软土场地钢板桩支护管廊基坑风险分析与对策研究

王金鹏 魏振豹 贾瑞全

（1.中铁十七局集团第三工程有限公司 河北石家庄 050081；2.中铁十七局集团第四工程有限公司 重庆 401121）

1 引言

城市地下综合管廊是城市化发展战略的重要市政基础设施，也是二十一世纪城市现代化的重要标志之一［1］。管廊深基坑工程具有场地空间跨度大、地质条件多变、施工环境复杂等特点，给深基坑的施工安全和周边环境带来诸多不利因素［2］。长江冲积漫滩的“二元结构”地层分布，上部软土强度低，不利于土体支护；下部砂土渗透性好，给地下水控制带来困难［3-4］。结合管廊基坑的条状特征，基坑工程的“时空效应”在软土场地管廊基坑工程中得到了充分显现［5-6］。钢板桩加内支撑是软土场地管廊基坑广泛使用的支护结构体系［7］，钢板桩围护墙能起到挡土和挡水的双重作用，并且具有基坑施工完毕后可将钢板桩回收再次使用等优点［8］。但是钢板桩支护结构体系也存在刚度低、易变形，以及钢板桩打拔对周边环境影响大的缺点。

为此，针对软土场地钢板桩支护结构体系，依托江北新区管廊基坑工程建设，以保证基坑施工安全和减小管廊基坑开挖对周边环境影响为目标，结合场地地质条件、地下水流动特性和实际工程问题，通过管廊基坑工程施工潜在风险分析，提出减小软土场地钢板桩支护管廊基坑工程风险的控制措施，为软土场地管廊基坑工程的合理设计和施工提供指导。

2 工程概况

2.1 钢板桩基坑支护结构

康华路综合管廊采用钢筋混凝土结构，标准断面为双舱布置，断面为（6.75×4.05）m矩形。基坑采用明挖法施工，标准断面顶板覆土2.5～3.0 m，标准断面埋深6.0～8.0 m。基坑宽度8.7 m，开挖深度6.5～8.1 m。基坑安全等级为二级，基坑设计使用期限一年。基坑支护结构采用IV型拉森钢板桩，桩长15 m，兼具挡土和止水的作用。另设两道φ609×16钢管支撑，增加支护体系刚度，减小基坑变形。典型标准断面基坑支护结构形式如图1所示。

2.2 场地地质条件

拟建场地为长江河漫滩地貌单元，主要覆盖第四纪松散沉积物，地下水埋深较浅，浅部软土发育较厚，软土下发育的砂性土富水性较好，具承压水特性。基坑开挖涉及的场地土层主要有：

①-1，杂填土，杂色，稍密～中密，分布于场区表层，含有较多碎石子、黏性土等，堆填时间小于5年。

①-2，素填土，灰黄色，软塑～可塑，以粉质黏土为主，混少量碎石，含有少量塘泥，含少量植物根系，堆填时间小于5年。

②-2b4，淤泥质粉质黏土，灰色，流塑，场区均有分布，切面细腻光滑，含少量贝壳碎片及腐殖质，夹粉砂、粉土薄层，单层厚 （0.1～1.0）cm，具层理，偶呈互层状。

②-2d3，粉砂夹粉土，灰色，稍密～中密，颗粒级配良，颗粒以圆形和亚圆形为主，其矿物成分以石英、长石颗粒和云母片为主，粉土，湿，稍密。

图1 典型标准断面基坑支护结构（单位：mm）

②-2bd3，粉质黏土夹粉砂，灰色，软塑，局部流塑，粉质含量较高，夹粉砂薄层，单层厚（0.1～2.0）cm，具层理，局部呈互层状。

②-4d2，粉砂，灰色，中密，局部夹薄层粉土，颗粒级配良，颗粒以圆形和亚圆形为主，其矿物成分以石英、长石和云母片为主。

②-4bd3，粉质黏土夹粉砂，灰色，软塑，夹粉砂薄层，切面稍光滑，无摇震反应，韧性、干强度中低。

典型场地土层分布如图2所示，场地土的物理力学性质如表1所示。

基坑开挖范围内涉及的填土和软土，其工程特性较差。①-1层杂填土和①-2层素填土，堆填时间小于5年，抗剪强度较低且不均匀，透水性强。②-2b4层淤泥质粉质黏土和②-2bd3层粉质黏土夹粉砂，软塑～流塑状态，抗剪强度低，具明显的流变性和触变性，属于高含水率、高孔隙比、高压缩性、低强度的中灵敏度软土。基坑底部下卧的②-2d3层粉砂夹粉土和②-4d2层粉砂，透水性好，地下水具有微承压性。从场地土的变形特性、强度特性和渗透特性三方面都不利于基坑工程施工，也给周边环境保护带来困难。

表1 场地土物理力学性质

3 软土场地管廊基坑工程潜在风险

管廊基坑工程具有场地空间跨度大、地质条件多变、施工环境复杂等特点。长江漫滩地貌建设场地广泛分布的触变性软土和透水性良好的粉砂，给基坑施工带来潜在的安全风险［9］。

3.1 软土扰动触变

基坑开挖深度内②-2b4层淤泥质粉质黏土和②-2bd3层粉质黏土夹粉砂为中灵敏度软土，具有高含水率、高孔隙比、高压缩性、低强度特点。钢板桩施工、坑底深层搅拌桩加固施工、基坑开挖等工程活动必将造成软土扰动触变，从而进一步使得土体抗剪强度降低，导致基坑支护体系安全度下降。软土的高压缩性使得基坑周边地面沉降增大，软土的低渗透性使得其变形具有明显的时间效应。

软土扰动触变强度下降的同时，软土的流动性增强，在钢板桩内外土压力差作用下，软土在钢板桩施工误差造成的桩间间隙中出现塑性挤出现象（见图 3），造成坑外地层损失，引起地面沉降，加剧了对周边环境的影响。

图3 软土桩间侧向塑性挤出

3.2 基坑坑底突涌

场地内地下水类型为孔隙潜水和微承压水。孔隙潜水分布于浅部①层填土中，主要接受大气降水入渗和地表水体补给，以蒸发为主要排泄方式，稳定水位埋深约1.50 m。基坑降水迫使基坑内外形成水头差，在水力梯度作用下场地土存在流土渗透破坏的可能性。

②-2d3粉砂夹粉土、②-4d2粉砂、②-4bd3粉质黏土夹粉砂层透水性良好，具有微承压性，勘察期间，测得微承压水水位埋深为（3.0～3.6）m。由于②-2d3层粉砂夹粉土和②-4d2层粉砂位于基坑底部附近，其承压水水头高于基坑坑底标高。随着基坑开挖深度的增加，承压含水层顶部的土层厚度减小，当承压含水层水头压力大于上覆土层自重时，基坑坑底存在“突涌”的可能性［10］，严重时会导致基坑支护结构体系失稳［11-12］。实际施工中也曾发现，基坑开挖至一定深度时，在前期勘察遗留钻孔中出现“涌土”的不良工程现象，给施工带来困难。

3.3 钢板桩施工

钢板桩打入，造成挤土扰动，导致场地土强度下降的同时，地面产生变形。基坑工程结束后，钢板桩的拔除进一步加剧了钢板桩周围土层产生的扰动。由于拔桩以及带土，在土体中形成缝隙，造成地层损失，导致地面沉降和路面开裂。不仅给已施工的管廊结构带来危害，而且影响邻近建筑物、道路和地下管线的正常使用。地下综合管廊大多位于道路之下，基坑开挖引起的环境效应，直接造成道路路面沉降和开裂，路面最大裂缝宽度达6 cm，如图4所示。

图4 路缘石和路面裂缝

通过10个钢板桩支护基坑施工区段的周边道路裂缝调查发现（见图5），不同施工阶段对路面裂缝的影响程度不同，值得注意的是钢板桩的打入和拔除诱发的裂缝宽度占有相当大的比例，分别为20.2%和32.3%。因此，减小钢板桩施工效应是防止地面沉降和路面开裂的关键。

图5 不同施工阶段路面裂缝宽度统计

4 消除基坑工程风险的工程措施

为了保证基坑施工安全和减小管廊基坑开挖对周边环境影响，首先有效控制了道路路面的开裂。针对软土场地钢板桩支护管廊基坑的特点，结合软土场地管廊基坑工程潜在风险分析，提出减小管廊基坑开挖对周边环境影响的具体工程措施：

（1）基坑开挖施工应严格遵循“开槽支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”的原则，缩短基坑开挖的施工工期，及时完成垫层施工，在基坑底部形成对钢板桩的有效支撑，以控制基坑支护结构变形，减小基坑变形的时间效应。

（2）为了确保基坑支护体系的稳定，基坑坑底宜采用深层搅拌桩加固，以提高钢板桩被动侧土体的抗力，减小基坑工程对场地软土的扰动，以弥补软土扰动导致的强度降低。

（3）有效控制基坑下卧承压含水层水头，结合现场水位观测，合理采取减压措施，杜绝基坑坑底突涌的发生。此外，要提高钢板桩的施工精度，减少桩间间隙，防止桩间漏水和土体塑性挤出现象的发生。

（4）优化拔桩次序，实行分仓、分段跳拔施工措施。配合拔桩施工，采用跟进压密注浆工艺，对拔桩形成的土体缝隙实施同步注浆。通过合理控制注浆量、注浆压力和浆液配比，实现水泥浆液凝固时间与拔桩施工措施在时间上的有机结合，减小拔桩引起的周边环境空间效应。

（5）为了减少钢板桩带泥量，钢板桩在沉桩前必须清除钢板桩表面铁锈和泥灰，桩身涂刷减摩剂，以减少桩体打拔时的阻力，也可选用能明显减小带泥量的400型钢板桩。

5 结论

鉴于长江漫滩软土场地和钢板桩支护管廊基坑的特点，结合工程建设中遇到的实际问题，全面分析了基坑工程施工中存在的软土扰动触变、基坑坑底突涌、钢板桩施工诱发的环境效应等潜在工程风险，从基坑开挖施工原则、扰动土体加固、承压含水层水头控制、优化拔桩施工、减小钢板桩带泥量等方面提出了消除基坑开挖风险的相应工程措施，对软土场地钢板桩支护管廊基坑的施工安全保障和环境效应减小具有积极的指导作用。