岩层与软土分界处深基坑围护结构变形规律研究

曹祥枫（上海地铁咨询监理科技有限公司，上海 200032）

0 引言

随着我国国民经济的飞速发展和城市化进程的不断加快，针对城市地下空间的开发利用项目也在合理有序地加紧推进，包括城市轨道交通、商业开发、城市综合管廊、海绵城市建设等，使得深基坑工程越来越多，基坑深度越来越深，周边环境越来越复杂。与此同时，深基坑的安全性，尤其是对深基坑变形的控制，越来越受到业内人士的关注。在城市地下空间开发工程中，为了更好地控制深基坑变形，以提高深基坑的安全性，工程技术人员必须要先深入探究深基坑围护结构的变形规律，以此作为工程实践的理论依据。为此，笔者以青岛地铁某工作井基坑开挖为例，分析说明在近海区域土岩组合地层基坑开挖过程中围护结构的变形规律，供业内人士在开展类似工程时参考。

1 工程简介

青岛地铁某工作井基坑开挖深度约为 35 m，基坑深、地层差、地下水丰富、距海近，采用“地下连续墙（41.86 m）＋混凝土（钢）支撑”的围护体系。根据开挖情况，上层主要为回填土、沉积粉质黏土、冲积含砂粉质黏土层和砂层（厚约 30 m），基岩为砂岩及火山角砾岩（开挖面以上基岩强度约为 5 MPa），基岩各风化层面埋深及基岩完整性、强度变化较大。

2 深基坑围护结构变形研究现状

2.1 深基坑工程的概况

深基坑工程包含深基坑支护体系设计施工以及土方工程，是一项综合性很强的系统工程[1]，对岩土勘探、结构设计和施工管理的工程技术人员之间的协调配合提出了更高的要求。深基坑工程有很强的区域性和个体差异性。地下工程土质的千变万化，地下建构筑物的不确定性以及水文地质条件的复杂性、不均匀性，造成勘察数据失真，导致局部勘探点难以代表区域土层的总体情况。因此，深基坑开挖需要具体问题具体分析，因地制宜，而不能简单地搞经验主义[2]。部分区域的主要矛盾是地下工程水土流失造成地层破坏，部分区域基坑的主要矛盾是周边地面变形[3]。此外，深基坑工程具有较强的环境效应[4]，深基坑开挖对周边环境影响很大，施工过程中难免引起地层水土情况和应力场的变化。这给深基坑变形的研究提供了较好的参考资料。

2.2 深基坑围护结构变形研究现状

目前，我国在软土地区的深基坑开挖变形控制研究经验非常丰富，很多研究人员通过上海，杭州、宁波、无锡等城市不同支护形式的深基坑施工实践，总结了很多关于基坑开挖深度、开挖面位置与支护结构变形的关系。

对软土地区基坑支护结构变形的众多研究文献进行总结，得出以下结果。

（1）在上海，深基坑支护结构水平位移变形曲线多为深层凸鼓形，一般水平位移最大值与基坑开挖深度比值在区间 [0.04%，0.6%]以内，平均值约为 0.3%；水平位移最大值一般在开挖面以下 7 m 至开挖面以上 1.5 m 的范围之内[5]。

（2）在江苏，围护结构最大水平位移平均值约为开挖深度的 0.16%，其中，无锡市的支护结果水平位移最大值与基坑开挖深度比值在区间 [0.045%，0.3%]以内，平均值约为 0.12%；苏南地区的支护结构水平最大变形与开挖深度的比值稍微小于软土地区的统计经验值，与国外硬黏土地区基坑统计结果相近[6]，说明苏南地区的土质抗变形能力略好于上海。

在软土与岩层有比较明显分界面的地区，如青岛和武汉，其深基坑开挖的变形规律还没有得到深入研究。一般来说，青岛市的地下土质，上部是回填土、淤泥质土、黏性土和砂土等较软弱的土体，下部为微风化、中风化或强风化岩体，相对较硬[7]。在这种土岩结合地质中，基坑开挖时周边地表沉降的最大值往往不在地面，而在地下一定深度，而岩层上部覆土层的大小对地面沉降的变化有着较大影响，基坑开挖过程中周边地面沉降的最大值、围护结构水平位移的最大值与岩层上部覆土厚度均呈二次抛物线关系。围护结构水平位移突变通常发生在土岩地层分界处或土岩地层分界处附近[8]，并且岩层上部覆土厚度对基坑周边地面沉降的影响要大于对围护结构水平位移的影响。本文旨在对此类地层进行围护结构变形规律进行分析验证，为这一类土岩组合地层的深基坑工程的设计、施工提供参考和借鉴。

3 深基坑围护结构变形规律分析

深基坑围护结构变形主要是桩体水平方向发生位移，其变形规律主要与水文地质、土质情况、支护形式、周边荷载等相关，本文主要从土岩特征角度进行分析。

3.1 深基坑范围内的地质情况

勘察资料显示，深基坑范围内地表主要为厚层填土，填土下为粉质黏土，基岩为泥质砂岩和火山角砾岩，基岩埋深 28 m～32 m。地层层序如下。

（1）第 ①3-1 层为冲填土，以冲填土、杂填土为主，层底标高－1.62 m，层厚 4.8 m～8.4 m；整体力学性质不均匀，压缩性高，自稳性差。

（2）第 ⑥1 层为淤泥质粉质黏土，层底标高－8.82 m，揭露层厚 0.60 m～7.80 m，灰色～深灰色；为海积成因饱和性土，流塑～软塑，较均匀，切面光滑，干强度高，韧性中等，物理力学性质较差。

（3）第 ⑨ 层为中粗砂，层底标高－9.62m，揭露层厚 0.80 m～1.60 m；中密～密实，矿物成分主要为长石、石英，分选中等，磨圆一般，含黏性土 10%～25%。

（4）第 ⑪ 层为粉质黏土，层底标高分别为－13.42 m 和－26.02 m，揭露层厚 1.10 m～14.90 m，黄褐～褐黄色；可塑～硬塑，含少量砂粒，韧性较高干强度高，局部相变为黏土。

（5）第 ⑪1 层为中粗砂，层底标高－14.82 m，揭露层厚 0.80 m～3.40 m；中密～密实，矿物成分主要为长石、石英，分选中等，磨圆一般，含黏性土 10%～25%。

（6）第 ⑫ 层为粗粒砂，层底标高－29.02 m，揭露层厚 1.40 m～5.60 m；中密～密实，矿物成分主要为长石、石英，含黏性土 10%～35%，部分呈黏性土轻微胶结状。

（7）第 ⑯13 层为强风化泥质粉砂岩，分布较广，层底标高－44.72 m，揭露层厚 1.00 m～15.00 m；主要为长石和岩屑，颗粒以粉砂为主，土质较松散，泥质胶结，胶结程度差，近黏土状，岩石遇水软化现象比较明显，岩体基本质量等级为 V 级。

3.2 开挖面在土岩分界面前的变形规律分析

根据实际开挖情况及地质勘查报告揭露，岩土分界面在－29 m 左右；基坑范围内土层厚度约为 29 m，分界面以下方为火山角砾岩。基坑未开挖至土岩分界面之前，基坑变形与软土地区基坑变形研究成果相吻合，其水平位移变化最大的位置处于开挖面附近，位移最大为开挖深度的 0.03%（接近软土地基统计数值的下限）。这与本工程围护结构为地下连续墙有关，且围护结构深入基岩，抗变形能力要强于软土地基。

3.3 开挖面到达土岩分界面时的变形规律分析

基坑开挖至土岩分界面时，变形呈献断崖式变化，最大水平位移位置处于开挖面（也是土岩分界面）。其主要原因为：在土岩分界面上方主动土压力较大，下方岩层主动土压力较小，围护结构在土岩分界面处产生较大的剪力。因此，该部位变形最大且呈断崖式。

3.4 开挖面超过土岩分界面时（开挖至基坑底）的变形规律分析

基坑开挖至土岩分界面以下至基坑底时，围护结构变最大水平位移位置仍然处于开挖面处，但基底开挖面的围护结构水平位移却基本为 0，从而造成土岩分界面至基底的围护结构水平位移呈直线式。上述情况说明：岩层的侧向土压力比较均匀且很小，主要是由来自土层的向坑内方向侧向主动土压力和岩层对围护结构的向坑外的被动土压力形成剪力造成的。所以基坑开挖至岩土分界面之下后，开挖面的围护结构水平位移变化速率会增大，但是很快会趋于稳定，主要由岩层土方开挖后围护结构的应力突然释放造成。

4 结语

综合上述分析发现，对于土岩层次分明的深基坑工程，随着基坑开挖的进行，基坑围护结构水平位移变化主要分为两个阶段。

第一阶段为开挖深度到达土岩分界面之前。此时围护结构水平位移及地面沉降的变化趋势基本与前文所述的软土地层变形规律相契合，但是因为土岩分界面下方岩层的嵌固作用，前期的基坑最大水平位移总体要比软土区域小。

第二阶段为开挖深度到达土岩分界面之后。此时基坑围护结构水平位移在土岩分界面处达到峰值，随着土岩分界面下部岩层的开挖，开挖面之上的围护结构应力得以释放，这就导致分界面处围护结构水平位移与基坑开挖面的围护结构水平位移呈线性关系。

基于以上研究结论，笔者认为在深基坑施工过程中应做好以下几项工作。

（1）在类似的土岩具有明显分界面地层中，勘探工作应准确、有效地取得基坑范围内土岩分界面的具体标高，为设计工程人员提供足够的基础数据。

（2）在设计过程中应根据勘察数据，合理设计基坑支护体系，加强岩土分界面处的支撑强度，同时提出更有针对性的监测措施。

（3）在基坑施工阶段，根据不同阶段的特点制定有针对性的安全生产措施，尤其是开挖至土岩分界面处应加强监测频率，加强基坑开挖过程中重要节点的巡视检查，一旦开挖至岩面应及时调整相关保障措施。

（4）在基坑开挖施工过程中抓好信息化管理工作，安排专业施工监测人员对基坑水平位移、地面沉降、支撑应力、地下水位以及周围建筑物进行监测，根据监测工作动态调整管理措施，针对土岩具有明显分界面的地层编制有针对性的应急预案，提前预判可能发生的险情，做好准备工作，确保基坑工程安全。