軟土場地鋼板樁支護管廊基坑風險分析與對策研究

王金鵬 魏振豹 賈瑞全

（1.中鐵十七局集團第三工程有限公司 河北石家莊 050081；2.中鐵十七局集團第四工程有限公司 重慶 401121）

1 引言

城市地下綜合管廊是城市化發(fā)展戰(zhàn)略的重要市政基礎設施，也是二十一世紀城市現(xiàn)代化的重要標志之一［1］。管廊深基坑工程具有場地空間跨度大、地質條件多變、施工環(huán)境復雜等特點，給深基坑的施工安全和周邊環(huán)境帶來諸多不利因素［2］。長江沖積漫灘的“二元結構”地層分布，上部軟土強度低，不利于土體支護；下部砂土滲透性好，給地下水控制帶來困難［3-4］。結合管廊基坑的條狀特征，基坑工程的“時空效應”在軟土場地管廊基坑工程中得到了充分顯現(xiàn)［5-6］。鋼板樁加內支撐是軟土場地管廊基坑廣泛使用的支護結構體系［7］，鋼板樁圍護墻能起到擋土和擋水的雙重作用，并且具有基坑施工完畢后可將鋼板樁回收再次使用等優(yōu)點［8］。但是鋼板樁支護結構體系也存在剛度低、易變形，以及鋼板樁打拔對周邊環(huán)境影響大的缺點。

為此，針對軟土場地鋼板樁支護結構體系，依托江北新區(qū)管廊基坑工程建設，以保證基坑施工安全和減小管廊基坑開挖對周邊環(huán)境影響為目標，結合場地地質條件、地下水流動特性和實際工程問題，通過管廊基坑工程施工潛在風險分析，提出減小軟土場地鋼板樁支護管廊基坑工程風險的控制措施，為軟土場地管廊基坑工程的合理設計和施工提供指導。

2 工程概況

2.1 鋼板樁基坑支護結構

康華路綜合管廊采用鋼筋混凝土結構，標準斷面為雙艙布置，斷面為（6.75×4.05）m矩形?；硬捎妹魍诜ㄊ┕?，標準斷面頂板覆土2.5～3.0 m，標準斷面埋深6.0～8.0 m?；訉挾?.7 m，開挖深度6.5～8.1 m?；影踩燃墳槎?，基坑設計使用期限一年。基坑支護結構采用IV型拉森鋼板樁，樁長15 m，兼具擋土和止水的作用。另設兩道φ609×16鋼管支撐，增加支護體系剛度，減小基坑變形。典型標準斷面基坑支護結構形式如圖1所示。

2.2 場地地質條件

擬建場地為長江河漫灘地貌單元，主要覆蓋第四紀松散沉積物，地下水埋深較淺，淺部軟土發(fā)育較厚，軟土下發(fā)育的砂性土富水性較好，具承壓水特性。基坑開挖涉及的場地土層主要有：

①-1，雜填土，雜色，稍密～中密，分布于場區(qū)表層，含有較多碎石子、黏性土等，堆填時間小于5年。

①-2，素填土，灰黃色，軟塑～可塑，以粉質黏土為主，混少量碎石，含有少量塘泥，含少量植物根系，堆填時間小于5年。

②-2b4，淤泥質粉質黏土，灰色，流塑，場區(qū)均有分布，切面細膩光滑，含少量貝殼碎片及腐殖質，夾粉砂、粉土薄層，單層厚 （0.1～1.0）cm，具層理，偶呈互層狀。

②-2d3，粉砂夾粉土，灰色，稍密～中密，顆粒級配良，顆粒以圓形和亞圓形為主，其礦物成分以石英、長石顆粒和云母片為主，粉土，濕，稍密。

圖1 典型標準斷面基坑支護結構（單位：mm）

②-2bd3，粉質黏土夾粉砂，灰色，軟塑，局部流塑，粉質含量較高，夾粉砂薄層，單層厚（0.1～2.0）cm，具層理，局部呈互層狀。

②-4d2，粉砂，灰色，中密，局部夾薄層粉土，顆粒級配良，顆粒以圓形和亞圓形為主，其礦物成分以石英、長石和云母片為主。

②-4bd3，粉質黏土夾粉砂，灰色，軟塑，夾粉砂薄層，切面稍光滑，無搖震反應，韌性、干強度中低。

典型場地土層分布如圖2所示，場地土的物理力學性質如表1所示。

基坑開挖范圍內涉及的填土和軟土，其工程特性較差。①-1層雜填土和①-2層素填土，堆填時間小于5年，抗剪強度較低且不均勻，透水性強。②-2b4層淤泥質粉質黏土和②-2bd3層粉質黏土夾粉砂，軟塑～流塑狀態(tài)，抗剪強度低，具明顯的流變性和觸變性，屬于高含水率、高孔隙比、高壓縮性、低強度的中靈敏度軟土?；拥撞肯屡P的②-2d3層粉砂夾粉土和②-4d2層粉砂，透水性好，地下水具有微承壓性。從場地土的變形特性、強度特性和滲透特性三方面都不利于基坑工程施工，也給周邊環(huán)境保護帶來困難。

表1 場地土物理力學性質

3 軟土場地管廊基坑工程潛在風險

管廊基坑工程具有場地空間跨度大、地質條件多變、施工環(huán)境復雜等特點。長江漫灘地貌建設場地廣泛分布的觸變性軟土和透水性良好的粉砂，給基坑施工帶來潛在的安全風險［9］。

3.1 軟土擾動觸變

基坑開挖深度內②-2b4層淤泥質粉質黏土和②-2bd3層粉質黏土夾粉砂為中靈敏度軟土，具有高含水率、高孔隙比、高壓縮性、低強度特點。鋼板樁施工、坑底深層攪拌樁加固施工、基坑開挖等工程活動必將造成軟土擾動觸變，從而進一步使得土體抗剪強度降低，導致基坑支護體系安全度下降。軟土的高壓縮性使得基坑周邊地面沉降增大，軟土的低滲透性使得其變形具有明顯的時間效應。

軟土擾動觸變強度下降的同時，軟土的流動性增強，在鋼板樁內外土壓力差作用下，軟土在鋼板樁施工誤差造成的樁間間隙中出現(xiàn)塑性擠出現(xiàn)象（見圖 3），造成坑外地層損失，引起地面沉降，加劇了對周邊環(huán)境的影響。

圖3 軟土樁間側向塑性擠出

3.2 基坑坑底突涌

場地內地下水類型為孔隙潛水和微承壓水?？紫稘撍植加跍\部①層填土中，主要接受大氣降水入滲和地表水體補給，以蒸發(fā)為主要排泄方式，穩(wěn)定水位埋深約1.50 m?；咏邓仁够觾韧庑纬伤^差，在水力梯度作用下場地土存在流土滲透破壞的可能性。

②-2d3粉砂夾粉土、②-4d2粉砂、②-4bd3粉質黏土夾粉砂層透水性良好，具有微承壓性，勘察期間，測得微承壓水水位埋深為（3.0～3.6）m。由于②-2d3層粉砂夾粉土和②-4d2層粉砂位于基坑底部附近，其承壓水水頭高于基坑坑底標高。隨著基坑開挖深度的增加，承壓含水層頂部的土層厚度減小，當承壓含水層水頭壓力大于上覆土層自重時，基坑坑底存在“突涌”的可能性［10］，嚴重時會導致基坑支護結構體系失穩(wěn)［11-12］。實際施工中也曾發(fā)現(xiàn)，基坑開挖至一定深度時，在前期勘察遺留鉆孔中出現(xiàn)“涌土”的不良工程現(xiàn)象，給施工帶來困難。

3.3 鋼板樁施工

鋼板樁打入，造成擠土擾動，導致場地土強度下降的同時，地面產(chǎn)生變形?；庸こ探Y束后，鋼板樁的拔除進一步加劇了鋼板樁周圍土層產(chǎn)生的擾動。由于拔樁以及帶土，在土體中形成縫隙，造成地層損失，導致地面沉降和路面開裂。不僅給已施工的管廊結構帶來危害，而且影響鄰近建筑物、道路和地下管線的正常使用。地下綜合管廊大多位于道路之下，基坑開挖引起的環(huán)境效應，直接造成道路路面沉降和開裂，路面最大裂縫寬度達6 cm，如圖4所示。

圖4 路緣石和路面裂縫

通過10個鋼板樁支護基坑施工區(qū)段的周邊道路裂縫調查發(fā)現(xiàn)（見圖5），不同施工階段對路面裂縫的影響程度不同，值得注意的是鋼板樁的打入和拔除誘發(fā)的裂縫寬度占有相當大的比例，分別為20.2%和32.3%。因此，減小鋼板樁施工效應是防止地面沉降和路面開裂的關鍵。

圖5 不同施工階段路面裂縫寬度統(tǒng)計

4 消除基坑工程風險的工程措施

為了保證基坑施工安全和減小管廊基坑開挖對周邊環(huán)境影響，首先有效控制了道路路面的開裂。針對軟土場地鋼板樁支護管廊基坑的特點，結合軟土場地管廊基坑工程潛在風險分析，提出減小管廊基坑開挖對周邊環(huán)境影響的具體工程措施：

（1）基坑開挖施工應嚴格遵循“開槽支撐，先撐后挖，分層開挖，嚴禁超挖”的原則，縮短基坑開挖的施工工期，及時完成墊層施工，在基坑底部形成對鋼板樁的有效支撐，以控制基坑支護結構變形，減小基坑變形的時間效應。

（2）為了確保基坑支護體系的穩(wěn)定，基坑坑底宜采用深層攪拌樁加固，以提高鋼板樁被動側土體的抗力，減小基坑工程對場地軟土的擾動，以彌補軟土擾動導致的強度降低。

（3）有效控制基坑下臥承壓含水層水頭，結合現(xiàn)場水位觀測，合理采取減壓措施，杜絕基坑坑底突涌的發(fā)生。此外，要提高鋼板樁的施工精度，減少樁間間隙，防止樁間漏水和土體塑性擠出現(xiàn)象的發(fā)生。

（4）優(yōu)化拔樁次序，實行分倉、分段跳拔施工措施。配合拔樁施工，采用跟進壓密注漿工藝，對拔樁形成的土體縫隙實施同步注漿。通過合理控制注漿量、注漿壓力和漿液配比，實現(xiàn)水泥漿液凝固時間與拔樁施工措施在時間上的有機結合，減小拔樁引起的周邊環(huán)境空間效應。

（5）為了減少鋼板樁帶泥量，鋼板樁在沉樁前必須清除鋼板樁表面鐵銹和泥灰，樁身涂刷減摩劑，以減少樁體打拔時的阻力，也可選用能明顯減小帶泥量的400型鋼板樁。

5 結論

鑒于長江漫灘軟土場地和鋼板樁支護管廊基坑的特點，結合工程建設中遇到的實際問題，全面分析了基坑工程施工中存在的軟土擾動觸變、基坑坑底突涌、鋼板樁施工誘發(fā)的環(huán)境效應等潛在工程風險，從基坑開挖施工原則、擾動土體加固、承壓含水層水頭控制、優(yōu)化拔樁施工、減小鋼板樁帶泥量等方面提出了消除基坑開挖風險的相應工程措施，對軟土場地鋼板樁支護管廊基坑的施工安全保障和環(huán)境效應減小具有積極的指導作用。