杭州軟弱地層深基坑變形控制技術研究

許原騎，曹犇，曹杰

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 前言

隨著杭州城市的發展，地下空間開發力度逐年增大，特別是2016年G20峰會、2022年亞運會等重量級國際活動的承辦，使杭州的地下空間開發空前加快。杭州地下空間位置多處于城市繁華區域，深基坑工程的實施帶來了復雜的環境保護問題，尤其嚴重的是深基坑遇到深厚軟弱地層時，環境保護問題尤為困難。

本文結合G20峰會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鍵技術研究，總結此類環境條件特別復雜苛刻、工程實施極為困難地段條件下深基坑工程的針對性措施和建議，以期對同類工程提供借鑒。在杭州大力開展地下空間時期，具有借鑒意義。

1 工程概況

1.1 工程簡介

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，隧道西側為西溪濕地國家公園，東側現狀為綠地。本工程采用明挖法施工，隧道全長2.1km，基坑挖深約0～13.5m，基坑影響范圍內無控制性建構筑物。根據行標《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012）和浙江省標準《建筑地基基礎設計規范》（DB33/1001-2003），本基坑安全等級一級。

圖1 本隧道工程開挖期間基坑鳥瞰圖

針對本工程環境條件和環境保護的特點，進行針對性的設計，首先需對原路基地基處理攪拌樁進行清障處理；其次，根據基坑深度和保護等級，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結構型式。

1.2 工程地質條件

本工程明挖隧道基坑開挖范圍內涉及的土層為填土、淤泥質粉質黏土。其中淤泥質土性質差，具高壓縮性、易蠕變等特點，自穩性差。場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，性質和分布差異較大，土質均勻性很差。

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

③淤泥質黏土：流塑，飽和，厚層狀構造，含少量有機質和腐植物，易污手，土體較稀軟。無搖振反應，土面光滑，韌性高，干強度高。性質差，高壓縮性。

④1淤泥質粉質黏土：流塑，飽和，薄層狀構造為主，夾有少量貝殼碎屑和腐植物，無搖振反應，土面較光滑，韌性中等，干強度中等。該層性質差，高壓縮性。

④2淤泥質黏土：流塑，飽和，鱗片狀～厚層狀構造，含較多貝殼碎片和腐植物，局部夾少量粉土條帶和團塊，無搖振反應，土面光滑，韌性高，干強度高。該層性質差，高壓縮性。

⑥1含砂粉質黏土：可塑，厚層狀構造，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，為粉質黏土或黏土，土質不均勻，無搖振反應，土面較光滑。性質較好，中壓縮性。

⑥2含礫砂層：中密，厚層狀構造，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。性質較好，中偏低壓縮性。

2 基坑工程大變形規律及原因分析

2.1 基坑工程大變形規律

本工程在實施中出現了以下幾個現象。

①基坑圍護結構變形普遍較大，基本上在100mm以上，最大達到了160mm；②圍護結構變形最大點處于開挖面以下2～3m位置；③地面沉降最大達200mm；④支撐軸力相對較小，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。

下面為基坑現場典型斷面監測數據圖表。

圖2 基坑現場監測深層土體側向位移示意圖

圖3 基坑現場監測地表沉降時程曲線圖

2.2 初步原因分析

基坑開挖的整個過程實際上是指基坑開挖面和支護墻面水平方向的土體的一個卸載過程。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，基坑底部的土體會發生局部隆起，同時也會造成坑內及坑外的土體作用于圍護結構上的土壓力的不平衡，這些變化會使的土體產生水平方向側移，而后達到新的平衡條件。這些作用力還會使得坑內側土體作用于圍護結構上的土壓力傾向于被動土壓力，而墻外側土體作用于圍護結構上的土壓力則傾向于主動土壓力。由于墻體發生側移的不均勻性，所以土壓力通常并不是線性分布的。墻體發生側移使得坑外的土層發生移動，應力重分布，并且還產生附加應力，形成塑性區，變形的效果也會逐步傳到地面并且會造成地表沉降。

圖4 基坑現場監測圍護側向位移、地表沉降與基坑空間關系示意圖

通過上一節基坑現場監測圖表可以看出，土體側向位移與地面沉降基本匹配，均接近200mm，應該說監測基本反映了軟土基坑的變形規律。圍護地連墻的側向位移，引起土體側向位移，進而引起地面沉降。

2.3 關鍵因素分析研究

通過上一節的研究可知，深基坑變形主要分為：圍護結構位移、基坑底部土體隆起以及基坑周圍土層移動。同時，這三種主要變形方式相互影響，相互限制。

下面根據基坑開挖變形的這一特點，分析圍護結構深度、剛度、地基加固等因素對圍護結構深層水平位移和坑底隆起位移的影響。

2.3.1 圍護結構深度對基坑變形的影響分析

通過改變圍護結構地連墻的長度，嘗試尋找圍護結構大變形和支撐軸力小的原因。在此假設設計的坑內加固滿足了既定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地連墻進行模擬，分析結果如圖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，對深層水平位移的影響可以忽略不計。說明當不滿足穩定性要求時，深層水平位移隨著樁體嵌入深度的增加顯著減小。但是當樁體嵌入深度滿足穩定性要求時，此時再增加樁體嵌入深度對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 圍護結構嵌入深度對變形影響分析圖

2.3.2 圍護墻剛度對基坑變形影響分析

通過改變圍護結構地連墻的剛度，嘗試尋找圍護結構大變形和支撐軸力小的原因。在此假設設計的坑內加固滿足了既定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厚地連墻進行模擬，分析結果如下。

圖6 圍護剛度對基坑內力及變形影響分析圖

通過分析可知，在地基加固滿足設計強度的前提下，同樣基坑條件下，600mm、800mm、1000mm地連墻最大側向位移分別為34.9mm、29.0mm、25.8mm，而相應最大鋼支撐軸力3168kN、3399 kN、3677 kN。可以看出，隨著圍護結構剛度的增加，圍護結構的側向變形逐漸減小，而相應的支撐軸力逐漸增大，都處于一個相對合理的范圍內。但3個地連墻厚度驗算中，無論哪個側向位移都遠遠小于基坑現場監測側向變形接近200mm的變形值，無論哪個支撐軸力都遠大于現場監測1000 kN左右的支撐軸力值。2.3.3地基加固對基坑變形的影響分析

通過改變地基加固效果，嘗試尋找圍護結構大變形和支撐軸力小的原因。在此采用本基坑最弱圍護600mm厚地連墻，通過改變地基加固效果，分別采用30%、50%、70%、100%加固效果進行模擬，分析結果如圖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，地連墻最大側向位移分別為 50.1mm、44.2mm、39.8mm、34.9mm，而相應最大鋼支撐軸力3828kN、3556 kN、3366 kN、3168 kN。可以看出，隨著地基加固效果的增加，圍護結構的側向變形逐漸減小，相應的支撐軸力亦逐漸減小，都處于一個相對合理的范圍內，顯示出地基加固是起積極作用的。但4個加固效果驗算中，無論哪個側向位移都遠遠小于基坑現場監測側向變形接近200mm的變形值，無論哪個支撐軸力都遠大于現場監測1000 kN左右的支撐軸力值。

3 結論及建議

圖7 地基加固效果對基坑內力及變形影響分析圖

本文對杭州某軟弱地層深基坑的實際工程，從設計、施工現場、監測數據等多方面入手，結合三維數值模擬分析，論述了控制軟弱地層深基坑變形的控制性因素，總結和建議如下。

①深基坑采取一定的地基加固措施是必要的。可提高被動區土體的強度，提高了土體的抗隆起能力，還可以減小土體的滲透系數，防止基坑外側土體的水向坑內滲透，對減少支護的變形和地表沉降是很有效的。

②樁體嵌入深度、圍護結構剛度對基坑開挖變形的影響均有一定的影響范圍，當樁體嵌入深度以及圍護結構剛度達到控制變形的要求時，盲目的增加樁體嵌入深度以及圍護結構剛度，不僅不能有效地控制基坑開挖變形，還會造成資源浪費，增加成本。