站深基坑开挖风险控制

叶万敏 卢 雄 张绍辉 刘宝林

(1.武汉地铁集团有限公司 武汉 430000;2.华中科技大学 工程管理研究所 武汉 430074)

1 引言

近年来，随着城市建设的飞速发展，城市用地变得日趋紧张，人们的视野逐步从地面开始转向地下。各大城市大型地下空间的迅速开发进展，涌现出了大量复杂的基坑工程建设项目，尤其以地铁轨道交通建设为代表，深基坑甚至是超深基坑不断出现。同时，地铁工程大多集中在城市的中心地带，施工场地周围密布的各种构建筑物、地下管线等使得基坑周边的施工条件也变得越来越受限，施工难度也越来越大。

长江中下游河漫滩从湖北省枝江市开始，沿两岸呈带状分布或呈弯月状不对称分布，一般左岸分布大，右岸分布不广。大量资料表明，河漫滩相沉积具典型的相变规律即:宜昌至枝江段，河床沉积以卵砾石为主;漫滩相以一般粘土为主。武汉至镇江段，河床沉积以砂为主，有底砾;漫滩相沉积以淤泥质土及淤泥为主。在这些临江的堆积平原上分布着密集的城市群，也是长江中下游地区超深基坑的集中地带。淤泥质软土具有低强度、高压缩性、高孔隙比、高灵敏度、易扰动和易触变等特点，这些特点对超深基坑的开挖极为不利［1，2］。因此，研究长江中下游淤泥质软土超深基坑开挖风险控制，对于提高城市深基坑工程的安全施工有着重大的意义与价值。

本文以武汉地铁七号线长丰站超深基坑的开挖与安全预警为研究背景，通过对开挖过程进行全过程监测，分析了墙体测斜、立柱沉降、土体测斜、支撑轴力、地表沉降等监测数据，以期能为长江中下游淤泥质软土地区类似工程的设计与施工提供参考。

2 工程概况

2.1 项目基本概况

武汉轨道交通7 号线是武汉轨道交通线网中的三大市域快线之一，长丰站属于7 号线第2 标段，采用明挖施工。长丰站为地下二层单柱双跨明挖岛式站台车站，有效站台宽度为12m。车站有效站台中心里程为右CK2+295.000，起点里程为右CK2 +180.700。车站外包总长460.2m，标准段宽21.3m，标准段开挖深度为17.4m，基坑大里程段开挖深度18.8m，小里程段开挖深度为19.2m。基坑支护结构采用地下连续墙和内支撑，地下连续墙厚800mm，深度约27m，采用C30 水下砼，抗渗等级P8，地下连续墙共176 幅。支护形式为四道内支撑加一道换撑(其中第一道为混凝土支撑)，混凝土支撑的尺寸为800mm × 1000mm，钢支撑直径均为609mm，壁厚16mm。

2.2 长丰站水文地质概况

长丰站基坑开挖深度内自上而下主要地层依次为:1 -1 杂填土、1 -2 素填土、3 -1a 粘土、3 -1粘土、3 -2 粘土、3 -3 淤泥质粘土、3 -4 淤泥质粉质粘土、3 -5 粉质粘土夹粉土、粉砂、4 -1 粉细砂。本基坑的地下水主要类型为上层滞水、孔隙承压水和基岩裂隙水。上层滞水因其含水层物质成份、密实度、透水性、厚度等不均一性而导致水量大小不一，水位不连续，无统一自由水面等特征，勘察期间测得沿线上层滞水水位埋深0.30m～5.40m。根据武汉市地区经验，其承压水受季节性影响且于地表水有一定水力联系，枯水季节水位较低，丰水季节则较高，根据春季枯水期的抽水试验结果，承压水测压水位标高约为15.8m。

2.3 长丰站工程开挖进度安排

本项目依据合同文件、项目策划书、项目技术经济特征、资源条件以及内外部约束条件，确定基坑开挖的进度安排，如表1 所示。长丰站地质剖面图如图1 所示。

长丰车站基坑开挖共分为19 个区，19 个区的编号依次为一区至十九区。开挖顺序是从大小里程端头同时向中间开挖，在中间段9 区、10 区结束。

根据施工监测的要求，在基坑开挖之前应确定监测项目并布设监测点。本项目确定的监测项目如下:①土体侧向变形;②墙体变形;③地表沉降;④结构变形;⑤地下水位;⑥立柱桩沉降，监测点布置如图2所示。

表1 基坑开挖进度安排

图1 长丰站地质剖面及支护结构图

根据基坑开挖进度安排可知从2014 年4 月18日至车站结构完成，属于高风险时期，本文以2014年5 月份为例介绍长江中下游淤泥质地区基坑开挖过程中的风险预警与控制。

3 地铁车站深基坑开挖风险分析

本文通过事故树理论分析法对超深基坑开挖的风险因素进行阐述［3-6］。主要风险因素包括:纵坡失稳、基坑变形、接缝漏水、基坑涌水涌砂、基坑周边地表沉降、基坑坑底隆起等［7-10］。风险致因逻辑关系如图3 所示。

由长丰车站工程地质情况可知，长丰站位于长江二级阶地，上部填土、淤泥、软粘性土强度低，淤泥及软粘性土易触变，粘性土强度较高但遇水易软化，从而易产生边坡失稳现象。因此，地连墙墙体倾斜、基坑内立柱沉降、地连墙渗漏、周边建筑物沉降等风险属于高发风险。本文通过对超深基坑风险的分析，并针对性地对长江中下游淤泥质软土地区超深基坑开挖的风险进行控制，提出有效的处理意见并制定相应的控制措施及应急措施，从而将风险降低至可接受的范围内。

4 开挖风险预警与控制

根据基坑的开挖进度安排，本文选取长丰车站在5 月份的监测数据进行分析，选取5 月7 号、5 月19 号、5 月25 号的监测数据进行基坑变形分析，选取5 月31 号的监测数据进行地连墙接缝渗漏分析。

图2 长丰站监测点布置图

图3 超深基坑开挖风险及逻辑图

4.1 基坑地连墙墙体倾斜控制

(1)监测预警分析

本文分析的地连墙墙体倾斜点如图3 所示，2014 年5 月1 日至2014 年5 月31 日X01 点监测数据分析图如图5 所示。详细数据如下:

截止到5 月7 日，基坑第一段第二层土方开挖完成，测斜X01 位于基坑端头中间，根据第三方监测数据显示:X01 变化量最大的点为X01 -17.0;累计向基坑内偏移值为14.5mm;5 月4 日至5 月7 日变化速率为2.87mm/d，超出设计警戒值范围(2mm/d)，累计变形量在正常范围内。

截止5 月19 日，基坑小里程端头井第三层土方基本开挖完成，正在架设第四道钢支撑钢围檩。根据第三方监测数据显示:测斜X01 变化量最大的点为X01-17.5;累计向基坑内偏移值为39.8mm;5 月16日至5 月17 日变化速率为9.9mm/d;5 月17 日至5月18 日变化速率为4.2mm/d;5 月18 日至5 月19 日变化速率为5.2mm/d，日变形速率较大，累计变形量最大值为X01-17.5 处，累计量为39.8mm，已超出预警值。

截止到5 月25 号，基坑小里程端头井土方开挖完成，正施作垫层。根据第三方监测数据显示:X01变化量最大的点为X01 -18.0 处;累计向基坑内偏移值为55.8mm;5 月22 日至5 月24 日变化速率为4.7mm/d;5 月24 日至5 月25 日变化速率为3.1mm/d。与此同时位于基坑端头左侧中间的测斜X02 最大处累计向基坑内偏移值为34.3mm。位于基坑标准段左侧的测斜X04 累计向基坑内偏移值为35.8mm。

根据监测数据显示，X01 点在半个月内数据从正常变化至预警值，X02、X04 日变形速率较大，累计变形量已超出预警值(30mm)。

图4 测点X01 位置

图5 20140504 -20140531 X01 点监测数据分析图

(2)控制措施与效果

分析此次地连墙变形的主要原因如下:⑴基坑第二层土方开挖完成后，放置时间较长;第三道钢支撑未能及时架设，导致基坑端头测斜管变形速率较大。⑵基坑端头井处地质情况为(3 -4)淤泥质粉质粘土、(3 -4a)粉质粘土夹粉土，为高压缩性土质。由于地质情况较差，在基坑开挖过程中，基坑端头处开挖面下部土体难以提供相应的被动土压力，随着坑内土体开挖，墙体变形较大，由于第一道、第二道为混凝土支撑，第三道为双拼钢支撑，基坑底部已进行了基底加固处理，造成变形最大位置处于开挖面以下附近，为整个地连墙围护结构中部位置。

通过对监测数据的分析，为有效地减小基坑变形，需在基坑开挖完成后及时地架设钢支撑，在架设钢支撑的同时需采取有效措施保证支撑架设的施工质量，适当增加预加设计轴力值;增加端头井各项监测项目监测频率，加强监测，及时反馈监测信息。通过一系列的处理措施最终将基坑边形的累计值控制在56mm，有效地遏制了基坑的变形。

4.2 基坑立柱沉降控制

(1)监测预警分析

本文分析的基坑立柱监测点如图6 所示，2014年5 月1 日至2014 年5 月31 日LZ01 和LZ02 点的部分监测数据表2 所示。详细数据如下:

表2 监测点变化情况统计表

根据监测数据显示，截止5 月25 日立柱沉降已进行第十五次监测，测点LZ01、LZ03 位于小里程端头斜撑下方立柱上(如图7)。从4 月25 日至5 月5 日立柱LZ01、LZ03 沉降呈缓慢变化，累计变化来那个也在正常单位之内，分别为4.5mm和7mm。从5 月5 日至5 月25 日立柱LZ01 和LZ03 沉降变化加快，累计沉降量逐渐增加，截止到5 月25 号LZ01 累计沉降量已超过红色警戒值达14.8mm，LZ03 累计沉降量已超过红色警戒值一倍有余达27.4mm(立柱沉降绝对临界值为8mm，绝对警戒值为10mm;变化速率绝对临界值为2mm，绝对警戒值为3mm)。

图6 监测点位置

图7 20140425 -20140525 立柱监测数据分析图

(2)控制措施与效果

基坑端头地质情况为(3 -3)淤泥质粘土和(3-4)淤泥质粉质粘土，土体岩性特征为饱和、流塑状态、高压缩性、土体自稳性较差。端头井第三层土方开挖完成后，由于基坑墙体变形较大，特别是围护结构中下部位置，引起基底回弹效应，变形较大，同时，基坑第二、三段等后方土体向端头有滑移趋势，土体挤压引起土体隆起，造成立柱形成隆起量超警戒值情况。

通过对监测数据的分析，为有效地减小立柱沉降，需进一步放缓开挖面纵坡坡度，等端头基坑变形稳定后再进行下一层土方开挖;及时架设端头支撑，减小地连墙变形所造成的被动土压力;增加端头井各项监测项目的频率，加强监测，及时反馈监测信息。通过一系列的处理措施最终将立柱LZ01 的累计沉降值控制在13.6mm，将立柱LZ03 的累计沉降值控制在26.6mm。

4.3 基坑地连墙接缝渗漏控制

(1)监测预警分析

截止到2014 年5 月31 日，长丰站基坑小里程端出现两处地连墙渗漏，第一处在端头井中间基底地连墙接缝处，第二处在标准段基坑第二段处，渗漏情况如图8、9 所示。分别选择第一处地连墙渗漏的土体测斜和第二处地连墙渗漏的地表沉降进行分析，详细监测数据如下所示:

图8 端头井中间基底地连墙渗漏

图9 基坑第二标段处地连墙渗漏

截止到2014 年5 月25 日，基坑小里程端头井土方开挖完成，施作垫层，土体测斜T01 位于基坑端头中间，土体测斜T02 位于基坑端头左侧，根据第三方监测数据显示:T01 变化量最大的点为T01 -08.0 处，累计向基坑内偏移值为41.9mm，超过绝对警戒值;5 月24 日至5 月25日变化速率为4.4mm/d，超过相对警戒值;T02变化量最大的点为T02 -16.0 处;累计向基坑内偏移值为31.5mm，接近绝对临界值;5 月24 日至5 月25 日变化速率为3.0mm/d，达到相对临界值。如图10 所示(土体测斜绝对临界值32mm，绝对警戒值40mm;相对临界值3mm/d，相对警戒值5mm/d)。

图10 T01 土体测斜数据

截止2014 年5 月31 日，基坑第二标段施做垫层。根据第三方的地表沉降监测数据，测点C06 -1累计沉降37.4mm，超过绝对临界值;5 月30 日至5 月31 日的变化速率为-7.1mm/d，超过相对临界值。测点C06-2 累计沉降69.4mm，超过绝对临界值;5 月30 日至5 月31 日的变化速率为-15.9mm/d，超过相对临界值。测点C51 -1 累计沉降93.4mm，超过绝对临界值;5 月30 日至5 月31 日的变化速率为-9.9mm/d，超过相对临界值。测点C52 -1 累计沉降70.6mm，超过绝对临界值;5 月30 日至5月31 日的变化速率为-2.2mm/d，超过相对警戒值。如图11 所示。(地表沉降绝对临界值24mm，绝对警戒值30mm;相对临界值2.4mm/d，相对警戒值3mm/d)。

(2)控制措施与效果

由于基坑土质较差，主要以淤泥质粉土为主，基坑在开挖过程中，土方开挖不能有效组织，造成钢支撑架设滞后，引起基坑变形较大，从而引起围护结构地连墙的渗漏。对应监测数据超出警戒值很多，可能造成基坑出现失稳状况。

通过对监测数据的分析，为有效解决地连墙渗漏，需尽快对渗漏点采取措施进行反压，标准段第四道钢支撑及时架设;坑外尽快在地连墙接缝处采取注双液浆进行加固;开展标准段基坑内降水工作，及时观测地下水位变化情况;严禁在基坑周边堆载重物;为避免造成钢支撑架设滞后情况，开挖方式应有所调整，严格做到“先撑后挖、严禁超挖”，减小基坑变形。

图11 20140501—20140531 土体沉降监测数据分析

5 结论与建议

长江中下游淤泥质软土地区超深基坑施工过程中通常会出现纵坡失稳、基坑边形、涌水涌砂、接缝渗漏、周围地表沉降、基地隆起等风险。截止2014 年10 月30 日，虽然长丰站基坑施工过程中遇到了基坑边形过大、立柱沉降过大、地下连续墙渗漏等风险，但是在实施针对性、合理化的措施后，基坑变形过大、立柱沉降过大、地连墙渗漏等风险都得到了有效地控制，长丰站主体结构基本顺利完成。

1)针对基坑变形过大，本文采用在基坑开挖完成后及时的架设钢支撑，在架设钢支撑的同时需采取有效措施保证支撑架设的施工质量，适当增加预加设计轴力值等措施。

2)针对基坑立柱沉降过大，本文采用放缓开挖面纵坡坡度，等端头基坑变形稳定后再进行下一层土方开挖;及时架设端头支撑，减小地连墙变形所造成的被动土压力等措施。

3)针对地下连续墙渗漏，本文采取措施在坑内对渗漏点进行反压，在坑外尽快在地连墙接缝处采取注双液浆进行加固，同时禁止在基坑周边堆载重物，并做到有序开挖，先撑后挖。

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