软弱土层基坑支护技术与施工风险控制研究

潘 磊

（北京铁研建设监理有限责任公司，北京 102600）

软弱土层是指天然含水量高、抗剪强度低、压缩性大的土质区域。此类土层通常承载能力较弱，影响建筑结构的稳定性和安全性。如何在保证施工效率的前提下，高效处理软弱土层并进行支护，已成为保证建筑稳定性与安全性的关键环节。基于此，本文以河北地区某工程为例，细致地分析、研究了该工程涉及的软弱土层，总结了这一特定土层的特性，旨在探讨、梳理软弱土层基坑支护中悬臂排桩和预应力锚索组合支护技术的施工工艺流程，并客观总结该基坑支护技术可能遇到的施工风险及控制措施，以提高工程施工的安全性和施工质量。

1 工程概况

本项目位于河北地区，建筑总面积15.2 万m2，包含一个由12 栋楼连接而成的地下室，其面积约为6.2 万m2。工程南侧基坑侧壁安全等级为一级，安全系数定为1.10。基坑支护系统总长约300m，由两部分组成：一部分是230 根直径为900mm、长度为17.2m 的悬臂灌注桩；另一部分是230 根长度为32m 的预应力锚索。工程基坑深度约为8.5m，在悬臂桩和预应力锚索施工区域内的土层包括人工填土、粉质黏土、淤泥质土和中粗砂，均为典型的软弱土层。由于项目所在地区地下水位较高，同时，受季节性变化和地表水影响显著，在基坑挖掘到约4m 时，会接触到地下水，给软弱土层基坑施工带来一定的安全风险。

2 软弱土层基坑支护技术分析

2.1 软弱土层特点对基坑支护技术选择的影响

软弱土是指天然孔隙比≥1.0，且天然含水量大于液限的细粒土，包括淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土、饱和黏性土等。本项目中，软弱土层的特点对基坑支护技术的选择和施工策略有着决定性影响。一方面，从土层组成与物理特性上看，基坑区域内的软弱土层主要由人工填土、粉质黏土、淤泥质土和中粗砂组成，其共同特点是含水量高、抗剪强度低，以及明显的压缩性和塑性。例如，粉质黏土在水饱和状态下，易于流动，表现出较低的剪切强度和高度的塑性变形，而淤泥质土因由细颗粒构成，在水分影响下展现出较强的压缩性。在承受荷载时，土质的物理特性使得软弱土层容易发生不均匀沉降，影响基坑的稳定性。另一方面，从水文条件与地下水影响上看，该工程所在区域的地下水位相对较高，尤其在基坑挖掘至4m 深时，即可触及地下水层。地下水不仅提高了土层的饱和度，还极易降低土体强度，增加基坑边坡滑移和流变风险。此外，在基坑开挖和支护工作中，地下水位的季节性波动和地表水影响，进一步增加了土层稳定性的不确定性。因此，考虑到软弱土层的物理特性和复杂的水文条件，本项目采用了悬臂排桩与预应力锚索组合技术。悬臂排桩是一种有效的土体固结方法，能够在软土中形成稳定的支撑结构，减小侧向土压力和减少沉降。预应力锚索可提供额外的横向支撑力，增强基坑侧壁的整体稳定性，尤其是在高地下水条件下，有助于控制土体的水动力行为和减少基坑侧壁的水压力。此种综合支护技术，既考虑了软弱土层的物理和化学特性，也能有效应对地下水位变化对基坑稳定性的影响。

2.2 悬臂排桩与预应力锚索组合支护技术

2.2.1 悬臂式排桩受力分析

本工程中，悬臂式排桩作为基坑支护的关键组成部分，其受力状况直接影响整个基坑的稳定性。悬臂式排桩是一种自立式支护结构，其顶部未被锚固，因而在土压力作用下，受力情况具有复杂性。首先，悬臂式排桩主要承受来自软弱土层的侧向土压力。由于软弱土层的高含水量和低抗剪强度，土层受力后易产生位移，对排桩形成持续的侧向压力，这一部分压力由土体的侧向土压力和水平土压力组成。侧向土压力受到土体特性，如内摩擦角和粘聚力的影响；水平土压力则与地下水位相关，水位越高，对排桩的水平推力越大。其次，排桩承受来自基坑开挖作用产生的不均匀荷载。在基坑开挖过程中，排桩会暴露于不同深度的土层压力中，此种不均匀的土压分布，会导致排桩在纵向上承受不同程度的弯矩，使得悬臂桩变形，呈现“月牙形”。最后，悬臂式排桩在顶部未锚固的情况下，主要依赖排桩底部的固定和排桩本身的抗弯性能来维持其稳定性。排桩长度、直径和材质应能抵抗高强度的侧向压力和弯矩，在复杂土层条件下，保证其稳定性。

2.2.2 预应力锚索受力分析

预应力锚索系统作为悬臂排桩的辅助支护，对控制软弱土层的基坑稳定性起到了关键作用。本工程中，锚索主要受力包括预张力、土体活动力和水平土压力，其共同作用于锚索，影响其性能和稳定性。其中，预张力是通过预应力技术施加于锚索的初始张力，目的是预先紧绷锚索，以立即提供拉力支持，对抗基坑开挖过程中激发的土压力。在软弱土层中，计算预张力需充分考虑土层的压缩性、塑性变形特性及预期沉降量，以确定预张力大小。土体活动力指因基坑开挖引起的土层移动或位移对锚索施加的力。在粉质黏土和淤泥质土等土层中，由于土层的高压缩性和低剪切强度，土体活动力极易随时间增加，而当土层水分条件发生变化时，土体活动力变化更为显著。水平土压力是由土层的水平压力和地下水的水压力共同作用于锚索上的力。在高地下水位的环境下，水平土压力会因水的浮力效应而增大，因此，要求使用的锚索具有足够的强度和锚固长度，以抵抗由水压引起的拉力。

2.2.3 施工工艺

在软弱土层基坑支护中，应用悬臂排桩与预应力锚索组合支护技术，需严格按照既定的工艺流程完成施工。本工程的施工工艺流程如下：

①悬臂灌注桩施工流程：一是施工前进行地质勘察。运用地质勘察钻机钻取土样，实施土工试验，包括标准贯入试验和动力触探试验，以获取人工填土、粉质黏土、淤泥质土和中粗砂等软弱土层的精确数据。二是桩位布置与定位。采用全站仪准确布置桩位，按设计图纸准确放置230根直径为900mm、长度为17.2m 的悬臂灌注桩。三是排桩施工。使用静力压桩机或旋挖钻机进行排桩。钻孔时，根据土层情况选择合适的钻头，并监测钻进速度，以保证桩孔质量。其中，人工填土和粉质黏土层选用螺旋钻头，淤泥质土和中粗砂层选用贝壳钻头（也称为桶式钻头）。四是制作、下放钢筋笼。根据设计要求，采用直径不小于25mm的HRB400级钢筋，保证笼体结构强度，并利用起重机械将其稳定下放到预先钻好的桩孔中。五是混凝土浇筑。在钢筋笼下放到位后，使用泵送车和导管对桩孔进行混凝土浇筑，使混凝土级别不低于C30，保证桩体的承载力和耐久性，并采用导管浇筑至桩底，以防混凝土与泥浆混合。六是桩身质量检测。桩身成型后，利用超声波无损检测设备—桩身完整性检测仪，检测桩身的完整性。

②预应力锚索施工流程：一是锚孔定位与钻设。使用全站仪精确定位锚孔位置，利用高性能多功能钻机（XY-1 型钻机）钻设直径150mm、深度32m 的锚孔，保证钻孔的垂直度和位置精度符合设计要求。二是制作、安装锚杆。制作长度为32m、直径为32mm 的全螺纹钢锚杆，材质为高强度钢材（PSB830 级螺纹钢）。安装时，使用吊车将锚杆小心放入钻孔，防止出现变形或损伤。三是一次注浆。使用高压注浆泵（UB3 型手动注浆泵）进行初次注浆，采用的水泥浆配比为1∶0.5（水泥∶水），且添加适量的浆体增强剂，以提高浆体的流动性和黏结强度。初次注浆量至少为锚孔体积的1.5 倍，以保证孔内无空洞。四是张拉与预应力施加。锚杆安装并初次注浆固化后（一般为24h 后），使用液压张拉设备（YCW 系列张拉油压机）进行锚索张拉，施加设计要求的预应力（每根锚索150kN）。五是二次高压注浆。张拉完成后，进行二次高压注浆，以增强锚固效果。使用高压注浆机（ZBYS 系列高压注浆泵）对锚索进行高压注浆，压力不低于5MPa，保证浆液充分渗透锚固体系，形成有效的应力传递。六是制作、固定锚固头。使用高强度钢板和对应螺栓固定锚固头，保证张拉力的传递和锚固的可靠性。七是锚索保护措施。锚索露出部分涂刷防腐涂料，并安装防护套管，保护锚索免受腐蚀和机械损伤。

③组合支护系统检测流程：一是安装监测系统。在悬臂排桩和预应力锚索施工完毕后，在关键位置安装地质应变仪和倾斜仪等监测设备，以实施实时监测。其中，地质应变仪安装于排桩的中上部，倾斜仪安装在基坑边缘，并设置水位计和渗压计，用于监测地下水位和水压变化。二是数据分析与调整。利用自动化数据采集器，收集监测设备数据，并传输至工程监控中心。分析收集的数据，包括排桩位移、倾斜角度、锚索应力变化、地下水位和水压动态。根据数据分析结果，调整预应力锚索的张力。例如，如果监测数据表明土层位移或倾斜超过安全阈值，则需增加预应力锚索的张力，以增强支护结构的稳定性。三是安全评估。利用专业分析软件SAP2000 或PLAXIS，结合监测数据模拟分析基坑支护结构的稳定性，并定期对支护结构进行物理检查，保证其无明显变形、裂缝或腐蚀。若检测到潜在不稳定现象，立即采取加固措施，如增设临时支撑或进行局部加固，以保证施工安全。

3 软弱土层基坑支护施工风险及控制措施

3.1 基坑边坡稳定性不足及控制措施

本项目软弱土层基坑支护施工中，基坑边坡稳定性不足是较为显著的施工风险。由于土层主要由人工填土、粉质黏土、淤泥质土和中粗砂构成，在水分影响下容易发生塑性变形和流动，特别是在遇到地下水时，会进一步降低土体的稳定性。此外，基坑深度达8.5m，较大的开挖深度增加了边坡失稳的可能性。为此，施工团队主要采取了以下几种措施：第一，采用边坡加固技术。在边坡上设置临时支撑结构或预应力拉杆，以增强边坡的整体稳定性，并在边坡表面覆盖防蚀材料，包括土工布、喷涂防腐剂，以减少雨水对边坡的侵蚀。第二，实施有效的排水措施。在边坡上部和基坑底部设置排水系统，包括排水管和集水井，以有效降低边坡的水分含量，增强稳定性，特别是在雨季，排水系统能快速降低边坡的饱和度，减少水压力影响。第三，安装地质监测设备，包括土压力计和倾斜计，实时监测边坡的移动和变形。一旦监测到边坡移动超过安全阈值，立即采取补救措施，如增加支撑或调整排水策略。

3.2 地下水水位变化及控制措施

本项目软弱土层中的地下水不仅增加了土层的水压力，还可能降低排桩和锚索的稳定性，进而威胁基坑的稳定性。首先，在实际施工中，施工团队在基坑周围安装水位计和渗压计，实时监测地下水位。此类监测设备能够提供水位变化的准确数据，帮助工程团队做出及时响应。其次，施工团队设计和实施高效的基坑排水系统与防水屏障，包括深井泵、排水沟、注浆帷幕或土工膜等，防止水分沉积或周围地区地下水流入基坑。再次，施工团队在基坑底部和边坡安装排水管道，以保证地下水能够及时排出，有效降低基坑内的水压，减轻排桩和锚索的负担。最后，施工团队根据地下水水位变化调整锚索的预应力。若地下水位上升，导致土压力增大，可通过增加锚索的张力来提高整个支护结构的稳定性，保证高效施工。

4 结语

综上所述，本文通过深入分析河北地区某工程软弱土层特性及深基坑施工方案，不仅明确了基坑支护中悬臂排桩与预应力锚索组合支护技术应对软弱土层高含水量、低抗剪强度和易压缩性方面的有效性，还强调了准确施工和风险管理的重要性，以期为同类型地区工程实践提供借鉴，推动软弱土层基坑支护施工的高质量进行。