廣州地區(qū)花崗巖殘積土中地鐵深基坑開挖的變形分析及對(duì)策

摘 要：目前，廣州地鐵建設(shè)正在向廣州東部地區(qū)延伸，面對(duì)廣州東部地區(qū)廣泛分布的花崗巖殘積土的特殊性質(zhì)，如何提前預(yù)防風(fēng)險(xiǎn)、科學(xué)推進(jìn)工程的開展一直是大家普遍關(guān)注的問題。文章以花崗巖殘積土的性質(zhì)為立足點(diǎn)，通過在花崗巖殘積土地層中開挖的某基坑為例，對(duì)開挖過程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，并探討相應(yīng)對(duì)策以及其合理性。

關(guān)鍵詞：深基坑；花崗巖殘積土；變形分析

1 花崗巖殘積土的成因及工程特性

1.1 花崗巖殘積土的成因和分布情況

花崗巖殘積土主要為花崗巖和混合花崗巖節(jié)理發(fā)育，經(jīng)過物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化后殘留在原地的碎屑物。花崗巖的主要成分是石英、長石、云母以及角閃石，質(zhì)地堅(jiān)硬，性質(zhì)均一。但是因長石和云母具有節(jié)理，在熱脹冷縮過程中，花崗巖表面容易產(chǎn)生裂隙，且因南方氣候溫潤濕暖，雨量充沛，化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)烈，占花崗巖主要成分的長石在水、空氣等的作用下發(fā)生水解和酸化，最終風(fēng)化成土?；◢弾r殘積土通常表現(xiàn)為砂礫質(zhì)土、砂質(zhì)粘性土以及粘性土組成的混合體。

花崗巖廣泛分布在福建、廣東以及湘、贛一帶。在閩、粵地區(qū)，花崗巖的出露面積占全國花崗巖總出露面積的30%～40%。

1.2 主要工程特性

花崗巖殘積土在天然狀態(tài)下，強(qiáng)度較高，但具有如下特性：

不均勻性：花崗巖殘積土的顆粒級(jí)配的分布特征表現(xiàn)為“兩頭大、中間小”，即粗顆粒（粒經(jīng)大于0.5mm）以及細(xì)顆粒（粒徑小于0.005mm）的顆粒含量較多，中間顆粒含量較少，由粗粒構(gòu)成土骨架，粗粒之間主要由游離氧化物包裹以及填充實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)，孔隙比較大?；騺碜栽瓗r礦物性質(zhì)，又具有砂性土的性質(zhì)。且由于花崗巖中的巖脈抵抗風(fēng)化的能力具有差異性，導(dǎo)致花崗巖殘積土還具有顯著各向異性，原生及次生結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度顯著低于土體的強(qiáng)度。工程性質(zhì)復(fù)雜。

軟化性：花崗巖殘積土中含有較多的可溶于水的游離氧化物，在土體中起膠結(jié)作用。當(dāng)土體的含水量增加時(shí)，這些游離氧化物的溶于水，膠結(jié)作用喪失，土體強(qiáng)度隨之降低，壓縮性相應(yīng)增大。

崩解性：經(jīng)崩解試驗(yàn)研究，可知花崗巖殘積土只需要在水中浸泡10min左右，就會(huì)快速地崩解，并呈散粒狀、片狀或塊狀剝落崩解的狀態(tài)。

2 工程實(shí)例分析

2.1 設(shè)計(jì)概況

廣州市軌道交通二十一號(hào)線某區(qū)間中間風(fēng)井位于廣汕公路北側(cè)，也作為盾構(gòu)始發(fā)井，結(jié)構(gòu)占用公路北側(cè)綠化帶、輔道及空地。交通疏解后，圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離公路最近距離為5.2m。

（1）工程地質(zhì)情況描述。目前提供的工程勘探資料表明，場地工程地質(zhì)相對(duì)復(fù)雜，基坑開挖所涉及到的地層從上到下依次為：<1>雜填土層、<3-2>中粗砂層、<4N-2>粉質(zhì)粘土層、<5Z-1>花崗片麻巖可塑狀殘積土層、<5Z-2>花崗片麻巖硬塑狀殘積土層、<6Z>花崗片麻巖巖石全風(fēng)化帶、<7Z>花崗片麻巖巖石強(qiáng)風(fēng)化帶。

地下水位平均埋深2～3m，基巖風(fēng)化裂隙水發(fā)育。

（2）施工情況概述。中間風(fēng)井平均開挖深度約達(dá)到20.48m，且基坑下方為花崗巖殘積土，中間風(fēng)井基坑內(nèi)土方共計(jì)4層，從上到下層高依次為4.23m、5.5m、5.75m、5m，基坑第1～3層土方開挖深度為1m～16.6m，土方開挖工況統(tǒng)計(jì)詳如表1所示。

基坑共計(jì)1040平方米，考慮到降水需要，基坑內(nèi)共設(shè)置2口降水井，單口降水井降水范圍約為200平方米。基坑共設(shè)置4道支撐，其中第1道支撐為混凝土支撐，第2道、第3道以及第4道斜撐為混凝土支撐，直撐為鋼支撐。

基坑共設(shè)置8個(gè)墻體水平位移監(jiān)測孔、4個(gè)土體水平位移監(jiān)測孔、2個(gè)立柱沉降監(jiān)測孔、10個(gè)混凝土支撐軸力監(jiān)測計(jì)、9個(gè)鋼支撐軸力計(jì)，另外還設(shè)置有墻頂水平位移監(jiān)測孔、坑外地下水位監(jiān)測孔、地面沉降監(jiān)測孔、管線沉降監(jiān)測孔、房屋沉降監(jiān)測孔等，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖1所示。

施工過程中，正值當(dāng)?shù)赜昙荆┕挝粐?yán)格按照施工方案執(zhí)行。

2.2 監(jiān)測情況及變形規(guī)律分析

2.2.1 墻體水平位移。

J05位于基坑?xùn)|側(cè)中部連續(xù)墻上，現(xiàn)以該點(diǎn)為研究對(duì)象進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析。基坑從基坑?xùn)|側(cè)土方開挖及支撐架設(shè)期間，其水平位移變化情況如圖2所示。

由上述監(jiān)測情況，可以看出：（1）在開挖第1～3層土方的過程中，J05所在的墻體在開挖面位置持續(xù)向基坑內(nèi)位移，連續(xù)墻墻頂持續(xù)向基坑外位移，并且隨著基坑開挖深度增加，地下連續(xù)墻在開挖期間變形速率及變化量不斷增大。支撐架設(shè)之后，墻體變形趨于穩(wěn)定。墻體測斜變化情況符合連續(xù)墻變形規(guī)律。（2）在開挖至最后一層土方時(shí)，連續(xù)墻水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示連續(xù)墻發(fā)生整體向基坑外傾斜的情況，且在墻頂變化速率較大。結(jié)合支撐軸力的監(jiān)測情況，第一道軸力以及第二道支撐軸力未明顯減小，與此相反，最下面一道支撐軸力明顯增大。通過與墻頂位移監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，可判定連續(xù)墻出現(xiàn)踢腳變形。（3）基坑進(jìn)行最后一層土方開挖至墊層澆筑完成期間，連續(xù)墻持續(xù)發(fā)生踢腳形變，且變化速率較大（一般為3mm～5mm），至墊層澆筑完成后，連續(xù)墻踢腳變形速率逐漸趨于穩(wěn)定（每天位移小于1mm）。

2.2.2 變形原因分析。根據(jù)連續(xù)墻變形原理和東側(cè)基坑開挖時(shí)的施工情況，對(duì)上述墻體的變形情況進(jìn)行分析，認(rèn)為連續(xù)墻出現(xiàn)上述變形的原因如下：（1）在開挖第1層土至第3層土體的過程中，土體的應(yīng)力不斷釋放，但是在支撐未架設(shè)之前前，并沒有有效的措施為連續(xù)墻提供支撐反力，故連續(xù)墻不斷產(chǎn)生變形。在支撐架設(shè)之后，地下連續(xù)墻的變形得到了有效控制。（2）中間風(fēng)井的基坑開挖深度約為21m，地下連續(xù)墻插入土體內(nèi)的深度約為5m～5.5m。當(dāng)基坑開挖至最后一層土方時(shí)，受連續(xù)的暴雨影響，基坑內(nèi)有較多的積水，基坑底部的7Z花崗巖強(qiáng)風(fēng)化全土遇水發(fā)生崩解，土體強(qiáng)度迅速降低，導(dǎo)致土體主動(dòng)土壓力大于被動(dòng)土壓力，連續(xù)墻發(fā)生踢腳變形。（3）開挖時(shí)間正好為廣州的雨季，受天氣影響，最后一層土方開挖未形成24h連續(xù)作業(yè)，致使墊層無法在短時(shí)間內(nèi)施作，基底長時(shí)間暴露。（4）在基坑開挖過程中，基坑內(nèi)設(shè)置的2口降水井在不能滿足基坑的降水需要，致使基坑內(nèi)部分區(qū)域降水效果不明顯，土方開挖見底后，地下水從基底滲流至開挖面，加速了開挖面土體的崩解。

3 對(duì)策

3.1 水的控制

由于水對(duì)花崗巖殘積土的性能影響很大，所以在花崗巖殘積土地層中開挖基坑時(shí)，應(yīng)特別注意對(duì)水的控制。

對(duì)于地下水，根據(jù)地層和地下水的分布情況，提前考慮地下水沿巖層裂隙向上滲入的可能，在開挖過程中采用分層降水、跟蹤水位的方法進(jìn)行。開挖至地下水位標(biāo)高前的超前抽水時(shí)間不少于14天。緊密跟蹤水位降低的情況，需保證水位應(yīng)始終低于各層開挖面1～2m。

在基坑開挖過程中，基坑內(nèi)匯水坑應(yīng)設(shè)置在基坑中部、遠(yuǎn)離地下連續(xù)墻的位置。施工過程中，應(yīng)避免在連續(xù)墻的墻角位置積水，防止墻角土體遇水發(fā)生崩解軟化的情況，以防止連續(xù)墻的變形。

在開挖至最后一層土方時(shí)，除采取井點(diǎn)降水外，還應(yīng)在基底采用碎石盲溝進(jìn)行排水，避免基底泡水軟化。施工前應(yīng)該查看近期的天氣預(yù)報(bào)，選擇在連續(xù)晴天時(shí)進(jìn)行開挖。倘若無法避免時(shí)，應(yīng)該在基底預(yù)留1m高土層，等待雨停及坑內(nèi)明水全部抽除之后，再快速地進(jìn)行開挖清底，并及時(shí)施作接地網(wǎng)、盲溝、澆筑墊層封底。

3.2 及時(shí)架設(shè)支撐。

在基坑開挖的過程中，土體卸荷，對(duì)地下連續(xù)墻的變形影響較大。故在基坑開挖過程中，嚴(yán)禁超挖。土方開挖時(shí)也應(yīng)盡量一次開挖到位，并及時(shí)架設(shè)支撐或施作墊層封底，防止基坑臨空面多次擱置，減少基坑無支撐暴露時(shí)間。

3.3 加強(qiáng)監(jiān)測

在基坑開挖以前，應(yīng)依據(jù)規(guī)范以及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有關(guān)要求，確定基坑監(jiān)測項(xiàng)目的監(jiān)控報(bào)警值，并測得初始觀測值，監(jiān)測時(shí)間間隔應(yīng)該根據(jù)施工進(jìn)度適當(dāng)調(diào)整。當(dāng)測得的變形超過報(bào)警值或者監(jiān)測的結(jié)果變化速率較大時(shí)，應(yīng)當(dāng)加密觀測次數(shù)。當(dāng)出現(xiàn)事故征兆時(shí)，則應(yīng)當(dāng)改為連續(xù)監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測信息的反饋情況及時(shí)調(diào)整施工的方法。

3.4 提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

鑒于花崗巖殘積土具有遇水易軟化等特殊性質(zhì)，在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體地質(zhì)情況，適當(dāng)加深連續(xù)墻的嵌固深度，增加墊層厚度及混凝土標(biāo)號(hào)，必要時(shí)在墊層內(nèi)設(shè)置鋼筋，增加墊層強(qiáng)度，為連續(xù)墻提供支撐，防止墻體進(jìn)一步變形。

3.5 加固處理

若連續(xù)墻發(fā)生踢腳變形時(shí)，應(yīng)立即架設(shè)臨時(shí)支撐以穩(wěn)固墻體，采用墻角注漿加固處理的措施提高連續(xù)墻所受被動(dòng)土壓力，保證基坑安全。

3.6 其他

在基坑開挖的過程中，采用井點(diǎn)降水法降低地下水位的同時(shí)，往往會(huì)導(dǎo)致其周圍地區(qū)地下水位也隨之下降，土體中因失去水而被壓密固結(jié)，最終導(dǎo)致周圍的鄰近建筑物發(fā)生不均勻沉降。

為了防止上述情況的發(fā)生，可對(duì)周圍建筑物邊上預(yù)埋穿透砂層的袖閥管，并進(jìn)行跟蹤注漿。但若遇到開挖面上部土體遇水崩解時(shí)，宜采用wss雙液注漿設(shè)備對(duì)基底進(jìn)行注漿加固，或采用在基坑周圍增設(shè)回灌井的方式控制周圍地層的不均勻沉降，將抽出的地下水通過回灌井點(diǎn)持續(xù)地再灌入地基土層內(nèi)。

4 結(jié)束語

在文章案例中，面對(duì)風(fēng)險(xiǎn)，施工單位積極采取上述應(yīng)對(duì)措施，取得了良好的效果，保證了基坑安全。在花崗巖殘積土中開挖基坑時(shí)，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到地層的特殊性質(zhì)，因地制宜，積極預(yù)防，提前部署，密切關(guān)注水對(duì)基坑安全性的影響，應(yīng)急措施應(yīng)科學(xué)合理，將工程風(fēng)險(xiǎn)維持在可控的范圍內(nèi)。

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