杭州軟弱地層深基坑變形控制技術(shù)研究

許原騎，曹犇，曹杰

（中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 前言

隨著杭州城市的發(fā)展，地下空間開發(fā)力度逐年增大，特別是2016年G20峰會(huì)、2022年亞運(yùn)會(huì)等重量級(jí)國際活動(dòng)的承辦，使杭州的地下空間開發(fā)空前加快。杭州地下空間位置多處于城市繁華區(qū)域，深基坑工程的實(shí)施帶來了復(fù)雜的環(huán)境保護(hù)問題，尤其嚴(yán)重的是深基坑遇到深厚軟弱地層時(shí)，環(huán)境保護(hù)問題尤為困難。

本文結(jié)合G20峰會(huì)某隧道深基坑工程大變形為例，探索條形深基坑軟弱地層條件下控制基坑變形的關(guān)鍵技術(shù)研究，總結(jié)此類環(huán)境條件特別復(fù)雜苛刻、工程實(shí)施極為困難地段條件下深基坑工程的針對(duì)性措施和建議，以期對(duì)同類工程提供借鑒。在杭州大力開展地下空間時(shí)期，具有借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

本隧道位于紫金港路，南起紫之隧道入口，北至紫金港路立交，隧道西側(cè)為西溪濕地國家公園，東側(cè)現(xiàn)狀為綠地。本工程采用明挖法施工，隧道全長2.1km，基坑挖深約0～13.5m，基坑影響范圍內(nèi)無控制性建構(gòu)筑物。根據(jù)行標(biāo)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）和浙江省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB33/1001-2003），本基坑安全等級(jí)一級(jí)。

圖1 本隧道工程開挖期間基坑鳥瞰圖

針對(duì)本工程環(huán)境條件和環(huán)境保護(hù)的特點(diǎn)，進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，首先需對(duì)原路基地基處理攪拌樁進(jìn)行清障處理；其次，根據(jù)基坑深度和保護(hù)等級(jí)，在不同的地段分別采用了SMW工法樁、600mm厚地連墻、800mm厚地連墻等多種圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式。

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程明挖隧道基坑開挖范圍內(nèi)涉及的土層為填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。其中淤泥質(zhì)土性質(zhì)差，具高壓縮性、易蠕變等特點(diǎn)，自穩(wěn)性差。場(chǎng)地范圍從上而下主要巖土層如下。

①1雜填土：褐灰色～灰雜色，略壓密，其成份較雜，混有建筑垃圾和生活垃圾，性質(zhì)和分布差異較大，土質(zhì)均勻性很差。

①2素填土：松散，成分以粉土或粉質(zhì)黏土為主，夾砂礫和碎石，局部混少量磚瓦碎屑、植物根系，土質(zhì)不均勻，性質(zhì)較差。

③淤泥質(zhì)黏土：流塑，飽和，厚層狀構(gòu)造，含少量有機(jī)質(zhì)和腐植物，易污手，土體較稀軟。無搖振反應(yīng)，土面光滑，韌性高，干強(qiáng)度高。性質(zhì)差，高壓縮性。

④1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土：流塑，飽和，薄層狀構(gòu)造為主，夾有少量貝殼碎屑和腐植物，無搖振反應(yīng)，土面較光滑，韌性中等，干強(qiáng)度中等。該層性質(zhì)差，高壓縮性。

④2淤泥質(zhì)黏土：流塑，飽和，鱗片狀～厚層狀構(gòu)造，含較多貝殼碎片和腐植物，局部夾少量粉土條帶和團(tuán)塊，無搖振反應(yīng)，土面光滑，韌性高，干強(qiáng)度高。該層性質(zhì)差，高壓縮性。

⑥1含砂粉質(zhì)黏土：可塑，厚層狀構(gòu)造，含較多粉砂和少量腐植物，有粉砂夾層分布，局部砂含量較少，為粉質(zhì)黏土或黏土，土質(zhì)不均勻，無搖振反應(yīng)，土面較光滑。性質(zhì)較好，中壓縮性。

⑥2含礫砂層：中密，厚層狀構(gòu)造，礫石含量5～30%不等，粒徑一般為2～5mm，該層沿線顆粒大小不一，分布有含礫中砂、粉砂、含黏性土粉砂等。性質(zhì)較好，中偏低壓縮性。

2 基坑工程大變形規(guī)律及原因分析

2.1 基坑工程大變形規(guī)律

本工程在實(shí)施中出現(xiàn)了以下幾個(gè)現(xiàn)象。

①基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形普遍較大，基本上在100mm以上，最大達(dá)到了160mm；②圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形最大點(diǎn)處于開挖面以下2～3m位置；③地面沉降最大達(dá)200mm；④支撐軸力相對(duì)較小，第一道支撐軸力約1981kN，鋼支撐軸力一般位于1000kN左右，最大2001kN左右。

下面為基坑現(xiàn)場(chǎng)典型斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖表。

圖2 基坑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)深層土體側(cè)向位移示意圖

圖3 基坑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)地表沉降時(shí)程曲線圖

2.2 初步原因分析

基坑開挖的整個(gè)過程實(shí)際上是指基坑開挖面和支護(hù)墻面水平方向的土體的一個(gè)卸載過程。鑒于土體具有流變的這種特性，所以在該土體卸載的過程中，基坑底部的土體會(huì)發(fā)生局部隆起，同時(shí)也會(huì)造成坑內(nèi)及坑外的土體作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力的不平衡，這些變化會(huì)使的土體產(chǎn)生水平方向側(cè)移，而后達(dá)到新的平衡條件。這些作用力還會(huì)使得坑內(nèi)側(cè)土體作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力傾向于被動(dòng)土壓力，而墻外側(cè)土體作用于圍護(hù)結(jié)構(gòu)上的土壓力則傾向于主動(dòng)土壓力。由于墻體發(fā)生側(cè)移的不均勻性，所以土壓力通常并不是線性分布的。墻體發(fā)生側(cè)移使得坑外的土層發(fā)生移動(dòng)，應(yīng)力重分布，并且還產(chǎn)生附加應(yīng)力，形成塑性區(qū)，變形的效果也會(huì)逐步傳到地面并且會(huì)造成地表沉降。

圖4 基坑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圍護(hù)側(cè)向位移、地表沉降與基坑空間關(guān)系示意圖

通過上一節(jié)基坑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)圖表可以看出，土體側(cè)向位移與地面沉降基本匹配，均接近200mm，應(yīng)該說監(jiān)測(cè)基本反映了軟土基坑的變形規(guī)律。圍護(hù)地連墻的側(cè)向位移，引起土體側(cè)向位移，進(jìn)而引起地面沉降。

2.3 關(guān)鍵因素分析研究

通過上一節(jié)的研究可知，深基坑變形主要分為：圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移、基坑底部土體隆起以及基坑周圍土層移動(dòng)。同時(shí)，這三種主要變形方式相互影響，相互限制。

下面根據(jù)基坑開挖變形的這一特點(diǎn)，分析圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度、剛度、地基加固等因素對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移和坑底隆起位移的影響。

2.3.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度對(duì)基坑變形的影響分析

通過改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻的長度，嘗試尋找圍護(hù)結(jié)構(gòu)大變形和支撐軸力小的原因。在此假設(shè)設(shè)計(jì)的坑內(nèi)加固滿足了既定100%的加固效果，通過改變地連墻的嵌入深度，分別采用20.5m、21.5m、22.5m、23.5m地連墻進(jìn)行模擬，分析結(jié)果如圖5所示。

由以上圖表可以看出，在樁體嵌入深度由20.5m增加到23.5m的過程中，深層水平位移的變化并不是十分明顯。尤其是之后增加的2m，對(duì)深層水平位移的影響可以忽略不計(jì)。說明當(dāng)不滿足穩(wěn)定性要求時(shí)，深層水平位移隨著樁體嵌入深度的增加顯著減小。但是當(dāng)樁體嵌入深度滿足穩(wěn)定性要求時(shí)，此時(shí)再增加樁體嵌入深度對(duì)深層水平位移的影響微乎其微，并不能有效的控制深層水平位移。

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌入深度對(duì)變形影響分析圖

2.3.2 圍護(hù)墻剛度對(duì)基坑變形影響分析

通過改變圍護(hù)結(jié)構(gòu)地連墻的剛度，嘗試尋找圍護(hù)結(jié)構(gòu)大變形和支撐軸力小的原因。在此假設(shè)設(shè)計(jì)的坑內(nèi)加固滿足了既定100%的加固效果，通過改變地連墻的厚度模擬地連墻剛度的改變，分別采用600mm、800mm、1000mm厚地連墻進(jìn)行模擬，分析結(jié)果如下。

圖6 圍護(hù)剛度對(duì)基坑內(nèi)力及變形影響分析圖

通過分析可知，在地基加固滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的前提下，同樣基坑條件下，600mm、800mm、1000mm地連墻最大側(cè)向位移分別為34.9mm、29.0mm、25.8mm，而相應(yīng)最大鋼支撐軸力3168kN、3399 kN、3677 kN。可以看出，隨著圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形逐漸減小，而相應(yīng)的支撐軸力逐漸增大，都處于一個(gè)相對(duì)合理的范圍內(nèi)。但3個(gè)地連墻厚度驗(yàn)算中，無論哪個(gè)側(cè)向位移都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基坑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)側(cè)向變形接近200mm的變形值，無論哪個(gè)支撐軸力都遠(yuǎn)大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)1000 kN左右的支撐軸力值。2.3.3地基加固對(duì)基坑變形的影響分析

通過改變地基加固效果，嘗試尋找圍護(hù)結(jié)構(gòu)大變形和支撐軸力小的原因。在此采用本基坑最弱圍護(hù)600mm厚地連墻，通過改變地基加固效果，分別采用30%、50%、70%、100%加固效果進(jìn)行模擬，分析結(jié)果如圖7。

通過分析可知，在600mm地連墻前提下，同樣基坑條件下，30%、50%、70%、100%加固效果時(shí)，地連墻最大側(cè)向位移分別為 50.1mm、44.2mm、39.8mm、34.9mm，而相應(yīng)最大鋼支撐軸力3828kN、3556 kN、3366 kN、3168 kN。可以看出，隨著地基加固效果的增加，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形逐漸減小，相應(yīng)的支撐軸力亦逐漸減小，都處于一個(gè)相對(duì)合理的范圍內(nèi)，顯示出地基加固是起積極作用的。但4個(gè)加固效果驗(yàn)算中，無論哪個(gè)側(cè)向位移都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基坑現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)側(cè)向變形接近200mm的變形值，無論哪個(gè)支撐軸力都遠(yuǎn)大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)1000 kN左右的支撐軸力值。

3 結(jié)論及建議

圖7 地基加固效果對(duì)基坑內(nèi)力及變形影響分析圖

本文對(duì)杭州某軟弱地層深基坑的實(shí)際工程，從設(shè)計(jì)、施工現(xiàn)場(chǎng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等多方面入手，結(jié)合三維數(shù)值模擬分析，論述了控制軟弱地層深基坑變形的控制性因素，總結(jié)和建議如下。

①深基坑采取一定的地基加固措施是必要的?？商岣弑粍?dòng)區(qū)土體的強(qiáng)度，提高了土體的抗隆起能力，還可以減小土體的滲透系數(shù)，防止基坑外側(cè)土體的水向坑內(nèi)滲透，對(duì)減少支護(hù)的變形和地表沉降是很有效的。

②樁體嵌入深度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度對(duì)基坑開挖變形的影響均有一定的影響范圍，當(dāng)樁體嵌入深度以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到控制變形的要求時(shí)，盲目的增加樁體嵌入深度以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度，不僅不能有效地控制基坑開挖變形，還會(huì)造成資源浪費(fèi)，增加成本。