滨海湾新区软土基坑支护变形及控制措施研究

周书东，张贵保，张彤炜，张 益，黄锦盛

（东莞市建筑科学研究院有限公司 广东东莞 523809）

0 引言

近年来，随着城市化、工业化进程的不断推动，社会和经济的急速发展，我国在城市地下空间开发使用已经进入疾速增长阶段，尤其是岩土类的基坑工程得到迅速发展。就目前的基坑工程发展情况而言，其主要特点有：①基坑的数量与日俱增；②基坑的深度和面积逐渐变大；③基坑的周边管线和环境情况越来越复杂。对于在基坑工程中的施工阶段，如何保证基坑和周边建构筑物的安全，将成为决定基坑设计方案的关键点［1］。

对于土质较好的地层，基坑开挖过程中引起的周边地层变形小；对于软土地区的地层，其地质和水文条件比较差，软土层具有压缩性高、含水率高、渗透性低及流塑性等特性，因此基坑的变形也会更大，软土类基坑在施工过程中的变形控制愈加艰难［2］。软土基坑的开挖一般会导致临近地层的地下水位、土压力的变化，也会对基坑支护结构造成一定的变形，周边地面会产生沉降，因此将会对基坑的周边环境带来不利影响，进一步影响基坑的安全稳定性［3-5］。

由于需要保证基坑周边环境的安全，除了要求围护结构的强度必须符合设计规范标准的要求之外，对于基坑变形需要采取更为严谨的监测及控制手段，尤其是对基坑变形的控制研究已成为软土地区基坑工程的重中之重［6］。

1 软土的主要特性

软土是第四纪后期地表流水所形成的沉积物质，它主要包括淤泥和淤泥质土，一般是第四纪后期在滨海、湖泊、河滩、三角洲、冰碛等地质环境下缓慢沉积所形成。尤其是滨海湾新区的软土，长期受到暴风雨和海浪的侵袭，并且伴随着生成的沙堤，所以软土中常常夹有黏土和砂、清砂层。各地区软土层由于厚度不同，对工程的影响也不同。

软土的共性有颜色呈深灰或灰黑色，饱和、软～流塑状，具有高压缩性，土质细腻，含少量贝壳类碎屑，具有腥臭味，有机质含量高，承载力低等主要特性。

2 软土基坑变形的主要原因

通过实地调查及统计软土地区项目的基坑变形，存在的主要原因如图1所示。

图1 软土地区基坑变形成因分析Fig.1 Analysis of the Causes of Foundation Pit Deformation in Soft Soil Area

3 软土基坑变形的破坏形式

3.1 稳定性破坏

软土基坑变形的稳定性破坏如表1所示。

表1 软土地区基坑支护结构的稳定性破坏Tab.1 Stability Destruction of Foundation Pit Supporting Structure in Soft Soil Areas

3.2 强度破坏

软土基坑变形的强度破坏如表2所示。

表2 软土地区基坑支护结构的强度破坏Tab.2 Strength Failure of Foundation Pit Supporting Structure in Soft Soil Area

4 软土基坑变形的控制要点

软土基坑变形的控制要点如图2所示。

图2 软土基坑变形的控制要点Fig.2 Key Points for Controlling Deformation of Soft Soil Foundation Pit

5 软土基坑变形的有效控制措施

5.1 选择合理的基坑支护形式

针对软土基坑变形的控制，其合理的支护形式选择如表3所示。

表3 软土基坑支护结构选型Tab.3 Soft Soil Foundation Pit Support Structure Selection

5.2 土体加固及土层m值的合理取值

⑴软土层受到扰动后，其微观结构受到破坏并且强度呈现急速降低的趋势。对于软土地区的基坑支护，为了快速改善软土的特殊性，常常采用地基加固处理手段使土体固结，本质上增强了土体的强度，并有效地提高了软土层的侧向力，也减少了基坑支护结构的变形位移，从而从根本上保证基坑支护结构的安全和稳定性。

土体加固可以降低软土的压缩特性，改善软土的透水特性和不良地质特性，提高地基的抗剪强度，保证了软土基坑的变形位移和安全稳定性。而针对被动区的土体加固，一般多采用搅拌桩、旋喷桩和注浆的加固处理措施。基坑被动区采用阶梯式加固能达到矩形全尺寸加固的效果，开挖后的桩身位移量和坑外地表沉降量结果相近［7］。

⑵为改善基坑支护结构在软土层的嵌固条件，采用对被动区的软土层进行加固处理，保证对基坑支护结构的变形控制，对基坑进行变形计算时，将加固范围内的软土层看作为另一完整土层，即按加固土层的c、φ、m值进行计算。

另外，被动区土体加固宽度不应少于支护桩（墙）在坑底以下嵌固深度的1.1～1.2 倍（主要是使加固体能覆盖被动区极限状态的破裂面），当支护桩（墙）嵌固深度超过4/α，可取坑底至4/α点深度的1.1～1.2 倍（其中α为滑动土条底面与水平面的夹角，潜在破裂与垂直面的夹角）。当被动区土体加固采用阶梯形式布置时，其近支护结构侧加固土厚度≥5～6 m，远支护结构侧≥2～3 m，涉及到有承台的情况，必须将加固范围降低至承台坑以下，另外还需开挖承台时增加支撑传力带等措施。

被动区加固土的土层参数的选取应根据勘察的地质条件、设计的加固方案、现场的施工工艺、现场实际土层的具体性质，可按c=60～80 kPa，φ=0选取［8］。

⑶ 依据《建筑基坑支护技术规程：JGJ 120—2012》第4.1.6条中给出的m值公式计算确定。

每层土的m值按下式计算：

式中：m为土的水平反例系数的比例系数（MN/m4）；c为土体的粘聚力（kPa）；φ为土体的内摩擦角（°）；νb为支护桩在坑底处的位移量（mm），当此处的水平位移量不大于10 mm时，可取νb=10 mm。

采用理正深基坑软件和被动土加固宽度影响计算综合考虑确定软土层的m值。通过计算不同加固宽度条件下基坑开挖对支护结构的影响，确定最优有效加固宽度，超过最优加固宽度后，其加固效果提高不明显，综合考虑采用线性插值法确定适合该地层的m值。m值的确定可以较好地解决软土基坑被动区加固的计算难题，有较好的应用价值。

滨海湾新区软土层的参数取值如表4所示。

表4 滨海湾新区软土层参数c、φ、m的取值Tab.4 Parameter Values of c，φ，m for Soft Soil Layers in Binhaiwan New Area

5.3 内支撑竖向间距加密

对于涉及地下轨道、历史文明建筑物、基坑周边重要管线等环境保护要求高的基坑工程，其支撑往往都采用对撑布置，且支撑竖向布置间距需要加密。另一方面，适当减少内支撑的竖向间距，即加密了支撑的布置，相应缩短了基坑没有支撑布置的暴露时间，还增强了支护结构体的相对刚度，对基坑的安全稳定性有利。

在软土基坑工程中，合理增加支撑的道数，减少竖向支撑的间距，此方案虽对施工作业不便，但对控制基坑变形、保证基坑安全是非常有有利的［9］。

支撑体系刚度如果不足，在外力作用下，支撑的缩短量即为支护结构的水平位移量，因此加强支撑体系刚度在一定范围内可减少支护结构变形，如支护墙，当支撑体系刚度达到某种程度时，继续增大刚度对变形量的影响将不再明显。

支撑刚度与基坑变形如图3所示。

图3 支撑刚度与基坑变形影响示意图Fig.3 Schematic Diagram of the Influence of Support Stiffness and Foundation Pit Deformation

5.4 充分考虑土方开挖的时空效应

⑴基坑开挖过程中，由于上层土方被挖掉，打破了原有的覆土荷载平衡，使基坑底的土方产生应力释放，导致地基土方变形和隆起。土压力松弛会使土体的应力和位移随时间推移而改变，例如在土体应力较小的情况下，其弹性蠕变变形很小，并且存在收敛且稳定的状况，当土体应力达到或超过蠕变变形的极限应力时，其变形速率会迅速增大和导致破坏［10］。

⑵考虑基坑结构的特性参数、软土的力学特性、施工工艺参数，提出详细的开挖施工顺序，严格按照分层、分步、对称、平衡及限时的原则。适当减少每道工序土方开挖的空间尺寸，减少上方支护结构无支撑的暴露时间，可以有效降低土体应力水平、控制软土流变的位移。综合考虑土方开挖的时空效应，利用土体自身拥有控制地层位移的能力，可以解决软土基坑工程的安全稳定性和变形位移等问题［11］。

5.5 基坑降水的加强

在基坑降水的同时，需要保持基坑内外的水土平衡，始终保证基坑周边土体的沉降和变形在允许范围内。为减少基坑工程降水对地面沉降的影响，除了利用其支护结构的止水帷幕、按需降水等方法外，可采用地下水回灌等应对措施。

5.6 实时监测基坑变形及位移

软土层厚度的不同对基坑变形的敏感性不一，设计方案应该针对不同的软土层厚度进行设计考虑，施工过程中应实时关注基坑变形情况，着重关注基坑变形位移的最大处，因为该位置的土层参数对变形及位移影响最大。伴随着基坑开挖的深度不断加深，其基坑周边地表沉降也会逐渐增大。在施工过程中要对软土基坑的变形加强监测，如因基坑周边土的侧向压力增大，造成钢支撑轴力过大且有可能超过其控制值时，必须立即采取增加支撑等相应的处理措施，以免造成钢支撑的挠曲变形及基坑位移过大，从而进一步影响其基坑的安全稳定性［12］。

6 结语

⑴滨海湾新区的软土基坑工程的不确定性因素多，应实施信息化施工，加强基坑监测，及时发现隐患，采取相应补救措施，避免发生灾难性事故。

⑵ 滨海湾新区软土基坑变形的控制首先要考虑施工全过程中可能产生的变形，综合考虑基坑降水、基坑开挖引起基坑支护结构变形和坑内外土体变形的影响。

⑶由于滨海软土地区的支护结构变形随时间推移会不断增加，因此，基坑挖土顺序和挖土速度对基坑支护体系受力和稳定性具有很大影响。软土基坑挖土严禁超挖，分段及时浇筑垫层。基坑支护结构设计需考虑施工的便利，基坑工程施工应安排合理的工期。

总而言之，有很多因素会导致软土基坑发生变形，例如设计参数不准确、未按图施工、周边环境情况不详、土方开挖不当、施工组织不当、支护结构出现问题等，软土基坑一旦发生变形问题，就会影响到基坑工程的质量和安全。所以，需要对滨海湾新区软土基坑的变形采取有效控制措施，主要包括选择合理的基坑支护形式、土体加固及土层m值的合理取值、内支撑竖向间距加密、充分考虑土方开挖的时空效应、实时监测基坑变形及位移等，保证全过程科学的、合理的设计及施工，针对性地按照相关规范及标准执行，并对基坑变形采取相应的控制措施，从而才能更好地保护基坑周边的建构筑物，有效地控制基坑变形，使滨海湾新区的软土基坑工程质量得到充分保障，确保整个基坑工程的安全稳定性。