深厚软土地层条件下地铁车站基坑支护体系变形特征及控制研究

深厚软土地区基坑工程具有的高风险和低安全性特性已被人们所认识，其中坑底隆起是最突出的问题，很有可能发生坑底失稳，引发工程事故。另外，坑底稳定安全系数较低导致的围护结构变形较大，也是软土基坑突出的问题。10多年来地铁工程建设的实践表明，基坑施工中围护结构会表现出与正常地层基坑不同的特征，如地下连续墙侧向位移较大、立柱隆起剧烈，绝大部分超过了警戒值，严重威胁基坑安全和周边环境安全。

本研究揭示地铁车站基坑围护结构的变形规律和内在机理，分析围护结构的变形尤其是立柱隆起对基坑围护结构安全性的影响，提出解决车站深基坑设计施工中一些关键问题的方法，为提高后续地铁车站基坑设计施工的安全性提供技术支撑。

1?工程概况

南宁地铁3号线兴桂路站位于金宁路与兴桂路交叉路口，南邻南宁市快速环道秀厢大道段，沿金宁路呈南北方向布置，穿过兴桂路，接中兴小学区域，规划与兴桂路站进行同步施工。地铁车站基坑属于深厚软土地区，中间段约130?m为合作开挖段，地铁围护结构为围护桩+预应力锚索体系。目前需开挖的大里程段长34?m，包含扩大段14.9?m，标准段19.1?m。

2?基坑桩锚支护结构机理分析

2.1?经典土压力计算理论

在基坑支护设计中，首先要做的是通过对基坑所处位置的土压力进行计算，对各支护结构构件的受力进行分析。挡土结构有静止、向前、向后3种不同的移动方向，挡土结构与侧向土体不同的移动方向达到极限平衡状态时，其背后受到的土压力形式有3种，经典土压力理论分别将其称为静止、主动、被动土 压力。

2.2?桩锚结构的支护机理

桩锚联合支护结构是由围护桩结构单元与锚索锚固结构单元两个结构单元构成。本工程采用钻孔灌注桩，其主要参数主要有桩间距、桩长、桩径、桩身强度、桩在承载土中的埋深、桩体钢筋的主要参数及配筋方式等。

锚索的作用主要为在水泥面的长度方向提供抗剪力，主要参数包括锚索的自由端长度、锚固端长度、锚索与水平面的倾角、结构单元的材料强度以及锚索直径等。

2.3?桩锚支护体系的工作原理

基坑开挖过程中，自然土体的固有应力平衡状态被破坏，土体会随着土压力的释放及支护结构的应力施加动态变化，并最终达到新的平衡状态，在此过程中会产生变形与位移，并对周围施工环境造成影响，因此需要在施工过程控制其变形，使其处于安全范围内。桩锚支护体系是由锚杆代替内支撑，对桩体施加侧向应力抵消土体侧压力，并通过施工腰梁将锚索横排相连接，且在围护桩顶部通过施工冠梁将横排桩体连接形成一个支护体系整体，以此通过联合支护效应减少结构单元的位移，并提高整体的作用强度和支护结构的安全系数。

3?深厚软土地层地铁车站主体结构关键技术

3.1?车站主体结构设计

车站采用洞柱法施工，下穿既有区间段采用分离式单洞结构形式，采用现浇钢筋混凝土框架结构。主体结构参数见表1。

表1?主体结构参数

3.2?结构构造措施

结构最外层钢筋保护层厚度：内部楼板、楼梯内部结构最外层钢筋保护层厚度为30?mm。具体钢筋保护层厚度见表2。

表2?钢筋保护层厚度

受拉钢筋的锚固长度见表3。留出保护层厚度。围护桩及初期支护等临时结构可按非抗震考虑。当钢筋直径d≤20时，采用绑扎搭接接头或搭接焊接头。在以下情况下钢筋采用机械连接：顶板（拱）、侧墙、底板（拱）、中楼板、梁、柱：钢筋直径 ?≥22采用机械连接。洞柱法基坑支护桩：纵向受力钢筋均采用机械连接；洞柱法基坑支护桩顶冠梁及桩下条基：直径 ?≥25采用机械连接。车站结构在以下情况下：车站结构的顶板、中楼板及侧墙后浇洞口周边钢筋，应采用机械连接；行车道板及行车梁纵向受力钢筋，接头应满足抗疲劳性能要求。

表3?受拉钢筋的最小锚固长度

3.3?混凝土浇筑

混凝土施工必须严格按有关规范、规程、标准操作，在主拱施工完成向下开挖时，主拱结构混凝土强度必须达到设计值。顶纵梁、底纵梁要求一次浇筑完成，其他结构纵向施工缝根据施工工序确定，环向施工缝设于柱距的1/3处，每个柱距只能有一个环向施工缝，每次浇筑两跨，按规定的Ⅱ类工程预防混凝土碱骨料反应措施进行混凝土施工。

4?深厚软土地层基坑支护体系变形特征分析

4.1?地表沉降分析

针对引起支护体系变形尤其是立柱隆起的重要原因——坑内土体隆起进行了专项试验，目的是在常规监测的基础上进一步了解坑底土体隆起的情况、坑底隆起对立柱桩的影响。

基坑周边地表沉降受土层、周围环境和空间效应等因素的影响较大。标准段3个轴线上东西两侧共 6个断面的地表沉降曲线如图1（a）所示，南北端头井共6个断面的地表沉降曲线如图1（b）所示。

图1?各断面地表沉降曲线

（a）东、西侧沉降；（b）南、北侧沉降

从图1可以看出，地下连续墙周边地表沉降均呈U形，即地表沉降随距连续墙距离d先增至最大，后逐渐减小。

标准段周边地表沉降普遍大于端头井地表沉降。标准段最大地表沉降可达100?mm，端头井最大地表沉降在80?mm左右，沉降最大的点基本出现在距离基坑10?m的地方。

基坑标准段两侧地表沉降存在差异，同一轴线上东侧地表沉降（图1（a）实线）略小于西侧（图1（b）虚线），可能与两侧周边环境的差异有关，东侧地表建筑荷载要小于西侧。

4.2?支撑轴力分析

标准段（ZL5剖面）在不同开挖步时各支撑的轴力F如图2所示。第一道钢筋混凝土支撑的轴力随开挖深度H逐渐变小，开挖至坑底时，第1道支撑呈现较大的拉力（–1?800?kN）。应与前面提到的地下连续墙产生较大的侧向变形以及立柱隆起产生的顶力 有关。

图2?标准段（ZL5）各工况的支撑轴力F

（a）开挖深度S1时对应轴力；（b）开挖深度S2时对应轴力；（c） 开挖深度S3时对应轴力；（d）开挖深度S4时对应轴力；（e）开挖深度S5时对应轴力

可以预测，若采用钢支撑，易导致支撑的坠落而发生工程事故。第2道支撑的轴力始终维持在一个较大的状态，第3~5道支撑轴力随深度的增大而增大。钢支撑最大轴力的实测结果（1?500?kN）比设计规范计算出的结果（1?923?kN）略小。第一道混凝土支撑在立柱隆起作用下产生较大的弯矩，由此产生了横向张拉裂缝（图3），表明立柱隆起对第一道混凝土支撑产生了显著的影响。

图3?混凝土支撑产生的横向裂缝

4.3?土体隆起及支护变形分析

从孔压监测孔得到的开挖过程中坑底不同位置的孔压变化可以看出，坑底土层的孔压在开挖过程中逐渐减小。一方面原因是开挖卸载的影响，另一方面原因是降水的影响。

W1孔在2018年12月28日时监测到的孔压变化值如图4所示，此时试验区已开挖至坑底。最终孔压的变化随着深度的增大而线性减小。在埋深24?m处，监测到的孔压变化量仅为35?kPa，考虑到现场开挖卸载以及降水影响，孔压变化的数值可能偏小。

图4?W1孔各测点的最终孔压变化值

S1孔中不同埋深处的隆起量随时间的变化曲线如图5所示。在开挖第1、2层土时，坑底隆起不明显。现场开挖了第4、5层土时，测点监测到的隆起变形为20~40?mm。从坑底回弹标测得的坑底隆起变形可以看出，坑底（埋深20?m处）产生显著的回弹变形，在2018年12月以后，也就是现场开始从北侧往南侧开挖第4层和第5层土。在2019年1月3日测得的总回弹量为0.094?m，即94?mm。

图5?S1测孔的分层沉降

与试验区两根立柱的隆起量对比来看，坑底土体的回弹与立柱隆起的规律总体上是一致的，但立柱的隆起量远小于坑底土的隆起变形，立柱最大隆起量约45?mm，在12月29日至翌年1月2日产生回落，可能的原因是北侧已开挖区域的底板施工。在开挖第4层和第5层土时，仍然有持续向坑内的侧向位移。

地下连续墙的最大侧向位移为38?mm，这样的位移量不足以使坑底土体产生94?mm的隆起，因此可以认为坑底隆起不是单纯由于地下连续墙的侧向位移产生的挤土作用造成。坑底隆起改变了立柱桩的受力模式，最危险的状态并不是抗压承载力不足造成的沉降，而可能是桩身中部由于受拉而产生的结构破坏。因此，当采用加长立柱桩限制隆起量的措施时，有必要进行立柱桩的结构抗拉验算。

5?结论

深基坑是地铁站建设中极为关键的部分，但施工条件错综复杂，需做好深基坑支护作业，维持深基坑的稳定性，以免发生安全事故。施工人员要合理规划深基坑支护施工方案，做好基坑维护过程的保护工作及降水施工中的保护，以期全面优化施工水平，加强基础结构的稳定性和安全性。

（1）试验段坑底回弹标测得的总隆起量为0.094?m，即94?mm。试验区立柱的隆起量要远小于坑底土的隆起，最大隆起量约45?mm。地下连续墙的最大侧向位移为38?mm，理论上这样的位移量不足以使坑底土体产生94?mm的隆起，坑底隆起不是单纯由于地下连续墙的侧向位移产生的挤土作用造成。

（2）从50?m长工程桩的钢筋拉力随深度的变化来看，当开挖至坑底时，坑底隆起范围超过坑底下22?m。因此，在坑底隆起安全性较低的情况下，深部土体的隆起可能是导致立柱产生较大隆起的主要 原因。

（3）坑底回弹改变了立柱桩的受力模式，需重点考虑的危险状态并不是抗压承载力不足造成的沉降，而可能是桩身中部受拉而产生的结构破坏。因此，当采用加长立柱桩限制隆起量的措施时，有必要进行立柱桩的结构抗拉验算。