劉建海（中鐵五局集團(tuán)建筑工程有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550000）

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膨脹性泥巖深基坑變形分析及處理

劉建海（中鐵五局集團(tuán)建筑工程有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550000）

膨脹性泥巖具有失水時(shí)崩解、體積膨脹、次生裂隙數(shù)量增多、縫寬增大、整體性能惡化、逐漸成為散體結(jié)構(gòu)，增水時(shí)軟化、抗剪強(qiáng)度迅速損失等特點(diǎn)，流變特性和易擾動(dòng)性較強(qiáng)，深基坑設(shè)計(jì)及施工時(shí)如措施不當(dāng)，將對支護(hù)結(jié)構(gòu)造成破壞。本文結(jié)合西寧火車站綜合改造工程（下穿隧道）Ⅱ標(biāo)段工程深基坑工程，針對深基坑水平位移超過規(guī)范及設(shè)計(jì)值，從特有地質(zhì)條件、施工及設(shè)計(jì)方面進(jìn)行分析，提出施工及設(shè)計(jì)處理措施。

膨脹性泥巖；深基坑支護(hù)；失效；分析；處理

1　工程背景

西寧火車站綜合改造工程 （祁連路～互助路下穿隧道工程）Ⅱ標(biāo)，為西寧火車站站前廣場改造軌道交通預(yù)留工程，位于站前南廣場新建祁連路-互助路公路隧道下方。南側(cè)為湟水河，北側(cè)為擬建西寧火車站地下空間。東西兩側(cè)為下穿隧道Ⅰ、Ⅲ標(biāo)段。本標(biāo)段基坑平均深度24m，最大深度26m，南北寬度約40m，東西寬度約250m，如圖1所示。

圖1　基坑支護(hù)平面圖

1.1場地內(nèi)地質(zhì)條件

①0～2m雜填土。

②5～7m天然級配砂礫石層。

③7～12m強(qiáng)風(fēng)化泥巖，夾雜不均勻的石膏巖，石膏巖中有大量的飽和自由水，遇水極易軟化，長時(shí)間暴露在空氣中易崩解；天然含水量13.4～28.3%，平均20.5%；天然孔隙比0.587～0.879，平均0.704；飽和度62.2～96.7%；液限29.7～32.5%，平均30.7%；塑限18.6～20.2%，平均19.6%；塑性指數(shù)10.3～12.5，平均11.1。

④12～20m中風(fēng)化泥巖，夾雜2～3m厚度的石膏巖，石膏巖中有大量的飽和自由水，吸水率較大，遇水極易膨脹，膨脹力0.13～1.71MPa，膨脹率1.64～41.8%；點(diǎn)載荷換算抗壓強(qiáng)度0.83～4.31MPa，平均值1.90Mpa；含水量2.71～15.76%，孔隙率8.94～30.98，天然抗壓強(qiáng)度1.24～22.60MPa；軟化系數(shù)0.05～0.54；天然抗拉強(qiáng)度0.22～4.44MPa；彈性模量0.447×104～4.272×104MPa；泊松比0.21～0.32；抗剪強(qiáng)度0.2～5.07MPa。

⑤20m以下為微風(fēng)化泥巖（夾雜不均勻的石膏巖），吸水率較大，遇水極易膨脹，長時(shí)間暴露在空氣中易崩解，膨脹力0.05～1.81MPa，膨脹率1.10～85.60%。點(diǎn)載荷換算抗壓強(qiáng)度1.33～24.79MPa，平均值5.22MPa；含水量4.11～14.55%，孔隙率13.69～31.90，天然抗壓強(qiáng)度0.36～13.80MPa；軟化系數(shù)0.10～0.51；天然抗拉強(qiáng)度0.07～2.16MPa；抗剪強(qiáng)度0.10～3.85MPa。

1.2設(shè)計(jì)支護(hù)方式

基坑深0～10m采用1：0.6、1：1、1：2等分臺(tái)階自然放坡的形式，表面采用A6.5@300×300網(wǎng)噴80mm厚C20混凝土、B22@3000×3000長6m土釘。砂礫石層含有地表水，采用深井降水。

深10～24m采用錨桿——支護(hù)樁系統(tǒng)支護(hù)，垂直表面采用A6.5@300×300網(wǎng)噴80mm厚C20混凝土、B22@3000×3000長6m土釘，并設(shè)置兩排B32間距2m長15m錨桿。標(biāo)準(zhǔn)面支護(hù)方式如圖2所示。

圖2　標(biāo)準(zhǔn)剖面圖

1.3基坑變形情況

當(dāng)基坑開挖至中風(fēng)化石膏巖時(shí)（深14～16m），基坑變形超過預(yù)警值，并持續(xù)增大，冠梁與土體間出現(xiàn)50mm左右的縫隙，部分錨桿檢測應(yīng)力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，嚴(yán)重影響基坑的穩(wěn)定性及施工人員生產(chǎn)的安全，現(xiàn)場立即停止施工，并對開挖基坑進(jìn)行反壓土回填處理，進(jìn)行原因分析。

2　基坑大變形原因分析

結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)條件及周邊環(huán)境，進(jìn)行深基坑較大位移的原因分析，主要有以下幾個(gè)方面：

2.1對膨脹性泥巖膨脹力考慮不足

深基坑開挖進(jìn)入膨脹性泥巖（4m）后，隨著泥巖含水量的變化、暴露在空氣中的時(shí)間加長，膨脹性泥巖產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，顯然過大的膨脹力以及土體本身側(cè)壓力是設(shè)計(jì)值僅為240kN（間距2m）的錨桿無法承擔(dān)的，從而造成基坑變形。

2.2錨桿失效

（1）地下水影響

地下水對圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形相關(guān)性十分顯著，根據(jù)東北側(cè)圍護(hù)冠梁水平位移發(fā)展與其附近集水坑水泡的多次對應(yīng)分析發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)有水泡現(xiàn)象發(fā)生，該處臨近的圍護(hù)樁冠梁頂部水平位移必然增大。

（2）巖體變化，造成錨固體失效

當(dāng)基坑開挖至中風(fēng)化石膏巖標(biāo)高位置后，坑壁及地下水滲出，導(dǎo)致膨脹性泥巖在含水率變化的情況下軟化、膨脹并崩解，通過現(xiàn)場對比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，泥巖在沒有遇水的情況下風(fēng)化的速度極其緩慢，而遇到水之后風(fēng)化速度十分快、且十分嚴(yán)重，如圖3所示。

圖3　泥巖遇水風(fēng)化對比圖

由此可以分析，錨桿注漿體在7d達(dá)到70%強(qiáng)度張拉時(shí)，均能達(dá)到設(shè)計(jì)錨固力，但是由于漿體內(nèi)的水分對巖石的侵蝕，使其軟化、崩解，從而造成錨固體失效。

（3）低壓注漿，無法與更多的巖體形成錨固體

通過開挖錨桿周邊巖體發(fā)現(xiàn)，即使采用二次注漿工藝，因未風(fēng)化巖體強(qiáng)度較高，漿體固化后未能形成狼牙棒式的形狀，僅在鉆孔范圍內(nèi)形成圓柱體，無法與更多的巖體形成錨固段。

（4）局部錨桿失效，造成群錨失效

基坑大變形出現(xiàn)后，通過檢測發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)的錨桿預(yù)應(yīng)力損失十分顯著，局部測點(diǎn)的位移高處預(yù)警值2倍以上，當(dāng)一根錨桿出現(xiàn)問題時(shí)，相鄰的兩根錨桿就需承擔(dān)失效錨桿的應(yīng)力，超過錨桿受力設(shè)計(jì)值，當(dāng)在以上幾種原因的影響下出現(xiàn)錨桿局部失效后，群錨也將隨之失效，從而造成基坑整體出現(xiàn)大變形、且變形不收斂的情況出現(xiàn)。

2.3北側(cè)地下空間施工荷載增加的影響

由于原設(shè)計(jì)中遵循的是先深后淺的原則，但是在實(shí)際施工中北側(cè)淺基坑早于我們的深基坑施工，北側(cè)工程地下室增加一次荷載，基坑位移增加5～8mm，從而造成北側(cè)變形較其他幾面大。

3　基坑大變形處理

基坑大變形發(fā)生后，為防止坡體繼續(xù)進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重破壞和坍塌事故，一方面停止開挖，并對已開挖基坑進(jìn)行反壓回填處理；另一方面，分析大變形產(chǎn)生原因，有針對性的進(jìn)行處理，確保基坑施工的順利進(jìn)行。

3.1做好有組織排水，減少基坑暴露時(shí)間

由于巖體遇水軟化特性和流變特性顯著，后期施工中，嚴(yán)格控制地下水的來源補(bǔ)給，避免長時(shí)間浸潤，采取有組織排水工藝，樁間設(shè)置引流管，及時(shí)將巖層裂隙水予以排放，加設(shè)截水溝、明排溝及集水井，集水井采用不透水的水箱進(jìn)行匯水集中，防止水對基坑的浸泡。

基坑開挖和墊層施工緊湊安排，減少基坑暴露時(shí)間。墊層及底板混凝土澆筑至圍護(hù)樁樁腳。

3.2增設(shè)錨索，采用高壓劈裂注漿工藝

排樁上部增設(shè)兩排錨索，設(shè)計(jì)錨固力為612kN，鎖定錨固力為459kN，由4根1860MPaφ15.2mm鋼絞線組成，如圖4所示。

優(yōu)化錨索設(shè)計(jì)及施工參數(shù)，提高有效錨拉力。錨索一次注漿為充填型注漿，加早強(qiáng)劑，注漿管采用塑料管；二次注漿為高壓劈裂型注漿，壓力2.5MPa以上，注漿管為鐵管，必須在一次注漿終凝前進(jìn)行；分級張拉，實(shí)時(shí)判斷錨索的拉撥力和實(shí)際鎖定荷載。

圖4　增設(shè)錨索圖

3.3增設(shè)內(nèi)支撐

為確保有效控制基坑的位移變形，在圈梁處設(shè)置8道鋼支撐，鋼支撐主梁采用雙拼300×800的H型鋼，梁中設(shè)置雙拼56#槽鋼立柱，如圖5所示。

圖5　鋼支撐

3.4優(yōu)化基坑開挖順序

基坑土方開挖和結(jié)構(gòu)施工按分區(qū)分塊的原則進(jìn)行優(yōu)化：結(jié)合鋼支撐施工，按主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求調(diào)整施工縫的布局，進(jìn)而調(diào)整錨索的施工順序；土方開挖按A、B、C、D、E分為五段依次進(jìn)行開挖，并及時(shí)施做相應(yīng)土釘、錨桿、錨索。

通過采取以上措施，西寧站改工程順利完成深基坑及后期主體結(jié)構(gòu)施工，基坑變形得到有效控制，未發(fā)生基坑安全事故。

4　結(jié)束語

基坑工程是建筑工程的重要組成部分，其穩(wěn)定與否直接關(guān)系到后續(xù)施工安全，需要對基坑地質(zhì)及周邊環(huán)境進(jìn)行詳細(xì)分析，設(shè)置合理支護(hù)方式，尤其是在不良或特殊地質(zhì)情況下，更需要進(jìn)行必要試驗(yàn)，不能盲目選用經(jīng)驗(yàn)值，充分考慮各相關(guān)項(xiàng)的影響，避免設(shè)計(jì)及施工缺陷。結(jié)合西寧站改工程膨脹性泥巖深基坑大變形處理經(jīng)驗(yàn)，在以后膨脹性泥巖深基坑施工中應(yīng)充分考慮以下影響：

（1）地表水及地下水的影響，盡量減少泥巖浸泡時(shí)間；

（2）膨脹性泥巖本身特性的影響，包含膨脹力及遇水崩解兩方面的影響；

（3）圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身設(shè)置與周邊地質(zhì)的符合性；

（4）周邊構(gòu)筑物的影響。

2016-3-12

TU753

A

2095-2066（2016）09-0165-02