許 鍇

（珠海市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測站 珠海519015）

0 引言

隨著粵港澳大灣區(qū)建設(shè)的正式啟動，珠三角地區(qū)的城市化進程將加速，交通堵塞、停車難等一系列公共問題使得開發(fā)利用城市地下空間成為必然選擇。地鐵工程、地下街、地下停車場等不同功能的地下建筑將不斷興建，地下空間開發(fā)的規(guī)模和難度也將日益加大，加上珠三角特殊的地層分布和工程特性，致使該地區(qū)的基坑工程設(shè)計與施工將面臨很大的挑戰(zhàn)［1］。

珠海是粵港澳大灣區(qū)的重要城市之一，位于我國廣東省中部沿海、珠江三角洲南部前緣。區(qū)域內(nèi)廣泛分布海洋相沉積軟粘土，為我國工程建設(shè)中遇到的最軟的軟土之一。該軟土具有厚度大、含水率高、壓縮性強、強度低、滲透性小、黏粒含量高等特點。珠海地區(qū)近年來的基坑工程建設(shè)過程中，由于未充分估計土體的特點發(fā)生了多起深基坑滑移、坍塌，或項目交叉作業(yè)相互影響并導(dǎo)致破壞的事故［2］。這些工程事故造成的損失令項目建設(shè)者刻骨銘心，也給科技工作者帶來了教訓(xùn)和反思。本文首先統(tǒng)計分析了珠海地區(qū)軟土的主要工程特性，在此基礎(chǔ)上，通過幾個基坑工程事故的分析，梳理了珠海地區(qū)基坑工程面臨的主要風(fēng)險，并提出了相應(yīng)的對策，可為珠海軟土地區(qū)同類別的工程設(shè)計與施工提供借鑒與參考。

1 珠海地區(qū)軟土的工程特性

工程建設(shè)領(lǐng)域一直把軟土工程特性的把握作為工程面臨的一大難點［3，4］。珠海市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)測站統(tǒng)計了珠海地區(qū)75 個工程項目，共1 397 個軟土樣本的試驗資料，得到了珠海地區(qū)軟土的主要物理力學(xué)特性統(tǒng)計指標，如表1 所示。通過對統(tǒng)計資料的總結(jié)以及與其他地區(qū)軟土特性的比較（見圖1）［5，6］，可將珠海地區(qū)軟土的工程特性總結(jié)為以下幾點：

1.1 軟土分布范圍廣，厚度大

按照成因分類，珠海軟土可分為三類：濱海相軟土、三角洲相軟土和內(nèi)陸相軟土。近代海退淺海堆積所形成的濱海相軟土在珠海地區(qū)分布范圍廣，厚度大，是珠海地區(qū)工程建設(shè)領(lǐng)域需要重點關(guān)注的對象［7］，而且由圖1可知，珠海地區(qū)軟土層的平均厚度也遠大于國內(nèi)其他地區(qū)。珠海地區(qū)軟土廣泛分布在5個區(qū)域，各區(qū)域的軟土分布及其厚度如圖2所示，一般情況下，珠海軟土厚度處于6～50 m 范圍不等，目前發(fā)現(xiàn)的最大厚度已達到67.4 m。除香洲區(qū)近海岸一帶層位分布不穩(wěn)定以外，其它地區(qū)層位均保持穩(wěn)定［8］。

表1 珠海地區(qū)軟土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標[2]Tab.1 Main Physical and Mechanical Properties of Soft Soil in Zhuhai Area

圖1 珠海地區(qū)軟土的主要工程力學(xué)參數(shù)與其他地區(qū)對比Fig.1 Comparison of Main Engineering Mechanical Parameters of Soft Soil in Zhuhai Area with Those in Other Areas

圖2 珠海地區(qū)各區(qū)域軟土分布及其厚度Fig.2 Distribution and Thickness of Soft Soil in Zhuhai Area

1.2 孔隙比高，壓縮性大

珠海地區(qū)軟土孔隙比高，平均值為2.32，分布范圍為1.12～4.19；軟土壓縮系數(shù)平均值為2.59，分布范圍為1.56～4.68，屬于高壓縮性土。由圖1可知，珠海地區(qū)軟土的孔隙比及壓縮系數(shù)均明顯大于武漢、天津和杭州地區(qū)。

1.3 天然含水率高，天然密度低

珠海地區(qū)軟土平均天然含水率高達61.58%，明顯高于其他地區(qū)，且分布區(qū)間范圍大，最小值為43.5%，最大值為132%。此外，珠海軟土的天然密度平均值為1.62 g/cm3，略小于武漢、天津、杭州等地。

1.4 結(jié)構(gòu)性、欠固結(jié)特性突出

珠海地區(qū)軟土結(jié)構(gòu)性強，靈敏度分布范圍廣，最大值達到12.0，最小值僅為1.13，平均值為6.58，屬于靈敏性土。此外，該地區(qū)的軟土層平均厚度為10～20 m之間，再考慮3～5 m 的填土層厚度，其自重壓力一般超過了150 kPa，而室內(nèi)測試得到珠海地區(qū)淤泥層先期固結(jié)壓力Pc的平均值僅為73.77 kPa，表現(xiàn)出明顯的欠固結(jié)特性。珠海地區(qū)軟土工程力學(xué)特性較國內(nèi)其他軟土地區(qū)更差，從而基坑工程設(shè)計和施工中面臨著更為嚴峻的風(fēng)險。

2 珠海地區(qū)基坑工程的重大風(fēng)險分析及對策

2.1 圍護結(jié)構(gòu)變形過大

由于基坑開挖引起的土體損失會造成周邊環(huán)境的變形并進而導(dǎo)致周邊建（構(gòu)）筑物和管線、道路等公共設(shè)施的破壞，因此圍護結(jié)構(gòu)變形控制一直是基坑工程研究的重點，特別在軟土地區(qū)基坑工程中表現(xiàn)更為突出?；谖覈鄠€軟土分布地區(qū)的基坑圍護結(jié)構(gòu)變形量的統(tǒng)計分析可知［9，10］，不同地區(qū)基坑圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)移與地層關(guān)系密切，上海地區(qū)約為0.1%H～1.0%H（H為基坑開挖深度），杭州地區(qū)為0.7%H～1.2%H，寧波地區(qū)為0.18%H～0.93%H，溫州地區(qū)為0.48%H～1.86%H。但對于本文所討論的珠海軟土地區(qū)，基坑圍護結(jié)構(gòu)的最大側(cè)移約為0.1%H～4.4%H，表現(xiàn)出區(qū)間范圍大，峰值大等特征。

2.1.1 案例分析：珠海某重力壩式圍護結(jié)構(gòu)基坑

基坑的開挖深度為5 m，圍護結(jié)構(gòu)采用雙排鋼板樁加外圍水泥土攪拌樁的重力壩形式，無內(nèi)支撐，未對地塊內(nèi)及周邊土體進行軟基處理。當(dāng)開挖至1.5 m左右時，基坑周邊發(fā)生土體側(cè)向滑移，圍護結(jié)構(gòu)水平位移超過了預(yù)警值，如圖3 所示。事故發(fā)生后隨即進行回填，重新進行了基坑圍護結(jié)構(gòu)型式設(shè)計。

圖3 雙排鋼板樁發(fā)生過大變形Fig.3 Large Deformation of Double Row Steel Sheet Pile

在軟土地基中，圍護結(jié)構(gòu)變形量超限時有發(fā)生，其風(fēng)險性很大。隨著基坑開挖的進行，圍護結(jié)構(gòu)在主動土壓力的作用下產(chǎn)生變形，變形大小與基坑圍護結(jié)構(gòu)選型和圍護結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)，不當(dāng)?shù)倪x型和剛度過小是造成圍護變形量超限的主要原因。在珠海深厚軟土地層中，采用無內(nèi)撐的雙排樁支護方式對水平土壓力的抵抗能力較差，圍護結(jié)構(gòu)的水平位移遠大于采用樁撐支護型式的基坑，如表2所示。另外，珠海軟土具有較強的流變性和欠固結(jié)特性，在基坑開挖結(jié)束之后的較長時間內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)的變形仍會發(fā)生明顯增大。因此，在設(shè)計支護參數(shù)時未考慮到圍護結(jié)構(gòu)變形的滯后性，也是造成變形超限的重要原因。

表2 珠海地區(qū)基坑圍護結(jié)構(gòu)位移實測值統(tǒng)計Tab.2 Statistical of Measured Displacement of Retain?ing Structure of Foundation Pits in Zhuhai Area

2.1.2 應(yīng)對措施

采用合理的支護型式（增大圍護結(jié)構(gòu)剛度）是防控圍護結(jié)構(gòu)變形過大的主要對策之一。對于周邊環(huán)境保護要求較高的基坑，包括近接重要建（構(gòu)）筑物和管線、道路等市政設(shè)施的基坑，應(yīng)優(yōu)先考慮采用板式圍護+內(nèi)支撐的支護結(jié)構(gòu)。

此外，還可參考珠海橫琴某基坑支護工程，在條件允許的情況下，可在深厚軟土地層中采取地下連續(xù)墻與環(huán)撐的聯(lián)合支護體系（見圖4）［11］，該體系將平面支護結(jié)構(gòu)改變?yōu)榭臻g支護結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度大，受力合理，不僅有利于控制基坑周邊環(huán)境變形，而且由于采用了圓環(huán)撐，在基坑中部可以形成較大的施工空間，可加快施工進度。

圖4 基坑圍護結(jié)構(gòu)平面布置Fig.4 Layout Plan of Retaining Structure

2.2 基坑周邊沉降、坑底隆起

軟土基坑的開挖會對周圍環(huán)境造成較大影響，極易引發(fā)地表不均勻沉降及坑底隆起，進而危及周圍建筑物及地下管線等的正常使用。

2.2.1 案例分析：珠海某道路箱涵鋼板樁圍護基坑

箱涵圍堰采用15 m長鋼板樁作為圍護結(jié)構(gòu)，采用CFG樁（水泥粉煤灰碎石樁）對箱涵底進行地基處理，圍堰的設(shè)計深度為4.65 m，設(shè)1道鋼支撐，地塊內(nèi)及周邊土體未進行軟基處理。圍堰采用分段分層方式進行開挖，在開挖深度達到3.0 m 時，圍堰內(nèi)淤泥不斷隆起上升，立即采用50 cm 碎石墊層反壓并澆筑混凝土墊層，但是混凝土墊層最終還是上拱并破壞，造成附近展館地面大面積沉降、坍塌及開裂（見圖5）。

圖5 基坑開挖導(dǎo)致周邊地面下沉Fig.5 Surrounding Ground Settlement caused by Excavation of Foundation Pit

珠海地區(qū)軟土多為新近填筑未完成自重固結(jié)的軟土，欠固結(jié)特性十分突出，其沉降包括自重應(yīng)力和附加應(yīng)力引起的兩部分沉降?；娱_挖引起的主動土壓力作用在圍護結(jié)構(gòu)上，造成圍護結(jié)構(gòu)向坑內(nèi)位移，相應(yīng)的地層損失導(dǎo)致周圍地層沉降和變形。另一方面，基坑開挖卸載導(dǎo)致坑底土體隆起變形。由于軟土的欠固結(jié)特性，工后整體沉降和不均勻沉降可能會進一步發(fā)展，引發(fā)更大的事故或風(fēng)險。

2.2.2 應(yīng)對措施

圍護結(jié)構(gòu)的變形往往是地表沉降的先兆，過大的圍護結(jié)構(gòu)變形必將導(dǎo)致周邊地表的沉降。因此，可適當(dāng)加強圍護結(jié)構(gòu)的整體剛度，以降低圍護結(jié)構(gòu)的側(cè)移，控制周邊地表的沉降。除此之外，還可加固圍護結(jié)構(gòu)后方土體，以及對坑底及地表土體進行加固處理，提高土體的抗剪能力，從而減小周圍地表沉降。針對坑底隆起，可對坑堤土體進行整體加固或采用格柵式加固，采取適當(dāng)?shù)拇胧┦沟眉庸腆w外側(cè)與圍護結(jié)構(gòu)緊密接觸。

在開挖過程中，應(yīng)該對周邊地表沉降量進行嚴格監(jiān)控，有針對性、合理地布設(shè)測點，密切關(guān)注沉降量的發(fā)展趨勢，并嚴格控制敏感區(qū)域的地下水位。

2.3 時空效應(yīng)顯著

2.3.1 案例分析：珠海橫琴排樁+內(nèi)支撐項目

本項目擬建2 層地下室，基坑圍護結(jié)構(gòu)采用灌注樁排樁，水平支撐采用2 道鋼筋混凝土內(nèi)支撐?；娱_挖至坑底且已施工部分底板的情況下，基坑圍護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重破壞（見圖6），其中水平支撐出現(xiàn)明顯斷裂。分析事故發(fā)生的原因，一方面是由于基坑開挖結(jié)束之后未及時進行封底，基坑處于長時間暴露狀態(tài)；另一方面，基坑西側(cè)的修路堆載也對基坑的破壞起到直接作用。

圖6 圍護結(jié)構(gòu)破壞Fig.6 Damage of Retaining Structure

基坑施工過程具有明顯的時空效應(yīng)，基坑分部開挖不當(dāng)，或無支撐暴露時間過長，均可能導(dǎo)致圍護結(jié)構(gòu)過大的變形，甚至圍護結(jié)構(gòu)的破壞，進而引起基坑的失穩(wěn)、坍塌。特別對于珠江三角洲的軟土而言，由于其多呈絮凝結(jié)構(gòu)中的片架結(jié)構(gòu)，具有較強的流變性和蠕變性［12］，隨著時間推移土體強度會有所降低，從而使得作用在圍護結(jié)構(gòu)上的土壓力增大，加大了圍護結(jié)構(gòu)破壞的風(fēng)險性。

2.3.2 應(yīng)對措施

基坑施工過程中應(yīng)充分利用時空效應(yīng)，合理安排施工步序，盡量縮短無支撐暴露時間。在每個開挖步結(jié)束之后，應(yīng)及時施作支撐；在基坑開挖結(jié)束后，應(yīng)盡快將坑底封閉。此外，在基坑開挖時應(yīng)分層分段有序開挖，避免產(chǎn)生過大不對稱荷載，導(dǎo)致坑內(nèi)工程樁開裂或發(fā)生過大水平位移等質(zhì)量問題；在基坑施工及使用階段，應(yīng)嚴格控制坑頂堆載等外界條件的影響。

2.4 基坑深層滑移、斷樁

2.4.1 案例分析：珠海某采用排樁+錨桿圍護基坑

基坑開挖深度8 m，考慮采用排樁+2 道錨桿作為支護結(jié)構(gòu)；電梯井坑中坑深度為4.7 m，采用豎向鋼板樁進行支護，無內(nèi)支撐，地塊及周邊未進行軟土地基處理。其中T6 電梯井的土方開挖引起基坑深層土體發(fā)生側(cè)向滑移，導(dǎo)致周邊大范圍混凝土灌注樁受擠壓斷裂，最大位移偏差超過3 m（見圖7）。事故發(fā)生后，首先進行回填，并重新進行補樁及加固處理，工期延誤達2個多月。

圖7 基坑深層滑移和樁身傾斜、斷樁Fig.7 Deep Sliding，Pile Inclination and Pile Breakage

2.4.2 應(yīng)對措施

應(yīng)對基坑深層滑移、斷樁事故可從樁身補強及土層加固2 個角度進行考慮。首先，可在斷樁后補加新樁，架設(shè)臨時支撐和臨時錨桿；在基坑發(fā)生深層滑移后，可采取“外卸內(nèi)填”的方法進行處置，在基坑外側(cè)進行卸載，在基坑內(nèi)側(cè)進行回填土方或沙包，分區(qū)塊對基坑底板進行施工，盡快形成封閉的整體；也可對深層淤泥層進行加固，在樁身側(cè)補加預(yù)應(yīng)力錨桿、內(nèi)支撐；當(dāng)整體滑移嚴重時，需進行重新支護施工。

為防控深層土體的滑移等風(fēng)險，應(yīng)事先查明軟土層分布，在施工前建議對軟土層進行土體加固處理，提高土體強度，降低滑移風(fēng)險；同時，也可增大抗滑體的強度等阻止滑移的發(fā)生。

2.5 基坑工程風(fēng)險處置措施建議

為更好地預(yù)防和控制基坑事故的發(fā)生，首先應(yīng)查明地勘資料，明確軟土層的范圍，采用合理的圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟基處理型式，提高基坑工程的設(shè)計安全系數(shù)；施工過程中加強監(jiān)測，確保相關(guān)單位信息暢通，進行信息化施工，對各項風(fēng)險指標進行監(jiān)控，以便根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整設(shè)計與施工，防止事故的發(fā)生。此外，還可分別采用土層加固、創(chuàng)新圍護結(jié)構(gòu)型式、提高圍護結(jié)構(gòu)的整體剛度以及基坑“外卸內(nèi)填”等方式對各類風(fēng)險事故進行處理，各應(yīng)對措施與相關(guān)風(fēng)險的對應(yīng)關(guān)系總結(jié)如圖8所示。

圖8 珠海地區(qū)基坑風(fēng)險及對策匯總Fig.8 Summary of Risks and Countermeasures of Foundation Pits in Zhuhai Area

3 結(jié)論

⑴ 珠海地區(qū)軟土分布范圍廣，厚度大，已知最大厚度達67.4 m。與武漢、天津、杭州等地相比，珠海地區(qū)軟土具有孔隙比高、壓縮性強、天然含水率高、含水率變化范圍大、天然密度低等特點，除此以外，還具有較高的靈敏度及欠固結(jié)特性。

⑵ 珠海地區(qū)軟土基坑主要面臨圍護結(jié)構(gòu)變形過大、周邊地表過大沉降（含不均勻沉降）和坑底隆起、時空效應(yīng)顯著以及基坑深層滑移和斷樁等重大風(fēng)險；

⑶ 在珠海軟土地區(qū)，對于周邊環(huán)境保護要求較高的基坑，應(yīng)優(yōu)先考慮板式圍護體系加內(nèi)支撐的支護結(jié)構(gòu)。基坑施工過程中應(yīng)充分利用時空效應(yīng)原理，合理確定施工步序，及時施作支撐，封閉坑底。

⑷ 為減小珠海地區(qū)軟土變形帶來的地表沉降、坑底隆起和深層滑移等風(fēng)險，應(yīng)考慮對基坑周邊和坑底土體進行局部或整體加固，并充分保證地基加固的施工質(zhì)量。

⑸ 對珠海地區(qū)基坑工程風(fēng)險處置提出了相應(yīng)的建議，要求加強信息化施工，防止事故的發(fā)生。