巖層與軟土分界處深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律研究

曹祥楓（上海地鐵咨詢監(jiān)理科技有限公司，上海 200032）

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷加快，針對(duì)城市地下空間的開(kāi)發(fā)利用項(xiàng)目也在合理有序地加緊推進(jìn)，包括城市軌道交通、商業(yè)開(kāi)發(fā)、城市綜合管廊、海綿城市建設(shè)等，使得深基坑工程越來(lái)越多，基坑深度越來(lái)越深，周邊環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜。與此同時(shí)，深基坑的安全性，尤其是對(duì)深基坑變形的控制，越來(lái)越受到業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。在城市地下空間開(kāi)發(fā)工程中，為了更好地控制深基坑變形，以提高深基坑的安全性，工程技術(shù)人員必須要先深入探究深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，以此作為工程實(shí)踐的理論依據(jù)。為此，筆者以青島地鐵某工作井基坑開(kāi)挖為例，分析說(shuō)明在近海區(qū)域土巖組合地層基坑開(kāi)挖過(guò)程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，供業(yè)內(nèi)人士在開(kāi)展類似工程時(shí)參考。

1 工程簡(jiǎn)介

青島地鐵某工作井基坑開(kāi)挖深度約為 35 m，基坑深、地層差、地下水豐富、距海近，采用“地下連續(xù)墻（41.86 m）＋混凝土（鋼）支撐”的圍護(hù)體系。根據(jù)開(kāi)挖情況，上層主要為回填土、沉積粉質(zhì)黏土、沖積含砂粉質(zhì)黏土層和砂層（厚約 30 m），基巖為砂巖及火山角礫巖（開(kāi)挖面以上基巖強(qiáng)度約為 5 MPa），基巖各風(fēng)化層面埋深及基巖完整性、強(qiáng)度變化較大。

2 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形研究現(xiàn)狀

2.1 深基坑工程的概況

深基坑工程包含深基坑支護(hù)體系設(shè)計(jì)施工以及土方工程，是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的系統(tǒng)工程[1]，對(duì)巖土勘探、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工管理的工程技術(shù)人員之間的協(xié)調(diào)配合提出了更高的要求。深基坑工程有很強(qiáng)的區(qū)域性和個(gè)體差異性。地下工程土質(zhì)的千變?nèi)f化，地下建構(gòu)筑物的不確定性以及水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性、不均勻性，造成勘察數(shù)據(jù)失真，導(dǎo)致局部勘探點(diǎn)難以代表區(qū)域土層的總體情況。因此，深基坑開(kāi)挖需要具體問(wèn)題具體分析，因地制宜，而不能簡(jiǎn)單地搞經(jīng)驗(yàn)主義[2]。部分區(qū)域的主要矛盾是地下工程水土流失造成地層破壞，部分區(qū)域基坑的主要矛盾是周邊地面變形[3]。此外，深基坑工程具有較強(qiáng)的環(huán)境效應(yīng)[4]，深基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境影響很大，施工過(guò)程中難免引起地層水土情況和應(yīng)力場(chǎng)的變化。這給深基坑變形的研究提供了較好的參考資料。

2.2 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形研究現(xiàn)狀

目前，我國(guó)在軟土地區(qū)的深基坑開(kāi)挖變形控制研究經(jīng)驗(yàn)非常豐富，很多研究人員通過(guò)上海，杭州、寧波、無(wú)錫等城市不同支護(hù)形式的深基坑施工實(shí)踐，總結(jié)了很多關(guān)于基坑開(kāi)挖深度、開(kāi)挖面位置與支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的關(guān)系。

對(duì)軟土地區(qū)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的眾多研究文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)，得出以下結(jié)果。

（1）在上海，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變形曲線多為深層凸鼓形，一般水平位移最大值與基坑開(kāi)挖深度比值在區(qū)間 [0.04%，0.6%]以內(nèi)，平均值約為 0.3%；水平位移最大值一般在開(kāi)挖面以下 7 m 至開(kāi)挖面以上 1.5 m 的范圍之內(nèi)[5]。

（2）在江蘇，圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移平均值約為開(kāi)挖深度的 0.16%，其中，無(wú)錫市的支護(hù)結(jié)果水平位移最大值與基坑開(kāi)挖深度比值在區(qū)間 [0.045%，0.3%]以內(nèi)，平均值約為 0.12%；蘇南地區(qū)的支護(hù)結(jié)構(gòu)水平最大變形與開(kāi)挖深度的比值稍微小于軟土地區(qū)的統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值，與國(guó)外硬黏土地區(qū)基坑統(tǒng)計(jì)結(jié)果相近[6]，說(shuō)明蘇南地區(qū)的土質(zhì)抗變形能力略好于上海。

在軟土與巖層有比較明顯分界面的地區(qū)，如青島和武漢，其深基坑開(kāi)挖的變形規(guī)律還沒(méi)有得到深入研究。一般來(lái)說(shuō)，青島市的地下土質(zhì)，上部是回填土、淤泥質(zhì)土、黏性土和砂土等較軟弱的土體，下部為微風(fēng)化、中風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化巖體，相對(duì)較硬[7]。在這種土巖結(jié)合地質(zhì)中，基坑開(kāi)挖時(shí)周邊地表沉降的最大值往往不在地面，而在地下一定深度，而巖層上部覆土層的大小對(duì)地面沉降的變化有著較大影響，基坑開(kāi)挖過(guò)程中周邊地面沉降的最大值、圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的最大值與巖層上部覆土厚度均呈二次拋物線關(guān)系。圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移突變通常發(fā)生在土巖地層分界處或土巖地層分界處附近[8]，并且?guī)r層上部覆土厚度對(duì)基坑周邊地面沉降的影響要大于對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的影響。本文旨在對(duì)此類地層進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律進(jìn)行分析驗(yàn)證，為這一類土巖組合地層的深基坑工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考和借鑒。

3 深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律分析

深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形主要是樁體水平方向發(fā)生位移，其變形規(guī)律主要與水文地質(zhì)、土質(zhì)情況、支護(hù)形式、周邊荷載等相關(guān)，本文主要從土巖特征角度進(jìn)行分析。

3.1 深基坑范圍內(nèi)的地質(zhì)情況

勘察資料顯示，深基坑范圍內(nèi)地表主要為厚層填土，填土下為粉質(zhì)黏土，基巖為泥質(zhì)砂巖和火山角礫巖，基巖埋深 28 m～32 m。地層層序如下。

（1）第 ①3-1 層為沖填土，以沖填土、雜填土為主，層底標(biāo)高－1.62 m，層厚 4.8 m～8.4 m；整體力學(xué)性質(zhì)不均勻，壓縮性高，自穩(wěn)性差。

（2）第 ⑥1 層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，層底標(biāo)高－8.82 m，揭露層厚 0.60 m～7.80 m，灰色～深灰色；為海積成因飽和性土，流塑～軟塑，較均勻，切面光滑，干強(qiáng)度高，韌性中等，物理力學(xué)性質(zhì)較差。

（3）第 ⑨ 層為中粗砂，層底標(biāo)高－9.62m，揭露層厚 0.80 m～1.60 m；中密～密實(shí)，礦物成分主要為長(zhǎng)石、石英，分選中等，磨圓一般，含黏性土 10%～25%。

（4）第 ? 層為粉質(zhì)黏土，層底標(biāo)高分別為－13.42 m 和－26.02 m，揭露層厚 1.10 m～14.90 m，黃褐～褐黃色；可塑～硬塑，含少量砂粒，韌性較高干強(qiáng)度高，局部相變?yōu)轲ね痢?/p>

（5）第 ?1 層為中粗砂，層底標(biāo)高－14.82 m，揭露層厚 0.80 m～3.40 m；中密～密實(shí)，礦物成分主要為長(zhǎng)石、石英，分選中等，磨圓一般，含黏性土 10%～25%。

（6）第 ? 層為粗粒砂，層底標(biāo)高－29.02 m，揭露層厚 1.40 m～5.60 m；中密～密實(shí)，礦物成分主要為長(zhǎng)石、石英，含黏性土 10%～35%，部分呈黏性土輕微膠結(jié)狀。

（7）第 ?13 層為強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，分布較廣，層底標(biāo)高－44.72 m，揭露層厚 1.00 m～15.00 m；主要為長(zhǎng)石和巖屑，顆粒以粉砂為主，土質(zhì)較松散，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)程度差，近黏土狀，巖石遇水軟化現(xiàn)象比較明顯，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為 V 級(jí)。

3.2 開(kāi)挖面在土巖分界面前的變形規(guī)律分析

根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖情況及地質(zhì)勘查報(bào)告揭露，巖土分界面在－29 m 左右；基坑范圍內(nèi)土層厚度約為 29 m，分界面以下方為火山角礫巖。基坑未開(kāi)挖至土巖分界面之前，基坑變形與軟土地區(qū)基坑變形研究成果相吻合，其水平位移變化最大的位置處于開(kāi)挖面附近，位移最大為開(kāi)挖深度的 0.03%（接近軟土地基統(tǒng)計(jì)數(shù)值的下限）。這與本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻有關(guān)，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)深入基巖，抗變形能力要強(qiáng)于軟土地基。

3.3 開(kāi)挖面到達(dá)土巖分界面時(shí)的變形規(guī)律分析

基坑開(kāi)挖至土巖分界面時(shí)，變形呈獻(xiàn)斷崖式變化，最大水平位移位置處于開(kāi)挖面（也是土巖分界面）。其主要原因?yàn)椋涸谕翈r分界面上方主動(dòng)土壓力較大，下方巖層主動(dòng)土壓力較小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在土巖分界面處產(chǎn)生較大的剪力。因此，該部位變形最大且呈斷崖式。

3.4 開(kāi)挖面超過(guò)土巖分界面時(shí)（開(kāi)挖至基坑底）的變形規(guī)律分析

基坑開(kāi)挖至土巖分界面以下至基坑底時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)變最大水平位移位置仍然處于開(kāi)挖面處，但基底開(kāi)挖面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移卻基本為 0，從而造成土巖分界面至基底的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移呈直線式。上述情況說(shuō)明：巖層的側(cè)向土壓力比較均勻且很小，主要是由來(lái)自土層的向坑內(nèi)方向側(cè)向主動(dòng)土壓力和巖層對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的向坑外的被動(dòng)土壓力形成剪力造成的。所以基坑開(kāi)挖至巖土分界面之下后，開(kāi)挖面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化速率會(huì)增大，但是很快會(huì)趨于穩(wěn)定，主要由巖層土方開(kāi)挖后圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力突然釋放造成。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合上述分析發(fā)現(xiàn)，對(duì)于土巖層次分明的深基坑工程，隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化主要分為兩個(gè)階段。

第一階段為開(kāi)挖深度到達(dá)土巖分界面之前。此時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移及地面沉降的變化趨勢(shì)基本與前文所述的軟土地層變形規(guī)律相契合，但是因?yàn)橥翈r分界面下方巖層的嵌固作用，前期的基坑最大水平位移總體要比軟土區(qū)域小。

第二階段為開(kāi)挖深度到達(dá)土巖分界面之后。此時(shí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移在土巖分界面處達(dá)到峰值，隨著土巖分界面下部巖層的開(kāi)挖，開(kāi)挖面之上的圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力得以釋放，這就導(dǎo)致分界面處圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移與基坑開(kāi)挖面的圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移呈線性關(guān)系。

基于以上研究結(jié)論，筆者認(rèn)為在深基坑施工過(guò)程中應(yīng)做好以下幾項(xiàng)工作。

（1）在類似的土巖具有明顯分界面地層中，勘探工作應(yīng)準(zhǔn)確、有效地取得基坑范圍內(nèi)土巖分界面的具體標(biāo)高，為設(shè)計(jì)工程人員提供足夠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)勘察數(shù)據(jù)，合理設(shè)計(jì)基坑支護(hù)體系，加強(qiáng)巖土分界面處的支撐強(qiáng)度，同時(shí)提出更有針對(duì)性的監(jiān)測(cè)措施。

（3）在基坑施工階段，根據(jù)不同階段的特點(diǎn)制定有針對(duì)性的安全生產(chǎn)措施，尤其是開(kāi)挖至土巖分界面處應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，加強(qiáng)基坑開(kāi)挖過(guò)程中重要節(jié)點(diǎn)的巡視檢查，一旦開(kāi)挖至巖面應(yīng)及時(shí)調(diào)整相關(guān)保障措施。

（4）在基坑開(kāi)挖施工過(guò)程中抓好信息化管理工作，安排專業(yè)施工監(jiān)測(cè)人員對(duì)基坑水平位移、地面沉降、支撐應(yīng)力、地下水位以及周圍建筑物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)工作動(dòng)態(tài)調(diào)整管理措施，針對(duì)土巖具有明顯分界面的地層編制有針對(duì)性的應(yīng)急預(yù)案，提前預(yù)判可能發(fā)生的險(xiǎn)情，做好準(zhǔn)備工作，確?；庸こ贪踩?。