深厚軟土地層中深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形分析與應(yīng)對措施

秦泳生

（廣州市設(shè)計(jì)院 廣州 510620）

在深厚軟土地區(qū)進(jìn)行深基坑開挖，往往存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)，本文擬從設(shè)計(jì)角度分析某深基坑施工過程中基坑變形的原因及特點(diǎn)，闡述在施工過程中采用的成功措施，并通過基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，指導(dǎo)后續(xù)基坑土方開挖作業(yè)，進(jìn)一步保障基坑安全。

1 工程概況

1.1 周邊環(huán)境

某基坑總長209.00 m，寬度為19.70 m，深度約為17.58 m，如圖1所示。

圖1 基坑總平面Fig.1 Foundation Pit Plane

主體基坑周邊最近的建筑物為村民民房（3A），距離為50 m，在兩倍基坑深度范圍以外。基坑周邊均為荒地及魚塘，無地下市政管線。

1.2 工程地質(zhì)條件

圖2為地質(zhì)縱剖面圖，地質(zhì)從上至下土層分別為：〈1-1〉素填土、〈2-1〉淤泥質(zhì)土、〈2-2-1〉淤泥質(zhì)粉細(xì)砂（或〈2-3〉中粗砂）、〈2-1B〉淤泥質(zhì)土、〈2-2〉淤泥質(zhì)粉細(xì)砂、〈3-4〉圓礫（或〈3-5〉卵石）、〈7-2〉強(qiáng)風(fēng)化巖、〈8-2〉中風(fēng)化巖?；孜挥凇?-1B〉淤泥質(zhì)土層，連續(xù)墻底位于〈8-2〉中風(fēng)化巖層中。本工程地下水位埋深較淺。每年4～10月為雨季，大氣降雨充沛，水位會明顯上升，而在冬季因降水減少，地下水位隨之下降，水位年變化幅度為2.5～3.0 m。實(shí)測鉆孔靜止水位埋深為0.80～3.00 m，平均埋深為1.42 m。

圖2 基坑地質(zhì)縱剖面Fig.2 Foundation Pit Geological Longitudinal Section

土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

本基坑安全等級為一級，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)為1.1，變形控制保護(hù)等級為一級。圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為2年。主體結(jié)構(gòu)采用明挖順作法施工，基坑擋土結(jié)構(gòu)采用800 mm 厚地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐的支護(hù)形式，其中要求進(jìn)入中風(fēng)化巖層不少于1.5 m?；娱_挖前采用基坑內(nèi)深井降水，地下連續(xù)墻兼作止水帷幕。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段采用3道支撐：第1道混凝土八字撐（主撐 700 mm×900 mm+肋撐 500 mm×700 mm），第2道混凝土八字撐（主撐1 000 mm×1 200 mm+肋撐800 mm×1 000 mm），第3道支撐為鋼支撐（φ 609，t=16 mm）；兩端盾構(gòu)擴(kuò)大頭采用3道混凝土支撐：第1道混凝土支撐（700 mm×900 mm），第2道～第3道支撐（800 mm×1 000 mm）。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and Mechanical Parameters of Soil

基底采用三軸攪拌樁進(jìn)行抽條加固，加固深度為4 m，攪拌樁實(shí)樁水泥摻量不應(yīng)小于22%，空樁水泥摻量不應(yīng)小于8%，加固后樁體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不低于0.8 MPa，作為基底下的一道支撐體系，控制連續(xù)墻變形（見圖3、圖4）。

圖3 基底加固平面圖Fig.3 Foundation Pit Reinforcement Plan

圖4 基坑標(biāo)準(zhǔn)段地質(zhì)橫剖面Fig.4 Geological Section of Standard Section of Foundation Pit

2 現(xiàn)場施工情況與連續(xù)墻變形情況及分析

本基坑的深厚淤泥質(zhì)土層基本位于基底以下，基底以上基本為淤泥質(zhì)粉細(xì)砂層，在第2道支撐以下的土方開挖前，圍護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移實(shí)測值（見圖5）基本與理論計(jì)算值相同，但從第2道支撐開始往下到底板土方開挖時(shí)，實(shí)測基坑變形值與理論計(jì)算值差異性逐漸顯現(xiàn)。

圖5 基坑監(jiān)測變形圖Fig.5 Foundation Pit Monitoring Deformation Map

本基坑從第2道支撐到第3道支撐土方開挖期間，連續(xù)墻深層水平位移最大累計(jì)值達(dá)到10～20 mm，變形速率基本維持在3～10 mm/d，均大于現(xiàn)行規(guī)范［1-3］的要求，且變形最大位置位于基坑底部，在開挖的2 d內(nèi)坑底位置連續(xù)墻累積變形迅速達(dá)到70 mm，變形速率基本維持在5～20 mm/d，對基坑安全造成嚴(yán)重影響［4］。

3 理論計(jì)算與實(shí)測數(shù)值分析

針對變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計(jì)算變形值，為研究深厚軟土情況下的變形情況，對設(shè)計(jì)輸入進(jìn)行分析。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示當(dāng)基坑開挖完第3層土方，并架設(shè)完成第3道鋼支撐工況下，基坑?xùn)|端連續(xù)墻發(fā)生的最大變形點(diǎn)為ZQT11，位于21 軸位置，此工況下當(dāng)時(shí)連續(xù)墻最大變形已經(jīng)達(dá)到102.50 mm，與原理論計(jì)算值相差很大，因此首先對原設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行復(fù)核。

3.1 原設(shè)計(jì)計(jì)算

連續(xù)墻最大變形ZQT11 對應(yīng)鉆孔為SK-08，原設(shè)計(jì)計(jì)算〈2-1B〉淤泥質(zhì)土層參數(shù)采用勘察報(bào)告直接快剪值（粘聚力 c=9.0 kPa，內(nèi)摩擦角 φ =5°，m=4）進(jìn)行設(shè)計(jì)。內(nèi)力位移包絡(luò)如圖6a 所示。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，對應(yīng)開挖到第3道支撐的工況下連續(xù)墻計(jì)算位移值為19.38 mm，架設(shè)第3道支撐后計(jì)算位移值為18.93 mm，復(fù)核計(jì)算結(jié)果均小于目前實(shí)測值102.50 mm。

3.2 參考寧波地區(qū)參數(shù)對比分析

結(jié)合國內(nèi)其他軟土地區(qū)［5-6］經(jīng)驗(yàn)，寧波地區(qū)軟土地層與本項(xiàng)目地質(zhì)情況相類似，根據(jù)寧波地區(qū)的某基坑詳勘報(bào)告，淤泥層的內(nèi)摩擦角φ=8.5°（固結(jié)快剪參數(shù)），粘聚力c=14.4 kPa，標(biāo)貫實(shí)測擊數(shù)為1，m 值為2.03。

對軟土層采用寧波地區(qū)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，理論計(jì)算開挖至第3道位置，未架設(shè)第3道鋼支撐作用下，連續(xù)墻變形為29.45 mm，架設(shè)完第3道鋼支撐后，連續(xù)墻變形為28.97 mm，低于連續(xù)墻目前最大變形102.50 mm。

內(nèi)力位移包絡(luò)計(jì)算結(jié)果如圖6b 所示。

圖6 內(nèi)力位移包絡(luò)圖Fig.6 Envelope Diagram of Theoretical Calculation of Internal Force Displacement

3.3 反設(shè)計(jì)與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析

由于基坑的變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，為保障基坑安全，預(yù)判基坑可能發(fā)生的位移值，對基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析［7］，利用同濟(jì)啟明星對已有的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反設(shè)計(jì)，分析得出〈2-1B〉淤泥質(zhì)土層的m 值反分析值為0 MN/m4（此時(shí)土層等效于水），此計(jì)算結(jié)果計(jì)算出來的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為92.7 mm，遠(yuǎn)小于現(xiàn)場實(shí)測值，且不符合土力學(xué)的理論，故認(rèn)為m 值并非造成基坑變形過大的主要原因。啟明星反設(shè)計(jì)擬合數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7a 所示。

另外，基坑變形的結(jié)果顯示最大位移發(fā)生下底板以下約5 m 位置，與常規(guī)基坑設(shè)計(jì)出現(xiàn)的最大變形在基坑底部的計(jì)算結(jié)果不符，因此對坑底加固土的加固效果作為分析對象，在不考慮基底加固土的作用下，啟明星的反設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果如圖7b 所示，其變形與實(shí)測情況趨勢相同。此時(shí)淤泥質(zhì)土層的反分析值為m=0.22 MN/m4，說明基地加固土并未達(dá)到預(yù)期效果。

圖7 位移與基坑深度關(guān)系圖Fig.7 Displacement Variation with Pit Depth

4 基坑變形應(yīng)對措施

從基坑的變形情況及數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可以認(rèn)為主要原因是由于本項(xiàng)目淤泥質(zhì)土地層穩(wěn)定性較差，淤泥質(zhì)土層觸變性強(qiáng)，開挖后主動土壓力集中釋放，連續(xù)墻變形速率較大，且基本在開挖2 d 內(nèi)完成主要變形。另一方面基底加固土未達(dá)到有效的支頂作用，為保障基坑安全，抵消基底加固土的實(shí)效作用，要求施工單位立即組織架設(shè)鋼支撐，并在連續(xù)3 d 監(jiān)測速率穩(wěn)定后，進(jìn)行實(shí)施試驗(yàn)性開挖，目的為確定連續(xù)墻最終位移值，以指導(dǎo)后續(xù)施工，并將變形控制值放寬到80～100 mm。

通過試驗(yàn)段的開挖，發(fā)現(xiàn)在深厚軟土地層條件下，最大變形出現(xiàn)在第3道支撐～基坑底部土方期間，具體情況為：在開挖第1～2道支撐土方（開挖深度7～8 m），連續(xù)墻深層水平位移最大累計(jì)值為10～35 mm；開挖第2～3道支撐土方（開挖深度 11～13 m），最大累計(jì)值達(dá)到30～100 mm，開挖期間變形速率達(dá)到3～10 mm/d；開挖第3～基坑底部土方（開挖深度16～18 m），最大累計(jì)值達(dá)到100～200 mm，開挖期間變形速率達(dá)到5～20 mm/d，個(gè)別點(diǎn)位達(dá)到40 mm/d。連續(xù)墻變形最大位置在開挖面以下3～5 m。最大變形位移曲線如圖8所示。

試驗(yàn)段監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示基坑在第3道支撐～基坑底部土方開挖期間連續(xù)墻存在變形過大的風(fēng)險(xiǎn)，為保障工程安全，實(shí)施過程中要求施工單位嚴(yán)格按照方案［8，9］，開挖過程中分別采用在第3道鋼支撐及底板之間增設(shè)一道臨時(shí)鋼支撐、增設(shè)基底素混凝土支撐、坑外降水等措施控制變形，如圖9、圖10所示。

通過分析試驗(yàn)段的監(jiān)測數(shù)據(jù)，后續(xù)施工過程中嚴(yán)格控制開挖跨度，第一時(shí)間架設(shè)鋼支撐、施加基底以下地梁，縱觀整個(gè)基坑開挖過程，地梁很好的發(fā)揮了基底支撐的作用，使基底變形出現(xiàn)反彎點(diǎn)，基坑變形趨于穩(wěn)定，變形速率在0.8～1.5 mm/d。連續(xù)墻變形情況如圖11所示。

圖8 試驗(yàn)段累計(jì)位移曲線圖Fig.8 Cumulative Displacement Curve of Test Section

圖9 現(xiàn)場增加臨時(shí)鋼支撐Fig.9 The Figure of Adding Temporary Steel Support on Site

圖10 混凝土地梁平面布置圖Fig.10 The Figure of Plane Layout of Concrete Floor Beams

5 深厚軟土地層條件下基坑變形設(shè)計(jì)總結(jié)

在深厚軟土地層條件下進(jìn)行土方開挖，淤泥質(zhì)土層的應(yīng)力釋放十分迅速，其觸變性大，支護(hù)結(jié)構(gòu)受其影響變化速率急速增加，這就要求在施工過程中更加要注意監(jiān)測數(shù)據(jù)需實(shí)時(shí)反饋［10］、土方開挖方案需嚴(yán)格控制土方開挖分段長度，保證支撐及時(shí)施工，遵循“快挖快撐快速行成結(jié)構(gòu)”的施工原則。

本工程為了抵消基底加固實(shí)效情況下引起基坑的變形，采用了增加第3道臨時(shí)鋼支撐和增設(shè)地梁等措施予以保障基坑安全，通過實(shí)際的施工情況反映這兩種方式的綜合運(yùn)用對控制連續(xù)墻的變形有至關(guān)重要的作用，基坑的變形可以較為有效地得以控制。

圖11 施工地梁后連續(xù)墻變形圖Fig.11 The Figure of Deformation of Diaphragm Wall after Construction Ground Beam

另外，建議在后續(xù)類似軟土地層基坑工程施工中，合理增加支撐的道數(shù)，減少豎向支撐的間距，這種方案雖然對施工作業(yè)不便，但對于控制基坑變形，保證基坑安全是非常有用的。在支撐道數(shù)無法增加時(shí)，采用混凝土地梁或者增厚混凝土墊層，能較好地起到基底臨時(shí)支頂作用，而且效果明顯。