深厚淤泥质土层复杂环境下大面积基坑支护研究

翟文琦 吕明喜

（胜利信科（山东）勘察测绘有限公司，山东 东营 257000）

在城市化发展过程中，地下停车场、地下铁道、市政隧道等工程项目得以大量修建，这些地下空间结构施工往往采用基坑明挖法进行施工，基坑工程也朝着开挖面积大、开挖深度大的方向发展，对基坑支护提出了更高的要求[1]。特别是在深厚淤泥质土层这类复杂环境下，基坑支护的设计与施工面临更大的挑战。淤泥质土层具有高含水量、高流变性、高压缩性、低强度等特点，使得基坑在开挖过程中极易发生基坑变形和失稳，给施工安全和周边环境带来威胁[2]。因此，充分考虑淤泥质土层的力学特性和施工工况，采取必要的施工加固措施和变形控制措施是基坑工程安全施工中重要研究内容[3]。

王刚等人[4]运用FALC3D 有限差分程序研究了软土地质条件下搅拌桩复合土钉支护体系的受力稳定性和变形特征，研究深层搅拌桩的受力具有中间较小、两端较大的特点，在实际工程中可以设置土钉倾角为30°，以较好地适应软土工程地质条件的支护；喻伟等人[5]研究了富水软弱土层中深基坑降水及开挖施工，基坑采用地下连续墙施工，研究运用三维有限元模拟基坑周边地表沉降、地下连续墙变形等，成果已应用于深圳地铁10号线福田口岸站基坑工程；任晓敏等人[6]运用Midas GTS NX有限元软件分析了滨海沼泽区狭长形基坑工程的地表沉降和围护桩的水平变形规律，研究指出沼泽区富水深基坑开挖变形与其他地区工况下的深基坑变形具有类似的变化规律。

本文以山东省东营市某高层住宅小区项目深基坑工程为研究对象，在分析场区地质条件和周边环境的基础上，运用现场实测的方法研究了不同开挖阶段基坑工程的地表沉降、围护桩的侧向位移，研究成果可以应用于复杂周边环境下深厚淤泥质土层深基坑大面积开挖的支护设计和施工控制。

1 工程概况

山东省东营市某高层住宅小区项目规划总用地面积为65000m2，项目主要由10栋32层高层建筑组成，配套2栋1～2层的商业楼，设2层地下室，地下室采用基坑明挖法施工。基坑开挖面积达到46000m2，属于超大面积基坑开挖，基坑平面大致呈不规则矩形，东西方向约200m，南北方向约230m，基坑开挖深度为9m，局部电梯井附近开挖深度达到10m。基坑周边环境复杂，东侧紧邻城市高架，距离基坑边线5m处有110kV的高压混凝土电缆沟，南侧为城市主干道，分布有大量的市政管线，西侧基坑边线距离居民小区约为10m，北侧红线外2.5m 为天然水渠，水渠宽度约2.5m，平水期水深达到1.5m。场区潜水水位为地表下1.5m，潜水与地表水体存在水力联系，潜水水平面与天然水渠中水面基本一致，在雨季丰水期时，水位变化幅度约1m。

复杂的周边环境对大面积基坑工程开挖的变形控制、稳定性控制要求严格，为此，基坑工程采用了“钻孔灌注桩+三轴搅拌桩+混凝土内支撑”的联合支护方式，钻孔灌注桩直径为800mm，中心间距为1000mm，桩长为18m，钻孔灌注桩的外部设置三轴搅拌桩作为地基加固和止水辅助措施，三轴搅拌桩设置数量为3 排，直径为850mm，中心间距为1200mm，有效桩长为9m，基坑内部设置2道钢筋混凝土内支撑，第一道内支撑设在基坑开挖-1.5m处，内支撑宽度为500mm，高度为700mm；第二道内支撑设在基坑开挖-6m 处，内支撑宽度为600mm，高度为700mm，基坑封底垫层采用C20 混凝土，厚度为150mm。基坑支护围护结构体系如图1所示。

图1 基坑支护围护结构体系

2 场区工程地质条件分析

场区地层分布广，厚度大，地表高程在3.37m～6.67m，现状地形略有起伏。场区地基土大致呈水平成层分布，土层稍有起伏，主要分布深厚的软黏土地层，包括淤泥质粉质黏土、粉质黏土和黏土。根据不同土层的工程力学性质特征，可分为6 个工程地质层，细分为10个工程地质亚层，各土层依次为杂色①填土、流塑～软塑②1淤泥质粉质黏土、流塑②2淤泥质黏土、稍密～中密②a粉土夹粉砂、可塑～硬塑③黏土、软塑～可塑④1粉质黏土夹粉土、中密饱和④2粉砂夹粉土、流塑～软塑⑤粉质黏土、可塑～硬塑⑥黏土。各层土的工程地质参数如表1所示。

表1 场区地基土工程地质参数

从表1 可以看出，场区分布的灰色②1层淤泥质粉质黏土层，抗剪强度较低，孔隙比高，厚度变化较小，场区揭露厚度范围为2.0m～3.5m，平均厚度达到3.5m，对基坑稳定性不利，现场取出的②1层淤泥质粉质黏土样品如图2（a）所示；灰黄色②2层淤泥黏土层，该类土层具高压缩性、高孔隙比，厚度变化较小，场区揭露厚度范围为3.3m～5.5m，平均厚度达到4.7m，易产生较大的沉降变形，现场取出的②2层淤泥质黏土样品如图2（b）所示。

图2 淤泥质土层的土样

3 不同基坑开挖阶段基坑变形规律及支撑轴力实测研究

为了分析深厚淤泥质土层条件下深基坑开挖对土体的扰动、支撑轴力以及自身支护结构的变形规律，研究运用现场实测的方法测试基坑地表沉降、钻孔灌注桩水平位移和钢筋混凝土支撑轴力[7-9]。深基坑工程开挖主要分为7个阶段，分别为①场地平整、钻孔灌注桩、中间立柱施工→②冠梁施工、基坑围护结构封闭成环→③基坑降水→④基坑开挖至-2.0m，施作第一道钢筋混凝土支撑→⑤基坑开挖至-6.5m，施作腰梁及第二道钢筋混凝土支撑→⑥基坑开挖至-9.0m，封闭基坑底部→⑦逐步向上施作地下结构，其中步骤④～步骤⑥是施工过程位移控制和支撑轴力控制的关键环节。

图3 为基坑工程开挖步骤④～步骤⑥过程中距离基坑边线不同位置处的地表沉降实测曲线。从图3 中可以看出，在深厚淤泥质土条件下，不同开挖深度时地表的沉降变形规律基本一致，均随着距离的增加呈现“勺”状，在距离基坑边线较近的位置，地表沉降较大，在距离基坑边线约1.5H（H 为基坑开挖深度）外，地表沉降趋于零，地表沉降峰值随着基坑工程开挖深度的增加而逐步向远离基坑的方向偏移，地表峰值出现在距离基坑边线约1.0H 位置处，施工至基坑底部时地表最大沉降为9.8mm。由此表明，基坑开挖深度导致的淤泥质土层扰动逐步增大，由此产生了更大的地表沉降，在实际大面积深基开挖过程中，应加大地表沉降监测范围和加密地表沉降监测频率。

图3 不同基坑开挖阶段下地表沉降实测曲线

为基坑工程开挖步骤④～步骤⑥过程中围护桩结构不同深度处的水平位移。从图4中可以看出，在深厚淤泥质土条件下，不同开挖深度时围护桩水平向变形规律基本一致，均呈现“弓”字形，其水平向位移峰值出现在基坑开挖面附近，并随着基坑开挖深度的增加而增加。由此表明，深基坑的大面积开挖对软土地质产生了不同程度的扰动，使得淤泥的天然应力状态被破坏，扰动范围逐步增大，导致移至围护桩的土体侧限荷载也逐步增加，施工至基坑底部时地表最大沉降为10.2mm。

图4 不同基坑开挖阶段下围护桩水平向位移实测曲线

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图5 为不同开挖时间基坑钢筋混凝土轴力的变化曲线。从图5 中可以看出，在基坑开挖较浅时，基坑围护结构的轴力主要由第一道钢筋混凝土支撑承受，其轴力逐步增加，在第20d 时达到峰值，约为160kN；然后，施作了第二道钢筋混凝土支撑，基坑土体的侧向力由第一道钢筋混凝土支撑和第二道钢筋混凝土支撑共同承担；随后，第二道支撑的轴力逐步增大并趋于稳定，稳定的轴力值约为260kN，而第一道支撑的轴力逐步减小，在施工至基坑底部时，第一道支撑的轴力降至85kN。

图5 钢筋混凝土轴力随时间的变化曲线

4 结语

（1）不同开挖阶段，地表沉降均随着距离的增加呈现“勺”状，地表沉降峰值随着基坑工程开挖深度的增加而逐步向远离基坑的方向偏移，地表峰值出现在距离基坑边线约1.0H 位置处，施工至基坑底部时地表最大沉降为9.8mm。

（2）不同开挖深度时，围护桩水平向变形均呈现“弓”字形，其水平向位移峰值出现在基坑开挖面附近，并随着基坑开挖深度的增加而增加，施工至基坑底部时地表最大沉降为10.2mm。

（3）在基坑开挖较浅时，基坑围护结构的轴力主要由第一道钢筋混凝土支撑承受，其轴力逐步增加，随后施作了第二道钢筋混凝土支撑，第二道支撑的轴力逐步增大并趋于稳定，而第一道支撑的轴力则逐步减小。