沿海深厚软土地区地铁车站基坑工程勘察技术研究

岳建刚

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063）

1 引言

软土具有承载力低、含水量高、容易变形、触变性强等特点[1]。在沿海深厚软土地区进行地铁车站基坑开挖时，软土的上述特点会对基坑支护设计产生较大影响，为地铁工程建设带来诸多不利因素。因此，准确查明基坑范围内软土的分布特征及物理力学性质，合理评价其工程地质特征，对于保证软土地基的稳定性、安全性，保障工程顺利实施具有重要的意义。

针对软土地区的工程勘察技术，学者们进行了相应研究，取得了丰硕的研究成果。在软土综合勘察方法方面，刘德平等[2]综合软土成因、软土类型、软土力学特征、地形地貌等多种因素提出适用于软土地基的勘察方法。王辉等[3]以天津海相软土为对象进行研究，得出结论：海相软土具有触变性及流变性强、承载力低、透水性及土层均匀性差等特征。任洪靖[4]通过综合勘察手段研究软土的工程力学性质。在软土勘察成果分析方面，刘亚军[5]根据静力触探在软土勘察中的应用，提出了静力触探与钻探相结合的勘察手段，建立静力触探曲线与实际土层类别之间的经验关系。孙德科等[6]分析了鱼山海域软土主要指标之间的相关性，提出软土的天然含水率与孔隙比、液限、塑限、塑性指数之间具有线性相关性。高林等[7]研究了十字板剪切试验在软土勘察工作中的应用，提出了结合十字板剪切强度修正地基承载力的方法。

基于此，本文以某沿海城市深厚软土地区地铁车站为例，利用机动钻探、土工试验、原位测试“三位一体”的综合勘察方法，获取其基坑范围内软土的物理力学参数（尤其是对于基坑支护设计影响较大的强度及变形参数），并通过对上述方法获得的勘察结果进行比较，提出软土强度及变形参数的合理取值建议，以期为基坑工程设计及施工提供详实可靠的地质依据。

2 工程概况

本研究涉及的某沿海城市深厚软土地区地铁车站的基坑长327 m，宽19.7 m，采用明挖法施工，开挖深度为12.5～16.1 m，位于冲海积平原区，地形起伏不大，周边多为民房、鱼塘等。车站平面位置如图1所示。

图1 车站平面位置图

车站基坑开挖范围内地层主要为人工填土、淤泥、粉质黏土、淤泥质砂、残积砂质黏性土、全～中风化花岗岩。地表水较发育，周围多分布水深为0.5～1.8 m的水塘、鱼塘等，车站西侧有连接外海的九龙江，其水位会随潮汐涨落1～3 m。地下水主要为赋存于第四系松散层中的孔隙水，赋存于残积层及全、散体状强风化带中的风化残积孔隙水，以及赋存于碎裂状强风化～中风化带的基岩裂隙水。勘察期间揭示稳定地下水位埋深为0.3～1.3 m，年变幅约1～3 m。

3 岩土工程勘察方法

3.1 机动钻探

本研究首先根据GB 50021-2001《岩土工程勘察规范》[8]、GB 50307-2012《城市轨道交通岩土工程勘察规范》[9]的相关要求，参考JGJ 83-2011《软土地区岩土工程勘察规程》[10]，针对基坑开挖范围布置勘探点，并在勘探点进行机动钻探勘察。

勘察揭示该区域地层主要由近代人工填土层（QS）、冲洪积层（Q4al+pl）、海积层（Q4m）、海陆交互沉积层（Q4mc）、上更新统冲洪积层（Q3al+pl）及第四系残积层（Qel）组成。下伏基岩主要为燕山晚期侵入花岗岩（γ52（3）c）。各岩土层厚度及物理特征如表1所示，各岩土层分布如图2所示。

表1 岩土层厚度及物理特征表

图2 车站基坑开挖工程地质纵断面图（单位：m）

根据钻探揭示结果，车站基坑开挖范围内的主要地层为粉质黏土、淤泥、淤泥质砂、粉细砂等，地层起伏较大，均匀性一般。其中，淤泥整体呈灰黑色，含水率高，流塑状，工程性质极差，厚度约6～14 m，在场地内普遍分布，且淤泥底临近结构底板，局部位于结构底板之下，对基坑支护及结构施工影响较大，如图3所示。

图3 钻探揭示的淤泥图片

3.2 土工试验

勘察人员在勘察过程中根据钻探揭示的软土分布情况，按照JGJ/T 87-2012《建筑工程地质勘探与取样规程》[11]，采用薄壁取土器对基坑开挖范围内的土层进行取样，并第一时间将其运送至实验室进行土工试验，即软土常规物理性质、固结、剪切、渗透等试验，以获取软土的物理指标、变形参数、强度参数等，为基坑支护设计提供参考依据。不同深度试样的土工试验结果如表 2所示。

由表2可知，基坑开挖范围内的软土有如下特点。

（1）含水率高。该区域软土天然含水率平均值约为70%，最大值接近75%，液限平均值为64.5%。含水率指标随深度变化不大，淤泥整体表现为流塑状。

（2）孔隙比大。该区域软土天然孔隙比平均值为2.03，最大值为2.13，饱和度达95.4%。究其原因在于，软土在缓流或静水环境沉积过程中易形成疏松多孔状的结构，导致土体结构中存在较多孔隙。

（3）压缩性高。该区域软土压缩系数平均值约为1.45 MPa-1，最大值为1.64 MPa-1，压缩模量平均值为1.94 MPa，最大值为2.16 MPa，是典型的高压缩性土，具有一定程度的欠压密性。这种土层在沉积初期可在软土颗粒间形成一定强度的粒间联结，但当沉积速率小于粒间联结力的增长速度时，土体来不及压密，处于欠固结状态。当受到外部荷载作用时，土粒间孔隙将会迅速被压缩，进而引起较大的沉降变形。

（4）抗剪强度低。该区域软土黏聚力平均值为5.4 kPa，最大值为6.5 kPa，内摩擦角平均值为3.9°，最大值为4.74°，抗剪强度极低。

（5）灵敏度高。该区域软土灵敏度平均值约为1.9，最大值约为3.4，依据GB 50021-2001可判定为中灵敏度土，具有较强的触变性。这反映出该区域软土结构性很强，多为架空的絮凝状结构[15]，当其受到外力作用时，易产生结构性损坏，导致强度迅速降低。

（6）透水性差。该区域内的淤泥渗透系数约为1.08×10-7cm/s，属于微透水。由于淤泥的主要成份为黏粒，透水性差，因此其排水固结的难度很大，导致软土固结时间较一般黏性土更长。

由于基坑开挖范围内的淤泥层中局部夹砂或少量粉细砂，因此上述土工试验的指标呈现出不同程度的离散性。但总体而言，该区域内的软土性质并未随深度加大而明显变化，其工程性质均较差。

3.3 原位测试

考虑到基坑开挖范围内的软土结构性较强，在勘察取样及试验过程中难免对其造成扰动，从而影响其力学指标，因此本研究在勘探查明软土分布情况的基础上，开展静力触探试验、旁压试验等原位测试，以获取软土的变形及强度指标。

3.3.1 静力触探试验

本研究针对基坑开挖范围内的软土开展静力触探试验，静力触探探头参数如下：圆锥锥底面积15 cm2，双桥探头，锥尖锥角60°，锥侧面积300 cm2。试验结果如图4所示。

图4 静力触探试验结果图

试验结果显示，淤泥与上层粉质黏土、下层残积砂质黏性土有明显的差异，淤泥层的锥尖阻力约为0.07 ～0.21 MPa，平均值为0.14 MPa，侧壁摩阻力小于10 kPa，且变化较稳定，说明淤泥层整体均匀性好、强度低、贯入难度小。

根据《工程地质手册（第5版）》[12]，可得出淤泥不排水抗剪强度约为8.92 kPa，压缩模量为1.2 MPa，通过换算可得到淤泥层的承载力约为22.92 kPa。

3.3.2 旁压试验

本研究针对基坑开挖范围内的软土开展旁压试验。试验采用PM-2型预钻式旁压仪，标称压力可达5.5 MPa。试验结果如图5所示。

图5 旁压试验结果图

根据旁压试验结果可知，淤泥的旁压模量为1.2～1.3 MPa，压缩模量为1.5～1.6 MPa，变形模量为2.1 ～2.2 MPa，水平基床系数为0.12～0.13 MPa/m。

3.3.3 原位测试与土工试验结果对比分析

对比静力触探、旁压试验等原位测试与土工试验结果可知，此2类试验的结果存在差异：原位测试得到的淤泥压缩模量为1.2～1.6 MPa，平均值为1.4 MPa，土工试验得到的压缩模量平均值为1.94 MPa，原位测试结果较土工试验结果减小27.8%；原位测试得到的淤泥不排水抗剪强度为8.92 kPa，土工试验得到的无侧限抗压强度为19.95 kPa，换算得到不排水剪切强度为9.97 kPa，原位测试结果较土工试验结果减小了15.06%。究其原因，可能是土工试验的土样在运送过程中因风干等因素丢失了部分水分，导致试验结果数据偏高。因此，为确保基坑围护体系的安全及稳定，建议对土工试验得到的软土强度指标及变形指标按照20%的比例进行折减。

4 勘察方法有效性验证

在勘察阶段，本研究提出“三位一体”的综合勘察方法，即利用机动钻探查明地层分布特征，通过土工试验查明软土的物理力学参数，结合原位测试提出对土工试验结果进行适当折减的建议。施工阶段开挖揭示出的软土特征为流塑状、含水率高、承载力低、工程性质极差，如图6所示，与勘察阶段所揭示的特征一致，说明本研究提出勘察方法的有效性和可行性。

图6 钻探揭示的淤泥图片

5 相关施工建议

（1）本工程基坑开挖范围内的软土多处于欠固结状态，承载力低、压缩性高，施工过程中，在车辆荷载的作用下，土体易发生固结沉降，引起周边建筑物基础及结构开裂。应根据荷载分布特征对软土地基进行处理，确保施工设备行车安全，并同时加强对既有建筑物的变形监测。

（2）由于软土力学性质差、强度指标低、主动土压力大、被动土压力小，因此基坑开挖过程中围护结构外侧的土体易产生较大的侧向土压力。应加强对基坑围护结构的设计，建议采用地下连续墙+内支撑体系，施工阶段做好基坑支撑轴力及位移监测，若发生变形或轴力超限等情况，应迅速采取处理措施。

（3）基坑底部分布有软土，易造成隆起破坏，应加强基坑的抗隆起稳定性验算，同时对基底软土进行处理，增加围护结构被动土压力，确保围护体系的整体稳定。

（4）软土在地下连续墙成槽或钻孔桩成孔过程中易产生缩孔等问题。因此，在施工过程中，可在地下连续墙两侧进行槽壁加固，改善其成槽条件。

6 结语

本文以某沿海城市深厚软土地区地铁车站为例，利用机动钻探、土工试验、原位测试“三位一体”的综合勘察方法，获取其基坑范围内软土的物理力学参数（尤其是对于基坑支护设计影响较大的强度及变形参数），并通过对上述方法获得的勘察结果进行比较，提出软土强度及变形参数的合理取值建议，以期为基坑工程设计及施工提供详实可靠的地质依据。