軟弱土層基坑支護(hù)技術(shù)與施工風(fēng)險控制研究

潘 磊

（北京鐵研建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司，北京 102600）

軟弱土層是指天然含水量高、抗剪強度低、壓縮性大的土質(zhì)區(qū)域。此類土層通常承載能力較弱，影響建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。如何在保證施工效率的前提下，高效處理軟弱土層并進(jìn)行支護(hù)，已成為保證建筑穩(wěn)定性與安全性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?；诖耍疚囊院颖钡貐^(qū)某工程為例，細(xì)致地分析、研究了該工程涉及的軟弱土層，總結(jié)了這一特定土層的特性，旨在探討、梳理軟弱土層基坑支護(hù)中懸臂排樁和預(yù)應(yīng)力錨索組合支護(hù)技術(shù)的施工工藝流程，并客觀總結(jié)該基坑支護(hù)技術(shù)可能遇到的施工風(fēng)險及控制措施，以提高工程施工的安全性和施工質(zhì)量。

1 工程概況

本項目位于河北地區(qū)，建筑總面積15.2 萬m2，包含一個由12 棟樓連接而成的地下室，其面積約為6.2 萬m2。工程南側(cè)基坑側(cè)壁安全等級為一級，安全系數(shù)定為1.10?；又ёo(hù)系統(tǒng)總長約300m，由兩部分組成：一部分是230 根直徑為900mm、長度為17.2m 的懸臂灌注樁；另一部分是230 根長度為32m 的預(yù)應(yīng)力錨索。工程基坑深度約為8.5m，在懸臂樁和預(yù)應(yīng)力錨索施工區(qū)域內(nèi)的土層包括人工填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土和中粗砂，均為典型的軟弱土層。由于項目所在地區(qū)地下水位較高，同時，受季節(jié)性變化和地表水影響顯著，在基坑挖掘到約4m 時，會接觸到地下水，給軟弱土層基坑施工帶來一定的安全風(fēng)險。

2 軟弱土層基坑支護(hù)技術(shù)分析

2.1 軟弱土層特點對基坑支護(hù)技術(shù)選擇的影響

軟弱土是指天然孔隙比≥1.0，且天然含水量大于液限的細(xì)粒土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土、飽和黏性土等。本項目中，軟弱土層的特點對基坑支護(hù)技術(shù)的選擇和施工策略有著決定性影響。一方面，從土層組成與物理特性上看，基坑區(qū)域內(nèi)的軟弱土層主要由人工填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土和中粗砂組成，其共同特點是含水量高、抗剪強度低，以及明顯的壓縮性和塑性。例如，粉質(zhì)黏土在水飽和狀態(tài)下，易于流動，表現(xiàn)出較低的剪切強度和高度的塑性變形，而淤泥質(zhì)土因由細(xì)顆粒構(gòu)成，在水分影響下展現(xiàn)出較強的壓縮性。在承受荷載時，土質(zhì)的物理特性使得軟弱土層容易發(fā)生不均勻沉降，影響基坑的穩(wěn)定性。另一方面，從水文條件與地下水影響上看，該工程所在區(qū)域的地下水位相對較高，尤其在基坑挖掘至4m 深時，即可觸及地下水層。地下水不僅提高了土層的飽和度，還極易降低土體強度，增加基坑邊坡滑移和流變風(fēng)險。此外，在基坑開挖和支護(hù)工作中，地下水位的季節(jié)性波動和地表水影響，進(jìn)一步增加了土層穩(wěn)定性的不確定性。因此，考慮到軟弱土層的物理特性和復(fù)雜的水文條件，本項目采用了懸臂排樁與預(yù)應(yīng)力錨索組合技術(shù)。懸臂排樁是一種有效的土體固結(jié)方法，能夠在軟土中形成穩(wěn)定的支撐結(jié)構(gòu)，減小側(cè)向土壓力和減少沉降。預(yù)應(yīng)力錨索可提供額外的橫向支撐力，增強基坑側(cè)壁的整體穩(wěn)定性，尤其是在高地下水條件下，有助于控制土體的水動力行為和減少基坑側(cè)壁的水壓力。此種綜合支護(hù)技術(shù)，既考慮了軟弱土層的物理和化學(xué)特性，也能有效應(yīng)對地下水位變化對基坑穩(wěn)定性的影響。

2.2 懸臂排樁與預(yù)應(yīng)力錨索組合支護(hù)技術(shù)

2.2.1 懸臂式排樁受力分析

本工程中，懸臂式排樁作為基坑支護(hù)的關(guān)鍵組成部分，其受力狀況直接影響整個基坑的穩(wěn)定性。懸臂式排樁是一種自立式支護(hù)結(jié)構(gòu)，其頂部未被錨固，因而在土壓力作用下，受力情況具有復(fù)雜性。首先，懸臂式排樁主要承受來自軟弱土層的側(cè)向土壓力。由于軟弱土層的高含水量和低抗剪強度，土層受力后易產(chǎn)生位移，對排樁形成持續(xù)的側(cè)向壓力，這一部分壓力由土體的側(cè)向土壓力和水平土壓力組成。側(cè)向土壓力受到土體特性，如內(nèi)摩擦角和粘聚力的影響；水平土壓力則與地下水位相關(guān)，水位越高，對排樁的水平推力越大。其次，排樁承受來自基坑開挖作用產(chǎn)生的不均勻荷載。在基坑開挖過程中，排樁會暴露于不同深度的土層壓力中，此種不均勻的土壓分布，會導(dǎo)致排樁在縱向上承受不同程度的彎矩，使得懸臂樁變形，呈現(xiàn)“月牙形”。最后，懸臂式排樁在頂部未錨固的情況下，主要依賴排樁底部的固定和排樁本身的抗彎性能來維持其穩(wěn)定性。排樁長度、直徑和材質(zhì)應(yīng)能抵抗高強度的側(cè)向壓力和彎矩，在復(fù)雜土層條件下，保證其穩(wěn)定性。

2.2.2 預(yù)應(yīng)力錨索受力分析

預(yù)應(yīng)力錨索系統(tǒng)作為懸臂排樁的輔助支護(hù)，對控制軟弱土層的基坑穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用。本工程中，錨索主要受力包括預(yù)張力、土體活動力和水平土壓力，其共同作用于錨索，影響其性能和穩(wěn)定性。其中，預(yù)張力是通過預(yù)應(yīng)力技術(shù)施加于錨索的初始張力，目的是預(yù)先緊繃錨索，以立即提供拉力支持，對抗基坑開挖過程中激發(fā)的土壓力。在軟弱土層中，計算預(yù)張力需充分考慮土層的壓縮性、塑性變形特性及預(yù)期沉降量，以確定預(yù)張力大小。土體活動力指因基坑開挖引起的土層移動或位移對錨索施加的力。在粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)土等土層中，由于土層的高壓縮性和低剪切強度，土體活動力極易隨時間增加，而當(dāng)土層水分條件發(fā)生變化時，土體活動力變化更為顯著。水平土壓力是由土層的水平壓力和地下水的水壓力共同作用于錨索上的力。在高地下水位的環(huán)境下，水平土壓力會因水的浮力效應(yīng)而增大，因此，要求使用的錨索具有足夠的強度和錨固長度，以抵抗由水壓引起的拉力。

2.2.3 施工工藝

在軟弱土層基坑支護(hù)中，應(yīng)用懸臂排樁與預(yù)應(yīng)力錨索組合支護(hù)技術(shù)，需嚴(yán)格按照既定的工藝流程完成施工。本工程的施工工藝流程如下：

①懸臂灌注樁施工流程：一是施工前進(jìn)行地質(zhì)勘察。運用地質(zhì)勘察鉆機(jī)鉆取土樣，實施土工試驗，包括標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和動力觸探試驗，以獲取人工填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土和中粗砂等軟弱土層的精確數(shù)據(jù)。二是樁位布置與定位。采用全站儀準(zhǔn)確布置樁位，按設(shè)計圖紙準(zhǔn)確放置230根直徑為900mm、長度為17.2m 的懸臂灌注樁。三是排樁施工。使用靜力壓樁機(jī)或旋挖鉆機(jī)進(jìn)行排樁。鉆孔時，根據(jù)土層情況選擇合適的鉆頭，并監(jiān)測鉆進(jìn)速度，以保證樁孔質(zhì)量。其中，人工填土和粉質(zhì)黏土層選用螺旋鉆頭，淤泥質(zhì)土和中粗砂層選用貝殼鉆頭（也稱為桶式鉆頭）。四是制作、下放鋼筋籠。根據(jù)設(shè)計要求，采用直徑不小于25mm的HRB400級鋼筋，保證籠體結(jié)構(gòu)強度，并利用起重機(jī)械將其穩(wěn)定下放到預(yù)先鉆好的樁孔中。五是混凝土澆筑。在鋼筋籠下放到位后，使用泵送車和導(dǎo)管對樁孔進(jìn)行混凝土澆筑，使混凝土級別不低于C30，保證樁體的承載力和耐久性，并采用導(dǎo)管澆筑至樁底，以防混凝土與泥漿混合。六是樁身質(zhì)量檢測。樁身成型后，利用超聲波無損檢測設(shè)備—樁身完整性檢測儀，檢測樁身的完整性。

②預(yù)應(yīng)力錨索施工流程：一是錨孔定位與鉆設(shè)。使用全站儀精確定位錨孔位置，利用高性能多功能鉆機(jī)（XY-1 型鉆機(jī)）鉆設(shè)直徑150mm、深度32m 的錨孔，保證鉆孔的垂直度和位置精度符合設(shè)計要求。二是制作、安裝錨桿。制作長度為32m、直徑為32mm 的全螺紋鋼錨桿，材質(zhì)為高強度鋼材（PSB830 級螺紋鋼）。安裝時，使用吊車將錨桿小心放入鉆孔，防止出現(xiàn)變形或損傷。三是一次注漿。使用高壓注漿泵（UB3 型手動注漿泵）進(jìn)行初次注漿，采用的水泥漿配比為1∶0.5（水泥∶水），且添加適量的漿體增強劑，以提高漿體的流動性和黏結(jié)強度。初次注漿量至少為錨孔體積的1.5 倍，以保證孔內(nèi)無空洞。四是張拉與預(yù)應(yīng)力施加。錨桿安裝并初次注漿固化后（一般為24h 后），使用液壓張拉設(shè)備（YCW 系列張拉油壓機(jī)）進(jìn)行錨索張拉，施加設(shè)計要求的預(yù)應(yīng)力（每根錨索150kN）。五是二次高壓注漿。張拉完成后，進(jìn)行二次高壓注漿，以增強錨固效果。使用高壓注漿機(jī)（ZBYS 系列高壓注漿泵）對錨索進(jìn)行高壓注漿，壓力不低于5MPa，保證漿液充分滲透錨固體系，形成有效的應(yīng)力傳遞。六是制作、固定錨固頭。使用高強度鋼板和對應(yīng)螺栓固定錨固頭，保證張拉力的傳遞和錨固的可靠性。七是錨索保護(hù)措施。錨索露出部分涂刷防腐涂料，并安裝防護(hù)套管，保護(hù)錨索免受腐蝕和機(jī)械損傷。

③組合支護(hù)系統(tǒng)檢測流程：一是安裝監(jiān)測系統(tǒng)。在懸臂排樁和預(yù)應(yīng)力錨索施工完畢后，在關(guān)鍵位置安裝地質(zhì)應(yīng)變儀和傾斜儀等監(jiān)測設(shè)備，以實施實時監(jiān)測。其中，地質(zhì)應(yīng)變儀安裝于排樁的中上部，傾斜儀安裝在基坑邊緣，并設(shè)置水位計和滲壓計，用于監(jiān)測地下水位和水壓變化。二是數(shù)據(jù)分析與調(diào)整。利用自動化數(shù)據(jù)采集器，收集監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)，并傳輸至工程監(jiān)控中心。分析收集的數(shù)據(jù)，包括排樁位移、傾斜角度、錨索應(yīng)力變化、地下水位和水壓動態(tài)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，調(diào)整預(yù)應(yīng)力錨索的張力。例如，如果監(jiān)測數(shù)據(jù)表明土層位移或傾斜超過安全閾值，則需增加預(yù)應(yīng)力錨索的張力，以增強支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。三是安全評估。利用專業(yè)分析軟件SAP2000 或PLAXIS，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)模擬分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，并定期對支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行物理檢查，保證其無明顯變形、裂縫或腐蝕。若檢測到潛在不穩(wěn)定現(xiàn)象，立即采取加固措施，如增設(shè)臨時支撐或進(jìn)行局部加固，以保證施工安全。

3 軟弱土層基坑支護(hù)施工風(fēng)險及控制措施

3.1 基坑邊坡穩(wěn)定性不足及控制措施

本項目軟弱土層基坑支護(hù)施工中，基坑邊坡穩(wěn)定性不足是較為顯著的施工風(fēng)險。由于土層主要由人工填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土和中粗砂構(gòu)成，在水分影響下容易發(fā)生塑性變形和流動，特別是在遇到地下水時，會進(jìn)一步降低土體的穩(wěn)定性。此外，基坑深度達(dá)8.5m，較大的開挖深度增加了邊坡失穩(wěn)的可能性。為此，施工團(tuán)隊主要采取了以下幾種措施：第一，采用邊坡加固技術(shù)。在邊坡上設(shè)置臨時支撐結(jié)構(gòu)或預(yù)應(yīng)力拉桿，以增強邊坡的整體穩(wěn)定性，并在邊坡表面覆蓋防蝕材料，包括土工布、噴涂防腐劑，以減少雨水對邊坡的侵蝕。第二，實施有效的排水措施。在邊坡上部和基坑底部設(shè)置排水系統(tǒng)，包括排水管和集水井，以有效降低邊坡的水分含量，增強穩(wěn)定性，特別是在雨季，排水系統(tǒng)能快速降低邊坡的飽和度，減少水壓力影響。第三，安裝地質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，包括土壓力計和傾斜計，實時監(jiān)測邊坡的移動和變形。一旦監(jiān)測到邊坡移動超過安全閾值，立即采取補救措施，如增加支撐或調(diào)整排水策略。

3.2 地下水水位變化及控制措施

本項目軟弱土層中的地下水不僅增加了土層的水壓力，還可能降低排樁和錨索的穩(wěn)定性，進(jìn)而威脅基坑的穩(wěn)定性。首先，在實際施工中，施工團(tuán)隊在基坑周圍安裝水位計和滲壓計，實時監(jiān)測地下水位。此類監(jiān)測設(shè)備能夠提供水位變化的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，幫助工程團(tuán)隊做出及時響應(yīng)。其次，施工團(tuán)隊設(shè)計和實施高效的基坑排水系統(tǒng)與防水屏障，包括深井泵、排水溝、注漿帷幕或土工膜等，防止水分沉積或周圍地區(qū)地下水流入基坑。再次，施工團(tuán)隊在基坑底部和邊坡安裝排水管道，以保證地下水能夠及時排出，有效降低基坑內(nèi)的水壓，減輕排樁和錨索的負(fù)擔(dān)。最后，施工團(tuán)隊根據(jù)地下水水位變化調(diào)整錨索的預(yù)應(yīng)力。若地下水位上升，導(dǎo)致土壓力增大，可通過增加錨索的張力來提高整個支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證高效施工。

4 結(jié)語

綜上所述，本文通過深入分析河北地區(qū)某工程軟弱土層特性及深基坑施工方案，不僅明確了基坑支護(hù)中懸臂排樁與預(yù)應(yīng)力錨索組合支護(hù)技術(shù)應(yīng)對軟弱土層高含水量、低抗剪強度和易壓縮性方面的有效性，還強調(diào)了準(zhǔn)確施工和風(fēng)險管理的重要性，以期為同類型地區(qū)工程實踐提供借鑒，推動軟弱土層基坑支護(hù)施工的高質(zhì)量進(jìn)行。