地铁基坑时空效应理论挖土施工应用浅谈

一、前言：从八十年代末到2000年上海分别建成了地铁一号线与地铁二号线，在工程实践中不断探索，不断总结，不断提高的过程中，老一代地铁建设者发现了软土地基深基坑开挖过程中地层位移变形的“时空效应”规律，这一规律的发现对上海地铁深基坑施工安全起到了决定性的作用。“时空效应”顾名思义即充分利用软土基坑坑内土方开挖后，土体变形在时间和空间上的滞后特性，及时架设支撑与预加轴力平衡围护内外土压力差，从而达到控制围护变形和周边地面变形的挖土与支撑两道工序组合工况效应。

目前正值我公司在大力拓展地铁施工业务之际，将会遇到愈来愈多深基坑挖土施工与周边环境安全保护问题。但由于基坑挖土与支撑安装工序不是工程实体结构的一部分，不存在传统意义上的质量好坏概念，所以往往会在基坑挖土上最大限度的压缩工期，这一做法很可能会产生挖土与支撑两道工序脱节、基坑开挖面过长、后续内部结构底板跟不上挖土速度等问题从而导致基坑围护结构不稳定和周边建筑物、地下管线沉降等。

希望通过我项目部基坑挖土施工的深刻教训，和几点运用“时空效应” 理论顺利完成基坑挖土体会的浅述，以引起一线施工管理人员对运用“时空效应” 理论进行基坑开挖土的重视。

9号线一期七宝车站主体基坑端头井采用800mm厚31米深地墙围护结构，标准段采用600mm厚29米深地墙围护结构；端头井开挖深度16.8m,标准段开挖深度15m左右；端头井与标准段均设5道Φ609×16钢管支撑；坑底下3m采用旋喷桩抽条对撑加固。

基坑北侧距围护22米有一9层在建建筑，钢筋混凝土框架结构，箱形基础埋深5米，大底板下设有32米深Φ800钻孔灌注桩。基坑南侧距围护结构6米有两栋6层砖混结构待迁民房，片筏基础埋深约2米，基底下长期积水，两栋房屋均修建于八十年代，结构尚好。

（一）第一阶段土方开挖

第一阶段基坑沿深度分5层土开挖，沿纵向分为八个开挖段和以6米左右划分为若干小段（分块）开挖。一～二层土开挖深度为相应支撑底下20cm，三～四层土为了满足小挖机操作净空需要，均超挖至相应支撑下1米左右。

基坑开挖时西端头井盾构出洞加固尚未完成，所以先从属于两栋民房范围的第二开挖段开始挖土至第六开挖段第三层土时，西井加固完成又调头开挖第一开挖段（西井）。基坑开挖过程中一道撑安装到位滞后围护结构悬臂受力状态下与地面结合部位均拉开1～2cm；每层土普遍存在超挖现象；二、三、四道撑安装均不及时；五道撑个别部位支撑在土方开挖完成后到支撑安装到位的时间达36h；再加上圈梁施工时破坏该开挖段北围护4个测斜点和南侧2个测斜点，因此没有监测到开挖时该段的围护变形情况，远离开挖区域的测点围护位移速率加大也因存在侥幸心理而未引起重视。

基坑开挖到第二开挖段坑底时（4#房位置），监测方发现4#房西北测点突沉5cm/24h，其余测点沉降速率亦增大，次日加密监测频率发现4#房西北测点继续沉降速率达3cm/12h，同时房屋周边地面及天井房已与房屋主体结构有明显拉裂错位现象。通过采取加撑和加快基坑封底的措施基本稳住4#房屋突沉现象，但由于开挖施工的东移位于4#房东侧的3#房沉降速率也增大达3cm/24h。

（二）第二阶段土方开挖

出现险情后调整土方开挖方案，严格按照“时空效应”理论“分层、分段、分块、均衡、限时、限量、随挖随撑、严禁超挖”原则进行土方开挖，基坑沿深度方向分为六层土开挖，每层土均开挖到相应支撑底下20cm；第5道支撑提高70cm，5道撑下1.4m增设第6道支撑；以每幅地墙宽度为一开挖单元（分块），每块土方开挖与支撑安装时限均控制在16h以内。二阶段土方开挖时严格遵守“时空效应”挖土原则和增设第六道支撑后，基坑围护侧向位移与房屋沉降变形趋向于收敛。

（三）第三阶段土方开挖

顺利通过了建筑保护部位的基坑土方开挖后，为了节省成本，在第二阶段土方开挖的基础上基坑取消了第6道支撑，同时第5道支撑降底70cm，第六层土与第五层土合为一层土一起挖除，每块土方开挖与支撑安装时间控制在12h～16h之间。由于该段没有地面建筑物的超载和严格控制每小块土方开挖的无撑暴露时间， 所以该段基坑围护及周边地面变形均未超过基坑一级安全保护要求数据。

通过七宝车站主体基坑不同工况的三个阶段的基坑开挖与支撑安装施工总结经验和体会如下：

　　（一）一阶段开挖围护变形大与周边建筑物沉降原因分析

1、基坑周边地面有两栋6层房屋超载较大，离基坑较近，由于给水管泄漏房屋基础下卧层土体长期泡水土体软化，抗剪能力大大降低；

2、④层淤泥质黏土层较厚，且顶板埋深较浅，该土层处于第四、第五层土超挖较深，支撑安装拖后的深度范围。淤泥质黏土具有含水量高、孔隙比大、强度低、渗透性差、灵敏度较高的特点，受基坑开挖扰动时易产生流变现象，导致围护结构稳定性差；

3、一道撑安装拖后，开挖面过长，各开挖段基坑相对暴露时间长，累计变形大，土层受扰动大；

4、各层土均存在超挖现象，尤其第四、五层土开挖工况与设计计算工况不一至；

5、挖土与支撑工序没有衔接紧密，支撑安装时间拖后，基坑围护无撑暴露时间长；

综上所述引起围护变形大与周边建筑物沉降原因为：浅层土泡水软化，在土体扰动产生流变现象后在地面超载作用下加上第四、五层土开挖时无撑暴露时间长，所以基坑围护稳定性差，侧向位移剧增，但由于该部位测斜点破坏没及时发现问题，愈演愈烈最后发生2栋房屋出现不同程度的突沉现象。

（二）二阶段土方开挖

二阶段严格按照“时空效应”理论挖土原则进行土方开挖，且增设了第六道支撑和把底板浇筑混凝土时间从7天缩短为3天，开挖时对土层扰动小，支撑及时所以基坑围护与周边建筑物沉降变形趋向于收敛。

（三）三阶段土方开挖

三阶段浅层土严格按照“时空效应”进行挖土，底层土工况虽然与设计计算工况不一致，但由于一～四层土开挖时围护变形小，土层基本没受到扰动，五、六层土一起挖除后支撑快速安装到位充分利用土层位移变形的“滞后“特性，及时利用支撑预加轴力来平衡坑内挖土卸载后引起的围护结构上的土压力差。所以第三种开挖工况下基坑围护与周边地面变形值均未超出基坑一级安全保护要求，

通过七宝车站主体基坑土方初期开挖中由于施工失误造成基坑围护变形徐续剧增与周边建筑物突沉，和后期运用“时空效应”理论指导基坑挖土与支撑安装施工及采取“限时限量、严格控制围护无撑暴露时间、严禁超挖”等挖土措施后，基坑围护与周边环境变形均控制较理想范围内的对比证明了：软土地基深基坑开挖过程中存在地层位移变形的“时空效应”规律。