牛 通

(中鐵建昆侖地鐵投資建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610000)

1 工程概況

成都軌道交通17號線二期工程為地下鐵路工程，長度大約為24.8 km。地勘報(bào)告顯示，本線路二仙橋站、機(jī)車廠站、人民塘站、航天路站、威靈站、高洪站均處于膨脹土(巖)地層。其中，航空路站設(shè)計(jì)總長270.003 m，中心里程為YDK 98+888.00，該處頂板覆土厚度約4.3 m，基坑安全等級為一級，埋深21.2～24.2 m，基坑采用圍護(hù)樁+內(nèi)支撐(3道)支護(hù)方案。2021年2月至2021年6月，基坑在開挖過程中，由于雨季施工及膨脹土(巖)特性，期間多次出現(xiàn)樁間土擠出導(dǎo)致噴錨面垮塌，側(cè)壁缺乏足夠的穩(wěn)定性，甚至威脅整個基坑支護(hù)體系的正常使用，坑內(nèi)作業(yè)存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。

2 膨脹土(巖)的基本特性

2.1 膨脹土

膨脹土集中在基坑底板以上的區(qū)域，該部分特殊土體的存在給基坑開挖和圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工造成影響。膨脹土，顧名思義，在遭遇到水的侵蝕后，會膨脹或收縮，具有較高的水敏感性，在水文環(huán)境的影響下，膨脹土呈現(xiàn)出反復(fù)脹縮現(xiàn)象，土體微裂隙發(fā)育，給水體(著重指的是地表水和地下水)的流動提供了渠道，受水侵蝕作用，加劇土體的脹縮，嚴(yán)重破壞土體結(jié)構(gòu)，土體的完整性受到影響。此外，土體有不均勻夾層，抗剪強(qiáng)度較低。

2.2 膨脹巖

場區(qū)下伏基巖為白堊系灌口組(K2g)泥巖。這次一共提取了4組泥巖進(jìn)行勘察，按照規(guī)范分別做膨脹性實(shí)驗(yàn)，獲得的結(jié)果是：膨脹力Pp=9.73～27.03 kPa，自由膨脹率Fs=19%～30%，飽和吸水率=5.53%～13.79%。進(jìn)一步分析，認(rèn)為：在選取的4組試樣中，有一組為弱膨脹巖，除此之外的其他各組為非膨脹巖?；娱_挖后若未及時(shí)采取封閉措施，將導(dǎo)致泥巖受到地下水、空氣的多重作用，而膨脹巖具有吸水軟化、膨脹的特點(diǎn)，因此強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)大幅下降，基底有隆起現(xiàn)象，基坑側(cè)壁有不同程度的變形以及開裂，隨之威脅到基坑邊坡的穩(wěn)定性，該部分可能會由于失穩(wěn)而坍塌。

3 基坑支護(hù)方案

車站結(jié)構(gòu)底板埋深最低為21.2 m，最高為24.2 m。在開挖施工中主要利用了明挖的方法。從現(xiàn)場施工條件來看，基坑開挖深度范圍內(nèi)以雜填土、黏土和泥巖居多，上部土層缺乏足夠的自穩(wěn)能力，并且工程建設(shè)現(xiàn)場恰好處于繁華的主城區(qū)，周邊現(xiàn)狀建(構(gòu))筑物對施工的限制性作用較強(qiáng)，不具備放坡開挖的條件。

考慮到基坑的穩(wěn)定性要求，必須在基坑開挖時(shí)采取行之有效的支護(hù)措施。綜合考慮基坑安全等級(一級)、現(xiàn)場施工條件、類似工程經(jīng)驗(yàn)等，經(jīng)過技術(shù)可行性、施工安全性等多角度的分析后，認(rèn)為以“排樁+內(nèi)支撐”的方案較為合適，具有剛度大、結(jié)構(gòu)整體性好等多重優(yōu)勢[1，2]。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)果分析

4.1 設(shè)計(jì)計(jì)算方法

在計(jì)算圍護(hù)樁的內(nèi)力時(shí)，利用的是理正深基坑軟件，并且通過MIDAS GEN軟件進(jìn)行建模分析，明確在膨脹力作用下圍護(hù)樁的受力特性，分別取多種圍護(hù)樁體系，做針對性的驗(yàn)算，從中確定最不利結(jié)果，在此基礎(chǔ)上開展圍護(hù)樁體系的設(shè)計(jì)工作。

主要考慮以下四類工況：①工況1，保留第二道支撐、沒有膨脹力，內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值N1；②工況2，保留第二道支撐、膨脹力保持在100%，內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值N2；③工況3，將第二道支撐進(jìn)行拆除、沒有膨脹力，內(nèi)力設(shè)計(jì)值N3；④工況4，將第二道支撐進(jìn)行拆除、膨脹力保持在20%，內(nèi)力設(shè)計(jì)值N4。

疊加膨脹力的形式主要有兩種類型：①保留第二道支撐、膨脹力維持在100%，這種情況下出現(xiàn)“N1+N2”；②將第二道支撐進(jìn)行拆除，膨脹力保持在20%，這種情況下出現(xiàn)“N3+N4”。綜合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)正常內(nèi)力設(shè)計(jì)值和前述提及的兩種疊加組合值，經(jīng)過對比分析后，從中篩選出最不利值，以此來開展圍護(hù)樁體系的配筋計(jì)算工作。

4.2 計(jì)算概況及結(jié)果分析

建模環(huán)節(jié)，用彈性支點(diǎn)法分析圍護(hù)樁體系。地層與內(nèi)支撐用彈簧單元模擬，圍護(hù)樁用梁單元模擬。對于膨脹力、內(nèi)支撐力及地層抗力，三者均換算為各圍護(hù)樁可承受范圍內(nèi)的計(jì)算值(理正計(jì)算與MIDAS計(jì)算示意圖如圖1所示)。

圖1 計(jì)算示意圖

工況1、工況2計(jì)算結(jié)果如圖2所示，工況3、工況4計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 工況3、工況4的計(jì)算結(jié)果示意圖

基于計(jì)算結(jié)果展開分析，若采用疊加①的方式，將對支撐的受力、圍護(hù)樁的剪力產(chǎn)生控制作用；對疊加②這種形式來說，在控制圍護(hù)樁彎矩方面有良好的控制效用。

在全面分析的基礎(chǔ)上，對圍護(hù)樁彎矩的最不利值明確界定出來，并將這個數(shù)值作為疊加②組合彎矩值，結(jié)合前述提及的工況，得知此疊加方式下的第二道支撐已經(jīng)被拆除，從第一道支撐至底板剛性鉸處的圍護(hù)樁彎矩計(jì)算跨度發(fā)生改變，即由原本的7 m增加至12 m，考慮到的是20%膨脹力的作用條件，彎矩最大值出現(xiàn)在疊加②，該原因主要有兩方面：

(1)疊加②需乘以基本組合分項(xiàng)系數(shù)。

(2)彎矩具有隨跨度平方增大的關(guān)系。

圍護(hù)樁剪力最不利取值在疊加①出現(xiàn)，支撐軸力最不利取值也在疊加①出現(xiàn)。這時(shí)的工況特點(diǎn)主要有兩個方面：第一，保留支撐；第二，膨脹力為100%。支撐裝置是最為重要的受力部分，不僅要承受全部膨脹力，而且要承受側(cè)土壓力，這時(shí)候最大的支撐軸力在疊加①出現(xiàn)。從圍護(hù)樁計(jì)算跨度比的視角來觀察，與疊加①相較，疊加②是原來疊加①的2倍；而從100%膨脹力的角度來看，疊加①比疊加②增加約5倍，而考慮到剪力的增長特性(隨跨度、線荷載呈線性增加)的特點(diǎn)，有理由認(rèn)為最大剪力發(fā)生在疊加①。

對比分析多種地質(zhì)鉆孔的計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)隨著膨脹性地層分布狀態(tài)的改變以及水平膨脹力的改變，兩種膨脹力疊加方式的組合內(nèi)力值也有所變化。在基坑深度變化與支撐布置變化的雙重變化下，如果膨脹性地層分布出現(xiàn)了變化或者膨脹力取值出現(xiàn)了變化，那么發(fā)揮控制影響的工況也會發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以明確的是，相比于正常工況設(shè)計(jì)值，圍護(hù)樁的最不利彎矩疊加組合值增加約6.1%，樁的剪力值增加約54%[3-5]。

5 樁間膨脹土的流失機(jī)理

在基坑開挖的過程中，坡面膨脹土?xí)豢杀苊獾爻霈F(xiàn)流失。因?yàn)榕蛎浲恋慕Y(jié)構(gòu)體系是網(wǎng)狀的，土方開挖應(yīng)力全部釋放之后，網(wǎng)狀裂隙會全部展開，局部坍塌的情況比較嚴(yán)重。與此同時(shí)，如果局部滲水量比較大，那么坡面還會出現(xiàn)浸泡等。在施工中，排水防滲工作是必不可少、非常重要的。要盡量保證膨脹土內(nèi)部具有最后的水量，防止土體出現(xiàn)膨脹。一方面，基坑的開挖，讓內(nèi)側(cè)水力梯度與外側(cè)水力梯度均有所提高，水向基坑滲流不斷加速。吸收水分之后，膨脹土?xí)粩嗯蛎洠⑿纬膳蛎泬毫?，其會不斷向各個方位拓展，而其豎向變形受土的自重壓力限制，土體變形便向最薄弱的臨空面發(fā)展，致使原狀土體結(jié)構(gòu)破壞[6-8]。

另一方面，基坑挖掘開始后，坑壁處出現(xiàn)了臨空面，原先的凈水平衡被打破，受到動水的影響，上側(cè)水體會沿著膨脹土的縫隙不斷流向下部，樁間土的簡單噴護(hù)使水體不斷向外流出，并在基坑的開挖面不斷匯集。土體在水的作用下，迅速崩解，最后形成的塊狀土體黏聚力非常弱，原來的狀態(tài)不斷被破壞。這種情況不斷加劇，愈演愈烈，簡單的樁間噴護(hù)面已經(jīng)無法承受來自側(cè)面的壓力，破壞在所難免。樁間土體流失越發(fā)嚴(yán)重。在水流以及大風(fēng)的雙重作用下，樁后土體持續(xù)脫落，使臨近地面的基坑出現(xiàn)坍塌，地面裂縫不斷延伸。樁后已經(jīng)不再是原狀土，樁后土體出現(xiàn)的臨空面持續(xù)崩塌，原先的樁土受力體系出現(xiàn)改變，支護(hù)結(jié)構(gòu)被損毀。

6 支護(hù)結(jié)構(gòu)處理技術(shù)

樁間土擠出導(dǎo)致噴錨面垮塌后，應(yīng)快速根據(jù)應(yīng)急預(yù)案將工作人員撤退，并確保工作人員和物資撤退到安全地帶，將施工場所再次進(jìn)行勘測、檢驗(yàn)和無線電探測，同時(shí)將設(shè)計(jì)及監(jiān)測部門進(jìn)行召集，并討論處理措施[9，10]?，F(xiàn)場加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的措施有：

(1)修整坡面，編鋼筋網(wǎng)片(8 mm@200 mm)，將水平加強(qiáng)筋放置于其上，將水平加強(qiáng)筋與鋼筋釘、掛網(wǎng)鋼筋進(jìn)行焊接。

(2)將掛網(wǎng)鋼筋植入樁體內(nèi)部，直徑最低不能低于12 mm，最高不能高于16 mm。長度為0.4 m，形狀為L形，上下兩側(cè)的間距為1.0 m；將其射入混凝土面層，厚度保持在50 mm以上。

(3)用在兩根圍護(hù)樁間打設(shè)膨脹螺栓安裝5 mm厚鋼板的方法進(jìn)行樁間土預(yù)加固。

(4)對周邊裸土地面及硬化地面裂縫進(jìn)行封閉，對周邊建筑物進(jìn)行補(bǔ)充注漿加固。

(5)必要時(shí)第一、二道鋼支撐可采用并撐以控制基坑變形。

(6)封閉基坑底部及樁間土體，樁間護(hù)壁設(shè)置泄水管引排地層滯水。

(7)控制地面超載，且應(yīng)加密監(jiān)測頻率。

以上處理方法有利于樁和樁間土、表層產(chǎn)生一個非常有用的連接和基坑變形控制，實(shí)際根據(jù)此方式展開施工后，樁間土體被很好地保護(hù)，同時(shí)，根據(jù)實(shí)際勘測結(jié)果得知，基坑變形問題也已被有效控制。

7 膨脹土認(rèn)知與盲區(qū)

膨脹土的特點(diǎn)比較突出：遇水可以膨脹、失水可以收縮、在水的侵蝕下承載力不斷減弱，膨脹率對其性質(zhì)變化有較大的影響。中強(qiáng)度膨脹土浸水后，崩解速度極快，弱膨脹土浸水后，則需較長時(shí)間逐步崩解。并且膨脹土具有較多裂隙，裂隙面較光滑，親水性強(qiáng)，易形成滑動面，容易導(dǎo)致基坑位移和建筑物開裂。

根據(jù)成都地鐵17號線二期工程的施工經(jīng)驗(yàn)，已開挖施工的5座車站均出現(xiàn)過不同程度的樁間土垮塌、基坑變形。究其原因，主要是對膨脹土的特性認(rèn)識不到位，支護(hù)設(shè)計(jì)方案及施工措施不足以應(yīng)對膨脹土所帶來的危害。

7.1 圍護(hù)體系強(qiáng)度需加強(qiáng)

對于膨脹土基坑，方案設(shè)計(jì)時(shí)盡量考慮選擇：加大圍護(hù)樁樁徑、減小樁間距、加強(qiáng)樁體配筋及基坑側(cè)壁配筋、第一道支撐由鋼支撐改為混凝土撐、縮短支撐豎向間距等支護(hù)方案，必要時(shí)增加基坑支撐層數(shù)，保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)有足夠剛度抵抗膨脹土變形。同時(shí)，對于膨脹土基坑，不建議采用放坡開挖形式。

7.2 施工組織考慮因素須健全

施工組織設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合基坑形狀、支護(hù)形式、周邊環(huán)境等因素，合理劃分結(jié)構(gòu)施工單元、基坑出土馬道設(shè)置和收土位置，避開敏感結(jié)構(gòu)單元及建筑物。同時(shí)，盡量避開雨季施工，合理控制施工節(jié)奏，減少基坑暴露時(shí)間，保持連續(xù)均衡施工。

7.3 加強(qiáng)周邊建(構(gòu))筑物保護(hù)

設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮基坑與周邊建(構(gòu))筑物的關(guān)系，基坑與建(構(gòu))筑物之間應(yīng)采取必要的隔離措施(如隔離樁、鋼管樁等)，從而避免基坑變形對周邊地層帶來的不利作用。

7.4 重視管線遷改

鑒于膨脹土地層遇水膨脹、失水收縮的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)及管線統(tǒng)籌階段，應(yīng)重點(diǎn)考慮基坑變形對周邊危險(xiǎn)性較大管線產(chǎn)生的不利影響，建議一倍基坑深度范圍內(nèi)的管線采用能遷盡遷、能換盡換原則，合理避免危險(xiǎn)性較大管線的保護(hù)。

7.5 監(jiān)測參數(shù)設(shè)置須完善

目前膨脹土基坑監(jiān)測參數(shù)與非膨脹土基坑監(jiān)測參數(shù)一致，因膨脹土對開挖反應(yīng)時(shí)效性很強(qiáng)(隨挖隨變)，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)頻繁預(yù)警，且部分需監(jiān)測項(xiàng)目沒有設(shè)置相應(yīng)的控制指標(biāo)，信息化指導(dǎo)施工還存在盲區(qū)。

8 結(jié) 語

綜上所述，針對膨脹土(巖)地區(qū)的地鐵車站基坑開挖，應(yīng)在設(shè)計(jì)階段適當(dāng)考慮膨脹力的作用。作為施工方，在實(shí)際的基坑開挖施工中需要及時(shí)封閉基底，加強(qiáng)對現(xiàn)場情況的監(jiān)測與控制，及時(shí)采取防排水措施，在合理設(shè)計(jì)、規(guī)范施工之下，切實(shí)保證深基坑圍護(hù)樁體系的質(zhì)量，為深基坑施工提供安全保障。