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展戰略的重要市政基礎設施，也是二十一世紀城市現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、施工環境復雜等特點，給深基坑的施工安全和周邊環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［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。基坑采用明挖法施工，標準斷面頂板覆土2.5～3.0 m，標準斷面埋深6.0～8.0 m。基坑寬度8.7 m，開挖深度6.5～8.1 m。基坑安全等級為二級，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，淺部軟土發育較厚，軟土下發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，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。基坑底部下臥的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塑性擠出現象（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。孔隙潛水分布于淺部①層填土中，主要接受大氣降水入滲和地表水體補給，以蒸發為主要排泄方式，穩定水位埋深約1.50 m。基坑降水迫使基坑內外形成水頭差，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［11-12］。實際施工中也曾發現，基坑開挖至一定深度時，在前期勘察遺留鉆孔中出現“涌土”的不良工程現象，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，地面產生變形。基坑工程結束后，鋼板樁的拔除進一步加劇了鋼板樁周圍土層產生的擾動。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段的周邊道路裂縫調查發現（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，結合現場水位觀測，合理采取減壓措施，杜絕基坑坑底突涌的發生。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象的發生。

（4）優化拔樁次序，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、鋼板樁施工誘發的環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境效應減小具有積極的指導作用。