宁波淤泥质软土地区基坑开挖的管理与探索

引言
　　目前，轨道交通深基坑工程在全国正处于大规模的发展期，而深基坑开挖属于危险性较大的分部分项工程，在作业过程中，应重点控制好基坑结构安全，而城市轨道交通深基坑工程多处于闹市区，因此除了要控制好基坑自身安全意外，还应重点控制开挖过程给周边环境带来的不利影响，即周边环境安全。为解决开挖施工给周边环境带来的不利影响及基坑安全问题，首先，应在施工前，进行结构安全风险分析，确定各类风险源，在施工过程中做到有效规避或控制工程建设风险，减少各类风险事故的发生，降低因风险事故造成的损失。同时，在基坑开挖前，应组织专家对设计方案进行论证及优化。在施工过程中，应利用”三图四表冶对基坑开挖过程进行动态管控，以减少无支撑暴露时间及开挖作业面的范围，控制基坑变形。
　　由于宁波淤泥质粘土具有更强的压缩性和流变性，而在宁波地区欠固结土环境下开挖施工，基于基坑变形控制管理的规律研究较少。本文以宁波地区某轨道交通深基坑为研究对象，在开挖施工中进行详实、全面的监测，通过监测数据分析，指导现场开挖作业。并通过监测数据预警机制及“三图四表”对开挖作业进行动态管控，在监测数据超出报警值时，采取相应措施控制基坑变形。通过上述过程，总结出了在宁波这种淤泥质粘土地质条件下的基坑变形控制管理经验、基坑变形规律及一些基于宁波地区基坑变形控制的建议。
1　工程概况
　　东环南路站基坑全长为303.1m，标准段宽度为19.9m，开挖深度为16.5m；西端头井宽度为24m，开挖深度为17.8m；东端头井为不规则的喇叭形，最宽处为43.4m，开挖深度为20.6m。标准段采用抽条加裙边加固，抽条及裙边加固宽度为3m，加固有效桩长为3m，抽条非加固区宽度为6m；端头井采用网格加固，加固有效桩长为3m。西端头井及标准段支撑体系采用第一道砼支撑、第二～五道钢支撑型式，东端头井采用第一～五道砼支撑型式。




　　东环南路站基坑平面图东环南路站开挖施工涉及到地层①1-1层杂填土、①2层灰黄色粘土、①3层灰色淤泥质粘土、②2-1层灰色淤泥、②2-2层灰色淤泥质粘土。
2　开挖施工前基坑风险评估及设计方案的优化
　　2.1　基坑开挖前的风险源分析在基坑开挖前，首先应进行结构安全的风险分析，确定各类风险源，在施工过程中做到有效规避或控制工程建设风险，减少各类风险事故的发生，降低因风险事故造成的损失。
　　根据宁波市轨道交通工程施工风险发生的概率和损失程度，将工程风险等级分为四级，并对风险等级进行了1-25的评分估值，分值越大，风险越大。该地铁站的风险评估见下表2。
　　2.2　基坑开挖前的设计方案优化
　　根据以上的风险评估，结合东环南路站基坑的实际情况，确定了如下风险源：基坑变形过大；土体纵向滑坡；支撑失稳；挖土设备选型不当；土方收底时间过长；重载车辆对基坑的不利影响；基底隆起；立柱、联系梁设置影响挖土；支撑坠落；挖机碰撞支撑等。在基坑开挖过程中，针对上述风险源，应重点关注并采取相应的措施予以规避。鉴于此，项目部在基坑开挖前，通过不断地讨论及研讨，对基坑设计方案进行了如下优化措施：
　　（1）增设混凝土支撑，增加支撑体系的整体稳定性及刚度




　　因东环南路站东端头井为宽大异型基坑，端头井宽度达43m，形状为不规则的扇形。为确保基坑开挖安全，东端头井支撑体系采用了5道800×800的砼支撑。开挖完成后，地墙最大累计测斜变形量为75mm，而标准段地墙最大累计测斜变形量普遍为120mm左右，基坑变形得到了较好的控制。

　　为更加有效的控制基坑变形，增设一道砼支撑，砼支撑距离坑底2.7m。后在土方收底阶段，地墙测斜数据明显减小，有效地控制了收底阶段的基坑变形。
　　（2）架设临时钢支撑，减小围护结构变形量
　　为控制基坑变形，采取了架设临时钢支撑的措施：a、在进行第四层土方开挖前，先将第三道钢支撑变更为双拼钢支撑，再进行土方开挖作业；b、收底时，在坑底以上1250px处增设一道临时钢支撑，待垫层达到一定强度后，拆除此处临时撑，进行换撑，再进行底板结构施工；c、在基坑变形较大处（一般为相邻两层土方坡角处及结构施工缝处）及时架设临时钢支撑。
　　（3）增设栈桥板，确保双边出土
　　东环南路站因场地条件限制，基坑北侧无施工便道，只能在南侧采取单边出土的方式。后采取在基坑北侧增设钢筋混凝土栈桥板的方式，将施工便道向基坑内延伸，增加了便道宽度，实际基坑开挖时采用双边出土方式，加快了出土效率，减少了无支撑暴露时间。
　　（4）取消下翻梁施工
　　在基坑收底时，由于下翻梁的施工，致使无支撑暴露时间过长，基坑变形较大。可将底板下翻梁变更为底板暗梁，同时，增加底板板厚。
　　（5）取消钢支撑连系梁
　　东环南路站钢支撑中间设置有连系梁，致使土方开挖时：a、不能采取长臂挖机进行挖土作业，挖土效率低；b、延长了支撑架设时间，且抬高了钢支撑与开挖面的间距；c、影响小挖机的施工，增大了基坑中部开槽面积。故在保证基坑安全的前提下，应取消连系梁的架设。
3　开挖施工中基坑变形情况及其控制措施
　　对于基坑的变形控制，应采取预防和控制相结合的原则，在基坑开挖过程中，也应该实时监测并采取有效措施控制基坑变形。在东环南路站基坑开挖过程中，采取了很多措施控制基坑变形及周边建筑物沉降，这些措施均取得了较好的效果，最终基坑开挖得以顺利完成。现对基坑变形过大原因及其应对措施进行如下总结，见表3。


4　关于基坑变形控制的思考与建议
　　4.1　施工单位与设计单位的作用
　　在基坑变形控制中，施工单位与设计单位起重要作用。施工单位通过合理的施工技术方案及施工组织，可以尽可能的减少基坑变形量；设计单位应结合最不利工况，考虑现场实际，进行优化设计方案。如东环南路站加固区的设计与优化，东环南路站底板位于的地层为②2-2淤泥质粘土，深度达6～10m，而加固深度仅为3m；标准段采用抽条与裙边加固，抽条加固宽度为3m，抽条非加固区为6m，宽度较大，约束地墙不利；基坑全长303m，其中间未设置封堵墙，长边效应显著。
　　4.2　关于支撑方面的建议
　　（1）钢支撑
　　因基坑变形量较大，在开挖过程中，采用了架设临时钢支撑的方法来控制基坑变形。虽然取得了一定的效果，但是也有其弊端。如临时支撑撑位不合理，架设过密，影响挖土效率，且在开挖过程中，抓斗容易碰撞钢支撑，导致支撑轴力损失及造成安全隐患。
　　架设临时钢支撑虽然在控制基坑变形上取得了一定的效果，但这属于被动的控制措施，只能控制变形趋势不再增大。因此，应在设计阶段对支撑体系进行优化，如有必要，应提前进行双拼支撑的设计，施工单位根据设计图纸提前准备，更加合理有效的布设钢支撑，采取事前主动控制措施，这样才能取得更好的效果。同时，选用活络头及法兰盘平整的钢支撑，确保活络头与地墙接触面的平整与密实。
　　（2）混凝土支撑
　　第四道支撑改为砼支撑后，地墙累计最大变形速率值所在的位置下移明显；在第七块底板（16至18轴）土方开挖完成及架设临时支撑后，短时间内（一般2至6个小时内），地墙最大变形速率值从开挖面以下2至3m到墙底变化，说明地墙的悬臂效应明显，原因在于地墙本身的刚度及土层性状。
　　4.3　关于变形监测的建议
　　（1）应合理的设定报警值，报警值的设定按照设计计算，应有以下3项变形数值：变形数据总量控制；变形数据分部工况控制；变形数据每日控制。
　　（2）出现监测数据报警后，应对监测数据进行分析：施工过程有违反设计、规范及施工方案的行为，应立即进行整改；若无上述行为，应分析原因，根据需要研究附加措施。
　　（3）收底阶段，监测与工况需匹配一致，如浇筑垫层前后监测数据变化速率及架设临时钢支撑后监测数据变化速率或在一定时间内（12个小时或24个小时）的变化速率等来判断变形数据是否收敛及采取的措施的有效性。
　　（4）由于地墙的悬臂效应，致使在短时间内地墙变形最大速率位置一直在变化，难以判断数据是否收敛，故建议选取开挖面或加固体底部面作为判断数据是否收敛的依据。
　　4.4　关于设计方面的建议
　　（1）连系梁及下翻梁设计是增加挖土施工中无支撑暴露时间的一个关键因素，在控制基坑变形前提下，此项设计对施工单位施工能力要求较高，即要求施工单位必须具有配备设备要足量、小型及完好，施工作业要精细等能力，在实际施工中，在东环南路站现场配备了抓斗式挖机、长臂挖机及小挖机等多种挖土设备，尽量满足设计要求的施工能力，但设计时需考虑目前国内的机械技术及施工水平。
　　在东环南路站施工过程中，由于基坑宽度较宽，设计未能取消连系梁，导致在开挖过程中不能采用工效较高的长臂挖机，只能采用抓斗来垂直运输土方，无支撑暴露时间增加，对于控制基坑变形不利。
　　（2）建议坑内三轴搅拌与地墙之间填充的旋喷桩要高于设计要求，即加大设计强度与深度；同时，加大抽条及裙边加固范围与深度，以提高坑内加固体的暗撑作用。东环南路站底板下卧层为222-2淤泥质粘土，且部分层厚约7米，通过对监测数据报警规律的分析，符合目前东环南路站坑底加固和地质情况，建议同类设计中应考虑软土层地基加固应具有针对性，如厚度加深、范围加大。
　　（3）宽大基坑应应合理的设置封堵墙，以减少长边效应对基坑变形及周边环境的影响。
　　（4）在开挖最后一、两层土方时，即使采取架设临时钢支撑甚至砼支撑、严格控制无支撑暴露时间等措施，地墙测斜数据变化量仍较大，可以在一定程度上说明，围护体系（地墙、支撑体系及地基加固）的刚度与现实的工况不是很匹配。
　　4.5　基坑开挖管理的数字化展望
　　（1）在东环南路站基坑开挖过程中，由于钢支撑轴力损失导致基坑变形量过大的事件屡有发生。是否能够设计一种实时预应力补偿器，钢支撑轴力按设计要求施加完成后，当钢支撑轴力出现损失的情况，这种预应力补偿器能及时进行预应力复加，使钢支撑轴力值能够一直维持在设计轴力值附近。
　　（2）实时监测，建立数字化的监测数据管理平台，对各项监测数据能够实时采集和管理，这样更加有利于分析现场工况与基坑变形间的关系。