新填海場地軌道交通基坑位移突變原因分析及對策

馬馳

（鐵科院（深圳）研究設(shè)計(jì)院有限公司，廣東深圳 518034）

我國東部沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，部分軌道交通線路位于新填海場地，明挖隧道的深基坑工程隱患和事故時(shí)有發(fā)生，給工程建設(shè)造成了較大影響［1-6]。新填海場地有較深厚的欠固結(jié)淤泥層和人工填砂（土）層，且地下水位埋深淺，增加了深基坑工程的設(shè)計(jì)與施工的技術(shù)難度［7]。當(dāng)采用樁錨支護(hù)時(shí)，在填砂層、淤泥層打設(shè)錨索，易造成塌孔、糊鉆，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)瞬時(shí)壓力過大；同時(shí)，錨索（錨碇）預(yù)應(yīng)力損失、地下空洞塌陷等也會(huì)造成位移突變，影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全［8]。本文結(jié)合新填海區(qū)一軌道交通基坑工程施工初期出現(xiàn)位移突變及其處理措施，對新填海場地基坑中錨索糊鉆等問題進(jìn)行深入的研究，取得的經(jīng)驗(yàn)可為同類工程施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

該軌道交通基坑位于新填海場地，全長1720 m，開挖深度13～18 m，周邊空闊，無重要建（構(gòu)）筑物、管線等。基坑開挖深度內(nèi)地層自上而下有填砂層、淤泥層、粉質(zhì)黏土層、黏土層、中砂層，其中淤泥層采用了排水固結(jié)堆載預(yù)壓處理，各土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 土層的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

基坑采用咬合樁+錨碇（錨索）的支護(hù)方案：咬合樁直徑1.0 m，咬合0.2 m；錨碇長28 m，間距1.6 m，錨碇上覆土厚4 m，鎖定荷載250 kN；錨索間距1.6 m，傾角30°，鎖定荷載300 kN。基坑支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)斷面示意（單位：mm）

基坑施工順序：首先先施工咬合樁，打設(shè)錨碇，坑內(nèi)降水后開挖第一層土方；然后打設(shè)第一排錨索，開挖第二層土方；之后每打設(shè)一排錨索，開挖一層土方，直至開挖至基坑底。

2 局部地段施工與位移突變情況

局部地段，長約100 m，3月15日—3月30日施工錨碇；3月30日—4月10日開挖第一層土方，開挖深度5.0 m；5月5日—5月11日施工第一排錨索，位移發(fā)生突變。

該段基坑土方、錨索施工期間的典型測點(diǎn)W17 實(shí)測樁頂水平位移以及施工后W17 附近不同深度處水平位移見圖2。結(jié)合現(xiàn)場施工和實(shí)測位移，由圖2（a）可知：①4月10日開挖第一層土方底時(shí)，樁頂水平位移較小，為9.0～23.2 mm，變形仍持續(xù)發(fā)展，位移速率約2.5 mm/d，7 d 后樁頂水平位移穩(wěn)定在32.0～41.0 mm。②4月17日—5月5日現(xiàn)場未施工，變形穩(wěn)定。③5月5日W17 點(diǎn)附近錨索鉆孔、注漿，樁頂水平位移開始發(fā)生突變，位移速率約6 mm/d，持續(xù)變形時(shí)間6 d，樁頂水平位移發(fā)展了29.0～35.0 mm。現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)樁頂后側(cè)地面有裂縫，注漿液從裂縫流到地面。5月11日位移速率開始減小至2.2 mm/d，持續(xù)變形時(shí)間6 d，位移增加了13.2 mm。④5月21日，錨索張拉鎖定后，對樁頂水平位移突變的原因進(jìn)行了分析，采取了處理措施，開挖第二層土方期間，樁頂水平位移較小。⑤靠近錨索的位置，樁身變形最大，圍護(hù)樁發(fā)生位移突變，樁體位移影響深度達(dá)到14.0 m。由圖2（b）可知：第一排錨索施工造成的樁頂水平位移達(dá)到42.2 mm，錨索所在位置的樁身變形達(dá)到50 mm，錨索施工不當(dāng)對圍護(hù)樁變形影響大。

圖2 W17樁頂及附近不同深度處水平位移實(shí)測曲線

3 原因分析

該段基坑第一層土方開挖深度5.0 m，開挖范圍內(nèi)以填砂層為主。其他各段基坑開挖深度、地質(zhì)條件與該段基坑基本一致，第一層土方開挖后，樁頂水平位移9～20 mm，遠(yuǎn)小于該段基坑樁頂水平位移。現(xiàn)場分析了該段基坑的錨碇、錨索施工工藝，研究發(fā)現(xiàn)錨索糊鉆是基坑變形過大的主要原因，同時(shí)錨碇預(yù)應(yīng)力損失、地下空洞塌陷也是造成基坑變形突變的原因。

3.1 錨索糊鉆的影響

錨索自由段基本位于淤泥層，鉆孔應(yīng)采用套管跟進(jìn)技術(shù)，鉆孔循環(huán)水應(yīng)該由孔眼流出。但是，現(xiàn)場錨索成孔采用套管沖水鉆進(jìn)的施工工藝，見圖3（a），套管沒有跟進(jìn)，淤泥層出現(xiàn)塌孔，孔眼封堵，水不能從孔眼流出，注漿水、水泥漿沿套管外壁向孔口流動(dòng)，在土層薄弱的位置形成劈裂面，沿著劈裂面向上由地面流出，見圖3（b）。水壓和注漿壓力作用在土層劈裂面上，再由土體傳至護(hù)坡樁，圍護(hù)樁發(fā)生位移突變。錨索糊鉆后造成的壓力見圖4。

圖3 施工現(xiàn)場

圖4 土層劈裂后圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力分析示意（單位：mm）

錨索鉆孔注漿期間，作用在劈裂面上的荷載變化情況見圖5。圖中：t0為鉆孔、第一次注漿完成時(shí)間；t1為第二次劈裂注漿開始時(shí)間；t2為第二次劈裂注漿結(jié)束時(shí)間；t3為錨索影響結(jié)束時(shí)間。水壓和注漿壓力荷載及位移發(fā)展分為四個(gè)階段：①在沖水鉆孔、第一次注漿期間，作用在土層劈裂面上的水壓逐漸增大，圍護(hù)樁發(fā)生位移突變。②第一次注漿完成后，作用在土層劈裂面上的水壓開始減少。③第二次劈裂注漿階段，作用在土層劈裂面上的注漿壓力逐漸變大。④注漿完成后，注漿壓力消失，圍護(hù)樁以一定的速率向坑內(nèi)位移，位移發(fā)展一定時(shí)間后趨于穩(wěn)定。

圖5 錨索鉆孔期間作用在劈裂面上的荷載

3.2 錨碇預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重

由圖2可知，該段基坑開挖至第一層土方底之后，樁頂水平位移持續(xù)發(fā)展了6 d。其他段基坑，開挖至第一層土方底之后，樁頂水平位移約20 mm，位移基本穩(wěn)定。

對比其他段基坑地質(zhì)條件施工位移，錨碇預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重是樁頂水平位移持續(xù)發(fā)展的主要原因。同時(shí)，第一層土方底部基本位于淤泥層，坑底地質(zhì)條件差也會(huì)造成樁頂水平位移增大。

錨碇拉力時(shí)程曲線見圖6。可知，錨碇的鎖定荷載為250 kN，鎖定后錨碇拉力約125 kN，預(yù)應(yīng)力損失了50%。

圖6 預(yù)應(yīng)力損失的錨碇應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果

造成錨碇預(yù)應(yīng)力損失的原因是：①錨碇前方土體碾壓不密實(shí)，造成預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重。張拉后錨碇前方土體向基坑內(nèi)位移了約20 mm，經(jīng)計(jì)算，錨碇預(yù)應(yīng)力損失約100 kN，見圖7。開挖第一層土方后，該段基坑樁頂穩(wěn)定位移比其他段基坑大20 mm 左右，與錨碇前方土體變形基本一致。錨碇前方土體松散是導(dǎo)致錨碇預(yù)應(yīng)力損失、基坑位移增大的主要原因。②錨具質(zhì)量差，錨夾片不佳，鎖定時(shí)造成部分預(yù)應(yīng)力損失。③未按要求分級張拉，同時(shí)，每級張拉的持續(xù)時(shí)間不足。④基本試驗(yàn)不充分，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)及時(shí)反饋設(shè)計(jì)分析，研究確定張拉荷載。

圖7 錨碇張拉鎖定后前方土體變形

錨碇預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重，對樁頂?shù)募s束小，造成樁頂水平位移偏大。現(xiàn)場對錨碇進(jìn)行了二次張拉，錨碇拉力穩(wěn)定在270 kN左右，位移逐漸趨于穩(wěn)定。

3.3 地下空洞塌陷的影響

錨索施工不當(dāng)，錨索孔口出現(xiàn)流水、流砂現(xiàn)象，樁背土體被掏空，形成地下空洞。當(dāng)?shù)叵驴斩催^大，或者在雨季地質(zhì)條件變差時(shí)，空洞上方土體突然塌陷，影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力，造成圍護(hù)樁變形。樁背地面塌陷見圖8。

圖8 樁背地面塌陷

4 處理措施及效果

4.1 處理措施

現(xiàn)場對錨碇和錨索施工進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)措施如下：

1）對于未張拉鎖定的錨碇，進(jìn)行錨碇抗拔力檢驗(yàn)試驗(yàn)。抗拔力檢驗(yàn)試驗(yàn)定位總錨碇?jǐn)?shù)的5%，檢驗(yàn)荷載為1.6T（T為設(shè)計(jì)抗拔力），每級荷載等待觀測時(shí)間10～15 min，要求最大張拉荷載下鋼絞線伸長量不大于18 cm。對于有明顯預(yù)應(yīng)力損失的錨碇，進(jìn)行再張拉鎖定。錨碇的再張拉鎖定荷載定為350 kN，再張拉荷載為1.4T（T為設(shè)計(jì)抗拔力）。

2）錨索成孔施工要求跳二打一，相鄰孔注漿并初凝后方可開孔。遇到流塑淤泥層和流砂層時(shí)，不得采用套管沖水鉆進(jìn)的鉆孔施工工藝，應(yīng)采用鉆頭鉆進(jìn)、套管跟進(jìn)、套管內(nèi)出渣的方法成孔。當(dāng)?shù)貙訔l件允許采用套管沖水鉆進(jìn)成孔時(shí)，要求自由段范圍鉆進(jìn)速度不大于0.5 m/min，給水壓力小于200 kPa。錨索首次壓漿的壓力應(yīng)小于200 kPa，以灌滿為止，不得加壓。

3）漏水漏砂處須即時(shí)封堵，地下空洞采用注漿填充。

4.2 處理效果

該段基坑采取處理措施后，第二層、第三層錨索施工期間，沒有發(fā)生位移突變。在第二層、第三層土方開挖期間，樁頂水平位移速率均為20 mm/d左右。

其他各段基坑施工吸取了該段基坑的經(jīng)驗(yàn)，基坑順利開挖到底。基坑開挖到底時(shí)，樁頂水平位移約為60 mm，樁身最大變形約90 mm，處于穩(wěn)定狀態(tài)，驗(yàn)證了基坑支護(hù)方案和處理措施合理且可行。

5 結(jié)論

1）錨索糊鉆后，對土層形成劈裂，注漿壓力、水壓力作用在劈裂面上，導(dǎo)致圍護(hù)樁產(chǎn)生位移。注漿階段位移速率大，停止注漿后，位移速率逐漸減小。對于新填海場地的基坑，圍護(hù)樁位移會(huì)持續(xù)發(fā)展10～14 d。

2）在新填海場地施工錨索，必須套管跟進(jìn)，同時(shí)控制鉆進(jìn)速度和給水壓力，一旦糊鉆，就會(huì)給基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)造成過大的側(cè)壓，造成基坑變形過大，甚至影響基坑的安全。

3）錨索鉆進(jìn)過程中，要密切關(guān)注孔口的流泥、流水現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)糊鉆，就采取相應(yīng)處理措施。

4）基坑開挖過程中，當(dāng)錨索孔出現(xiàn)漏水、流泥時(shí)，應(yīng)及時(shí)封堵，避免造成樁后空洞，甚至塌方。

5）施工時(shí)嚴(yán)密觀測錨碇、錨索拉力，對于預(yù)應(yīng)力損失嚴(yán)重的錨碇、錨索及時(shí)進(jìn)行二次張拉。