富水圓礫層深基坑雙排樁變形特性

歐孝奪，呂政凡，江 杰*，羅方正，梁亞華

(1. 廣西大學土木建筑工程學院，南寧 530004； 2. 工程防災與結構安全教育部重點實驗室，南寧 530004； 3. 廣西金屬尾礦安全防控工程技術研究中心，南寧 530004； 4. 中國建筑第八工程局有限公司，南寧 530028)

雙排樁支護結構是一種側剛度大、支護深度大的空間組合式支護結構，在連系梁的作用下，其能夠與樁間土協(xié)調工作，調節(jié)自身內力，并有效控制基坑變形，在許多地區(qū)取得了較好的應用效果。部分學者[1-4]依托工程實例對軟土地區(qū)基坑雙排樁的變形特性進行了分析與評價，驗證了雙排樁在軟土基坑中應用的可行性。徐凱等[5]以南京某軟土地區(qū)深基坑工程為例，對比了雙排樁支護結構和樁錨支護結構，得出了雙排樁在變形控制方面效果更好的結論。孫鍇等[6]對昆明某泥炭土基坑雙排樁的監(jiān)測數(shù)據進行了分析，表明雙排樁支護結構的變形均在允許范圍內。張虎元等[7]采用有限元軟件對雙排樁支護結構和單排樁支護結構進行對比分析，表明在黃土地區(qū)雙排樁具備更高的安全性。

南寧地區(qū)富水圓礫層分布廣泛，從上述研究也可以看出，目前針對雙排樁的研究主要集中在軟土、黃土等地區(qū)，而在圓礫地層中采用雙排樁支護結構的基坑工程仍罕有案例，針對圓礫層雙排樁的研究更是罕見。此外圓礫層含水量豐富、滲透系數(shù)大，同時對支護結構的防滲性能有著較高的要求，目前主要采用地連墻的支護形式[8-9]。而相比于地連墻，雙排樁的經濟效益更高，無需設置內支撐和錨桿，施工相對簡單，能滿足用地紅線要求[10]，但目前雙排樁在圓礫層中的適用性仍有待研究。

現(xiàn)以南寧地鐵4號線那洪立交站換乘大廳圍合區(qū)基坑工程為依托，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據對圓礫地層中雙排樁支護結構的變形特性進行分析，同時根據坑外地下水位監(jiān)測檢驗止水帷幕效果，為今后在圓礫地區(qū)實施類似工程提供參考依據。

1 工程概況及場地地質條件

工程基坑為南寧地鐵4號線和5號線擬建那洪立交站附屬圍合區(qū)基坑，位于那洪大道與壯錦大道交叉路口。圍合區(qū)基坑包含1號風亭組、1號下沉廣場、2號下沉廣場和地鐵配套區(qū)，基坑開挖面積約為15000m2，總體開挖深度為10.03～19.81m，其中采用雙排樁支護部分開挖深度為12.62～14.55m，屬于典型的深大基坑。如圖 1所示，圍合區(qū)西側30.8m居民樓下為環(huán)發(fā)鐵路槎路隧道，北側為待建商業(yè)與住宅地塊，基坑范圍內無重要管線。

圖 1 圍合區(qū)基坑平面圖Fig.1 Plan of foundation pit in enclosure area

圖 2 基坑CF段雙排樁支護結構剖面圖Fig.2 Section of double row piles supporting structure in CF section of foundation pit

工程地處邕江高階地亞區(qū)(I2亞區(qū))，階面上的黏性土被侵蝕無存，表層主要為礫石填土、素填土，下部為含黏性土圓礫層，局部分布有殘坡積的含黏性土粉砂?；由疃确秶鷥韧翆右詧A礫層為主，層厚0.60～11.90m，其中圓礫粒徑以0.5～2cm為主，含量30%～35%，卵石粒徑以2～5cm為主，最大粒徑10cm，含量20%～25%，母巖成分以硅質巖、石英巖為主，其中石英含量占20%～35%，亞圓形，填充低壓縮性黏土，滲透系數(shù)k為27m/d。圓礫下臥層主要為泥巖、泥質粉砂巖，呈現(xiàn)交替分層的分布情況。場地內對基坑工程影響較大的地下水為孔隙潛水，埋深4.09～11.11m，主要賦存于含黏性土圓礫層中，水量較豐富，厚度變化大，且隨地形變化。根據現(xiàn)場詳勘報告，場地土層分布情況如表 1所示。

表 1 場地土層分布及其物理力學參數(shù)

2 基坑支護方案

2.1 支護形式設計

圍合區(qū)基坑的開挖面積大、深度大，基坑開挖深度范圍內土層以圓礫層為主，綜合考量經濟性、安全性等因素，同時為了方便坑內施工作業(yè)，圍合區(qū)基坑支護結構形式主要采用懸臂式雙排鋼筋混凝土樁，部分采用單排鋼筋混凝土樁+內支撐的形式。

圍合區(qū)基坑安全等級為二級，其中采用懸臂式雙排樁支護結構的剖面為剖面1-1(如圖 1所示AB段)、剖面3-3(CD段)、剖面4-4(DE段)、剖面5-5(EF段)及剖面6-6(FG段)，其基坑深度為12.62～14.55m；支護樁樁頂位置設置有1︰1放坡段，坡高2.8m，坡腳距支護樁頂設置1.3m寬平臺，坡面掛直徑為8mm且間距為200mm×200mm的鋼筋網，并噴射厚度為100mm的C20早強混凝土；支護樁樁身采用抗?jié)B等級為P8的水下C35混凝土，樁身采用鋼筋等級為HRB400、HPB300級，連系梁厚度為450mm，前排樁冠梁尺寸為1100mm×1000mm，后排樁冠梁尺寸為800mm×1000mm，連系梁及冠梁均采用C35混凝土，各個剖面支護樁設計參數(shù)如表 2 所示，支護深度最大的CF段剖面3-3、5-5、6-6及其典型地層如圖 2所示。

表 2 雙排樁設計參數(shù)

2.2 止水帷幕設計

此外，圓礫層的含水量豐富，其滲透系數(shù)也較大[9]，是本工程的難點之一。因此針對地下水采用設置止水帷幕并輔以坑內疏干的措施。止水帷幕設置在基坑支護樁樁間，雙排樁支護區(qū)段止水帷幕設置在后排樁樁間，在雙排樁與單排樁交界處設置交叉咬合止水帷幕，為了在圓礫層中形成質量良好的止水帷幕，其形式采用二重管高壓旋噴樁。

施工時先進行支護樁施工，待支護樁強度達到設計值后進行旋噴樁施工。旋噴樁加固深度設置原則為：若基坑底為泥質粉砂巖層，則旋噴樁進入基坑底以下不小于3.5m；若基坑底為泥巖層，則旋噴樁進入基坑底以下泥巖層不小于2m。

2.3 基坑開挖方案

考慮到空間作用效應和土層變化對于基坑支護作用的影響，選取基坑深度最大的典型剖面3-3至5-5進行分析。如圖 2 所示，剖面3-3(CD段)位于基坑北側水平向段，剖面4-4(DE段)位于北側陽角處，剖面5-5(EF段)位于基坑北側傾斜段，屬于圍合區(qū)基坑標準段，基坑深度(H)達14.55m，其中雙排樁支護深度為11.75m，基坑安全等級為二級。根據基坑開挖方案，圍合區(qū)基坑標準段開挖方式為放坡倒退開挖，開挖平面圖及放坡倒退示意圖如圖 3 和圖 4 所示，其開挖工況如表 3所示。

圖 3 圍合區(qū)中間標準段開挖平面圖Fig.3 Excavation plan of standard section in the middle of enclosure area

圖 4 放坡倒退開挖剖面示意圖Fig.4 Schematic diagram of back excavation section

表 3 基坑CF段開挖工況

3 監(jiān)測方案及技術指標

3.1 監(jiān)測方案

深基坑的施工監(jiān)測是確?；庸こ淌┕ぐ踩谋匾胧?，圍合區(qū)基坑安全等級為二級，基坑開挖深度大，結合基坑周邊環(huán)境特點，確定施工監(jiān)測范圍包括基坑工程主要影響區(qū)(基坑周邊0.7H范圍內，H為基坑深度)和基坑工程次要影響區(qū)(基坑周邊0.7H～3H范圍內)。針對本工程圍合區(qū)基坑雙排樁，在施工期間沿著雙排樁支護段布置了11個樁頂水平位移監(jiān)測點和樁身水平位移監(jiān)測點；另針對圓礫層水量較豐富、含水層厚度變化大的特點，同時為保證坑內施工正常進行，檢驗止水帷幕施工質量，在基坑北側布置了5個地下水位測點，西側布置1個，水位監(jiān)測點與坑頂水平距離為7m；此外，沿著基坑雙排樁支護段還布置有11個坑外地表沉降監(jiān)測點，各監(jiān)測點平面布置如圖 5所示。

圖 5 基坑雙排樁段監(jiān)測布置圖Fig.5 Monitoring layout of double row pile section of foundation pit

3.2 監(jiān)測技術指標

那洪立交站圍合區(qū)基坑監(jiān)測變形控制指標應符合表 4要求。

表 4 基坑變形控制指標

4 監(jiān)測結果分析

4.1 樁頂水平位移監(jiān)測

根據監(jiān)測記錄，提取典型剖面3-3(CD段)測點ZQS5、ZQS6和剖面4-4(DE段)測點ZQS7、ZQS8的樁頂水平位移監(jiān)測數(shù)據，如圖 6所示。

圖 6 剖面3-3和4-4樁頂水平位移隨時間變化圖Fig.6 Variation of horizontal displacement of pile top at section 3-3 and 4-4 with time

從圖 6可以看出，剖面3-3的兩測點的樁頂水平位移隨基坑開挖深度的增大而增大，且在基坑開挖前期位移增長較明顯，位移變化曲線斜率較大。分析其原因是基坑支護深度范圍內的土層主要以圓礫填土層和含黏性土圓礫為主，兩種土層的黏聚力值幾乎為零，這就使得基坑開挖后坑外土體因穩(wěn)定性較差導致施加在支護結構上的主動土壓力增加較快。另外，值得注意的是剖面4-4的兩測點在前期的位移增長呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，其中測點ZQS7樁頂水平位移隨基坑開挖深度的增大而增大，而測點ZQS8樁頂水平位移在基坑開挖過程中產生了向坑外移動的現(xiàn)象。分析現(xiàn)場施工記錄可知，造成這種差異的原因是該測點附近存在為土方運輸預留的出土坡(如圖 3所示)，受該土坡的影響，測點ZQS8處的坑內外土壓力處于平衡狀態(tài)，因此這部分雙排樁幾乎未產生樁頂水平位移，而負向位移的產生可能是由于運土車輛擾動導致，隨著基坑開挖的不斷進行，坑內土方減少，其位移變化與測點ZQS7逐漸呈相似的變化趨勢。當基坑開挖至9m后，基坑進入施工停工期，期間持續(xù)監(jiān)測，各測點的樁身水平位移在該階段仍緩慢增大，表現(xiàn)出變形隨時間延長而增大的時間效應[11]。這是由于支護樁嵌固段泥巖的承載能力在持續(xù)外力擾動作用下會受到削弱，因此在支護結構的擠壓下會表現(xiàn)出一定流變特性，進行引起持續(xù)的變形[12]。當基坑繼續(xù)開挖后，其變形因主動土壓力增大而進一步增大，開挖至12m時，上述各測點樁頂水平位移最大值為14.18mm，至監(jiān)測結束前樁頂水平位移最大值分別為15.63mm，遠小于基坑累計變形控制值(即30mm)。由此表明采用雙排樁這種支護形式是安全可靠的。

4.2 樁身水平位移監(jiān)測

根據監(jiān)測記錄，分別提取剖面3-3(CD段)和剖面5-5(DE段)樁身位移值最大的監(jiān)測點ZQT6和ZQT10數(shù)據，如圖 7 所示。

圖 7 監(jiān)測點ZQT6和ZQT10樁身水平位移Fig.7 Monitoring points ZQT6 and ZQT10 pile body horizontal displacement

從圖 7 可以看出，支護樁樁身水平位移隨基坑開挖深度增大而增大，但基坑開挖至基底時，變形仍在持續(xù)增大，其原因與4.1節(jié)中分析類似，基坑開挖至基底時引起的坑內外的兩側壓力差增大，坑內泥巖受到更大的外力擾動而表現(xiàn)出流變特性，引起持續(xù)變形；至監(jiān)測結束前，兩監(jiān)測點的樁身水平位移最大值分別為22.09mm和23.22mm。值得注意的是，超靜定的雙排樁整體剛度大，在連梁的作用下能夠協(xié)調內力和變形，再加上嵌固段土體性質較好，這就決定了本工程中雙排樁的這種持續(xù)變形是有限度的。此外，樁身位移曲線形狀呈現(xiàn)出了明顯的“鼓脹”形，具體表現(xiàn)為在支護深度范圍內位移中間大兩邊小。分析其原因在于測點ZQT6所處支護段兩端分別存在內支撐和基坑陽角，相當于對這部分支護樁兩側施加了約束，在冠梁作用下處于中間位置的ZQT6也受到了約束；同理，ZQT10所處支護段兩端的陽角也具備一定約束作用，這就使得支護樁上部的位移相對較小，而嵌固段的土層性質較好也使得支護樁樁底處幾乎沒有產生位移，且在距樁底5m范圍內，各工況下的樁身位移均小于5mm。綜上分析，樁身水平位移的最大值僅為23.22mm，小于監(jiān)測要求的累計變形控制值(即30mm)，表明采用無錨桿的懸臂式雙排樁支護結構在該地區(qū)不僅安全可行，且在連梁及冠梁的作用下，雙排樁形成超靜定的整體，也能有效地控制基坑變形，提高基坑整體穩(wěn)定性。

4.3 坑外地表沉降

根據監(jiān)測記錄，分別提取基坑北側水平段和傾斜段地表沉降值最大的DB5和DB9監(jiān)測數(shù)據，如圖 8 所示。

圖 8 監(jiān)測點DB5和DB9坑外地表沉降曲線Fig.8 Surface settlement curve of monitoring points DB5 and DB9

圖8 反映了坑外地表沉降值與坑頂水平距離及開挖深度的關系。從圖 8 可以看出，各工況下的坑外地表沉降曲線呈“凹槽”形分布，表現(xiàn)為垂直于坑邊方向沉降值先減小后增大，即位于坑邊的監(jiān)測點沉降值較小。分析其原因是坑邊的土體受到支護樁提供的側摩阻力影響，且支護深度范圍內較厚的含黏性土圓礫所提供的樁的極限側阻力值相較一般黏性土而言要大，因此該處地表沉降值較小。對比圖 8(a)和圖 8(b)也可以發(fā)現(xiàn)，各工況下DB9的沉降值均較DB5大，且在開挖至12m和開挖至基底兩種工況下，DB9的沉降值最大值發(fā)生在距離坑邊7m處，而DB5沉降值最大值發(fā)生在距離坑邊2m處。通過分析現(xiàn)場施工記錄可知，DB9附近為現(xiàn)場車輛通行道，土體受運土車輛運行擾動影響而沉降較大，最終在基坑開挖至基底時基本穩(wěn)定。因此，在對地表變形有嚴格的工程中，應注意車輛荷載的影響。綜合分析，至監(jiān)測結束前兩測點最大沉降值分別為15.56mm和17.26mm，均小于監(jiān)測要求的控制值(即30mm)，最大值17.56mm僅為0.12%H；在大于7m的范圍，地表沉降均呈減小趨勢，這表明基坑開挖對周邊地表的影響主要在0.7H范圍內的主要影響區(qū)，在大于0.7H范圍的次要影響區(qū)沉降相對較小，各工況下的沉降值均在允許范圍內。

4.4 坑外地下水位監(jiān)測

提取西側水位監(jiān)測點SW1和北側累計變化量最大的測點SW3如圖 9 所示。

圖 9 坑外地下水位隨時間變化曲線Fig.9 Variation curve of groundwater level outside the pit with time

從圖 9 可以看出，西側監(jiān)測點SW1與北側監(jiān)測點SW3呈現(xiàn)不同變化趨勢，其原因是西側地下水位埋深較北側淺，西側初始水位埋深為4.32m，北側各點則為7.94～10.06m；埋置深度較淺的測點SW1易大氣降水影響而出現(xiàn)水位增高的情況，水位波動大，采取排水措施后水位逐漸降低并趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定水位為500～600mm；埋置深度較深的北側測點SW3雖存在水位波動情況，但水位總體呈下降趨勢，最后穩(wěn)定水位為600～700mm；從兩條曲線也可以反映出坑外水位的日變化量小于監(jiān)測控制值(即500mm/d)，最大值約為950mm，也小于監(jiān)測控制值要求的1000mm，這表明在圓礫地層中采用高壓旋噴樁作為止水帷幕能夠滿足基坑施工要求。此外，基坑外地下水水位的變化在一定程度上與該處止水帷幕的施工質量有關，水位變化量超過控制值時應采用相應的處理措施，以免造成水土流失，對基坑周圍環(huán)境造成破壞[13-14]。

5 結論

通過對南寧地鐵4號線那洪立交站圍合區(qū)基坑實測數(shù)據進行分析，得出以下結論。

(1)受基坑開挖及圓礫土性質影響，雙排樁的樁頂水平位移變化曲線斜率在施工前期較大。在停工期，位移因泥巖受力表現(xiàn)流變特性而持續(xù)增長，呈現(xiàn)一定時間效應。

(2)支護樁樁身水平位移隨基坑開挖深度增大而增大，曲線呈“鼓脹”形，超靜定的雙排樁整體剛度大，在連梁的作用下能夠協(xié)調內力和變形，最大值僅為23.22mm；在樁底處，樁身幾乎沒有產生位移，嵌固穩(wěn)定性較好。

(3)坑外地表沉降曲線受支護樁側摩阻力影響呈“凹槽”形分布，最大沉降值17.26mm，僅為0.12%H，基坑開挖對周邊地表的主要影響區(qū)在0.7H范圍內，大于0.7H范圍為次要影響區(qū)。

(4)坑外地下水位較監(jiān)測起始水位的最低點為950mm，穩(wěn)定后坑外水位為500～700mm，表明采用高壓旋噴樁作為止水帷幕具有良好的止水效果。

(5)該項目的成功實施表明在富水圓礫地層中采用雙排樁支護結構輔以高壓旋噴樁作為止水帷幕的形式是安全且經濟可行的。