1、地铁车站软土基坑开挖过程中的时空效应分析蒋洪胜 刘国彬 刘建航摘 要 软粘土深基坑开挖过程中的时空效应是客观存在的。上海地铁二号线某车站基坑工程在降水不理想的情况下，按常规作法挖至坑底时挡墙最大水平位移为 101.46 mm；而按时空效应法施工，挡墙的最大水平位移仅分别为 63.78 mm 和 55.7 mm。由工况跟踪记录和挡墙横向位移的整理分析，揭示了基坑开挖过程中的时空效应规律，为软土基坑施工提供了可行的经验。关键词 软土基坑开挖 时空效应 挡墙位移 支撑分类号 TU 941ANALYSIS OF TIMESPACE EFFECT DURING THE SOFT SOIL FOUNDAT
2、ION PIT EXCAVATION IN A SUBWAY STATION PROJECTJIANG Hongsheng LIU Guobin LIU JianhangAbstract The timespace effect during the softclay soil foundation deep pit excavation is an objective reality.According to the conventional construction method for a station of Shanghai Subway No.2 project being car
3、ried out at an undesirable dewatering situation,it has been found out that at their foundation beds,the retaining wall s maximum displacement is 101.46 mm. Nevertheless,according to the timespace effect method,the retaining walls maximum horizontal displacements are 63.78 mm and 55.7 mm respectively
4、.Keeping pace with the investigation data and survey records,and making a comprehensive study of the retaining walls transverse displacement,it has revealed the law of timespace effect during foundation pit excavation and provided practical experiences in this situation.Key words soft soil foundatio
5、n excavation,timespace effect,retaining walls displacement,strut时空效应理论最先应用于上海地铁一号线，在地铁二号线工程中得到进一步发展，现已推广到其他大型基坑工程中，并逐步为广大的从事基坑工程的设计及施工人员所理解和掌握。实践充分证明采用“分层、分块、对称、平衡、限时”的时空效应法施工，明显地减小了地下墙的横向位移与地面沉降，取得了明显的社会经济效益。1 时空效应原理及时空效应法施工在软土基坑开挖中，适当减小每步开挖土方的空间尺寸，并减少每步开挖所暴露部分的基坑挡墙未支撑前的暴露时间，是考虑时空效应、科学地利用土体自身控制地层位移
6、的潜力，以解决软土深基坑稳定和变形问题的基本对策。以此为指导思想，形成了基坑工程的设计和施工方法。考虑时空效应的基坑施工方法的主要特点是：根据基坑工程设计所选定的主要施工参数，按基坑规模、几何尺寸、支撑形式、开挖深度和地基加固条件，提出详细的可操作的开挖与支撑的施工程序及施工参数。开挖与支撑的施工工序基本是按“分层、分步、对称、平衡”的原则来控制的，最主要的施工参数是分层开挖的层数、每层开挖深度，以及基坑挡墙被动区土体开挖后挡墙未支撑前的暴露时间和暴露的宽度及高度。在大面积不规则形状的高层建筑深基坑工程中，基坑挡墙被动区土体在基坑中间部分地层先开挖的过程中被保留作为支承挡墙的土堤，此土堤断面尺
7、寸按其能抵住挡墙的要求而定，亦为主要设计参数。严格按选定的施工程序和施工参数施工，就能使复杂多变的施工因素，变为较明确而有规律性的施工因素，其引发的时空效应也能较好地符合设计预期的要求。2 工程应用2.1 工程地质概况某车站长 269 m，宽 19.64 m，采用地下连续墙(墙厚 600 mm，深 26 m)，加钢管内支撑( 609)，标准段处的支撑及坑底标高如图 1 所示。勘探结果表明：场区 50 m 深度范围内土层按其土性、地质年代、成因类型及物理力学指标划分为 7 层，其中、层各分别为 2 亚层，地基土层的物理力学性质指标均采用分层统计，按算术平均，提供各土层的性能指标，验算边坡稳定性采
8、用固结快剪强度峰值 C、 ，验算地基容许承载力采用固结快剪峰值的 70(表 1)。图 1 车站基坑标准段处基坑支护剖面表 1 车站基坑地基土的物理力学指标团结强度峰值层序 土层名称 厚度（m）含水率（ %）湿密度（g/cm 3） 孔隙比 C 1 人工填土 0.82.3 2 浜填土 1.52.6 1 褐黄色粉质粘土 1.02.5 30.4 1.91 0.864 21.0 24.02 灰色砂质粉土 1.54.5 34 1.85 0.959 9.0 24.0 灰色淤泥质粉质粘土 1.55.5 41 1.79 1.153 14.0 12.0 灰色淤泥质粘土 6.010.0 50.2 1.72 1.40
9、2 17.0 10.01 灰色粘土 1.08.5 38 1.82 1.086 20.4 13.02 灰色粉质粘土 0.05.4 28.7 1.90 0.861 23.0 14.01 暗绿色粘土 2.74.5 23.9 2.01 0.684 32.2 25.42 草黄色粉质粘土 1.04.3 24.7 1.98 0.725 41.0 28.01 草黄色砂质粉土 3.06.0 32.6 1.86 0.920 8.0 31.72 草黄色细粉砂 27.8 1.94 0.781 0 33.5注:C 单位为 kPa。2.2 基坑开挖方案该车站基坑开挖过程中，考虑时空效应的标准开挖方法是：首次开挖两道撑的深
10、度，开挖标高为5.600 m ，开挖宽度为两道支撑间距(6 m)，无支撑暴露时间限制在 16 h 以内；第二次开挖到第三道撑标高处(9.100 m)，开挖宽度为 12 道撑间距(3 6 m)，无支撑暴露时间限制在 12 h 以内；第三次开挖至第四道撑标高处(12.300 m)，开挖宽度为 3 m，无支撑暴露时间限制在 8 h 以内；第四次开挖至坑底标高处(14.030 m)，开挖宽度为 69 m，且在 2 d 内开始浇筑垫层及底板。通过对该车站基坑开挖全过程的工况的跟踪记录，发现大多情况下是执行该作法的，但个别情况下施工单位为抢进度而使一次开挖宽度及无支撑暴露时间超出上述标准。工况划分如图 2
11、 所示。 图 2 基坑开挖工况划分2.3 基坑开挖过程中时空效应与挡墙位移的相关性分析A2、A 3、A 5、A 6 测点处墙体位移随时间的变化如图 3、4、5、6 所示(图中数字为开挖深度，单位 m)。对 A2、A 3 点分析比较，在开挖到 9 m 深时，二者挡墙体的最大位移是接近的，但最终在底板混凝土浇筑完毕时，A 2 点横向位移为 101.46 mm，A 3 点横向位移为 75.63 mm，相差很大。通过工况调查发现，A 2 点是由于施工单位当时对时空效应法施工尚不得要领，在12.300 m 深度处连续开挖近 18 m宽度，导致该测点处从开挖到支撑架设时间间隔长达 36 h，而 A3 点在
12、开挖第四道撑时按时空效应法规范操作。比较看来，在12.300 m 深度处持续的时间段末的位移，A 2 点为 98.16 mm，A 3 点为69.71 mm。说明在基坑开挖深层土体时土体无支撑暴露时间越长，在高应力水平下，由于流变，挡墙横向位移大幅度增加。对 A3、A 5 点做进一步的分析比较。由于施工因素，在开挖至 5.600 m 时，A 3 点挡墙最大横向位移为 25.19 mm，在此标高处持续时间长达 34 d，致使其最大位移达到 51.65 mm；而 A5 点在该标高处持续时间段末的最大横向位移值为 18.40 mm，但最终在底板混凝土浇筑完毕时， A3 点的最大横向位移为 75.63
13、mm，而 A5 点为 63.86 mm，二者之间的差距已显著减小。通过对工况的调查发现，A 3点之所以在开挖第三、四道撑及浇筑垫层及底板混凝土的过程中挡墙的最大变形量增加值与 A5 点比较是很小的，原因在于 A3 点在由 9.100 m(第三道支撑)到12.300 m(第四道支撑)直至14.030 m(清底)和浇垫层、底板混凝土时开挖很快，仅用 12 d。而 A5 点从9.100 m 深度到清底的持续时间为 25 d，由此可以说明，沿基坑深度方向，开挖支撑速度快，可以更加充分地利用土体开挖的时空效应，减小挡墙变形。由于挡墙的变形有一定的时间滞后性，可以在很短的时间内使基坑内被动土体抗力来不及产
14、生流变而衰减，从而充分利用土体自身抵抗变形的潜力。对(A 5、A 6)和(A 2、A 3)两组点做一对比分析。由于(A 2、A 3)点是一次开挖两道撑，在5.600 m 深度的时间段的初期，其挡墙的最大变形值为 25.19 mm，而 (A5、A 6)点是在基坑开挖2.000 m 深度时施加一道撑，而后开挖至5.600 m 深，当时测得挡墙最大横向变形分别为 7.38 mm 和 4.8 mm，尽管A3 点在开挖第三、四道撑以及清底浇筑垫层、底板混凝土的持续时间较短，但其最终变形 75.63 mm，仍然大于 A5 点的 63.86 mm 和 A6 点的 55.70 mm。所以基坑开挖过程中严格控制
15、挡墙初期变形值，对于改善基坑开挖过程中挡墙的受力状态以及控制挡墙的最大变形都具有重要意义。以上分析结果清楚地表明，首次开挖一道撑的深度比首次开挖两道撑的深度可较明显地减小墙体的位移量。 3 基坑开挖施工参数通过对地铁一号线和二号线以及其他一些深大基坑现场施工的研究，在开挖的时间和空间符合现场施工机械的最大施工能力和施工条件下，地铁车站施工中施工参数一般情况下可参考表 2 取值。保护等级 每次支 开挖面位置 开挖空间（宽 时间限撑数量 （m） 深长） （m） 制（h）特一 121.500 31.52061.520616特一 125.500 342064201024一 229.200 63.720
16、 2428特一 2212.500 63.220 2428特一 垫层 15.000 62.520122.52032724 结语软粘土深基坑开挖过程中的时空效应是客观存在的，在设计和施工中深刻理解和掌握这一规律，对于节约投资、保护基坑周围环境无疑具有重要的现实意义。本工程在降水效果不理想的情况下，A 2点开挖至坑底时的最大位移为 101.46 mm，而 A5、A 6 点则由于按时空效应法施工，在开挖至坑底时二者挡墙的最大水平位移分别为 63.78 mm 和 55.7 mm，同样达到了保护基坑和基坑周围环境的目的。采用考虑时空效应的施工工艺及以控制围护挡墙无支撑暴露时间和一次开挖空间大小为主的施工参数，在已试行的深基坑工程中均取得了显著的技术经济效果。正确运用时空效应规律的新施工工艺，可以使软土基坑工程的设计和施工实现重大变革，改变现在国内外软土地区基坑单纯以大量人工加固基坑来控制变形的作法，代之以科学的经济合理的施工工艺，从而达到保护基坑、减小变形的目的。 作者单位：蒋洪胜、刘国彬，同济大学地下建筑与工程系，200092，上海刘建航，上海地铁总公司，总工程师，中国工程院院士收稿日期：19981005
