膨脹性泥巖深基坑變形分析及處理

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

膨脹性泥巖具有失水時崩解、體積膨脹、次生裂隙數量增多、縫寬增大、整體性能惡化、逐漸成為散體結構，增水時軟化、抗剪強度迅速損失等特點，流變特性和易擾動性較強，深基坑設計及施工時如措施不當，將對支護結構造成破壞。本文結合西寧火車站綜合改造工程（下穿隧道）Ⅱ標段工程深基坑工程，針對深基坑水平位移超過規范及設計值，從特有地質條件、施工及設計方面進行分析，提出施工及設計處理措施。

膨脹性泥巖；深基坑支護；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，為西寧火車站站前廣場改造軌道交通預留工程，位于站前南廣場新建祁連路-互助路公路隧道下方。南側為湟水河，北側為擬建西寧火車站地下空間。東西兩側為下穿隧道Ⅰ、Ⅲ標段。本標段基坑平均深度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　基坑支護平面圖

1.1場地內地質條件

①0～2m雜填土。

②5～7m天然級配砂礫石層。

③7～12m強風化泥巖，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10.3～12.5，平均11.1。

④12～20m中風化泥巖，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%；點載荷換算抗壓強度0.83～4.31MPa，平均值1.90Mpa；含水量2.71～15.76%，孔隙率8.94～30.98，天然抗壓強度1.24～22.60MPa；軟化系數0.05～0.54；天然抗拉強度0.22～4.44MPa；彈性模量0.447×104～4.272×104MPa；泊松比0.21～0.32；抗剪強度0.2～5.07MPa。

⑤20m以下為微風化泥巖（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%。點載荷換算抗壓強度1.33～24.79MPa，平均值5.22MPa；含水量4.11～14.55%，孔隙率13.69～31.90，天然抗壓強度0.36～13.80MPa；軟化系數0.10～0.51；天然抗拉強度0.07～2.16MPa；抗剪強度0.10～3.85MPa。

1.2設計支護方式

基坑深0～10m采用1：0.6、1：1、1：2等分臺階自然放坡的形式，表面采用A6.5@300×300網噴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——支護樁系統支護，垂直表面采用A6.5@300×300網噴80mm厚C20混凝土、B22@3000×3000長6m土釘，并設置兩排B32間距2m長15m錨桿。標準面支護方式如圖2所示。

圖2　標準剖面圖

1.3基坑變形情況

當基坑開挖至中風化石膏巖時（深14～16m），基坑變形超過預警值，并持續增大，冠梁與土體間出現50mm左右的縫隙，部分錨桿檢測應力達不到設計要求，嚴重影響基坑的穩定性及施工人員生產的安全，現場立即停止施工，并對開挖基坑進行反壓土回填處理，進行原因分析。

2　基坑大變形原因分析

結合現場地質條件及周邊環境，進行深基坑較大位移的原因分析，主要有以下幾個方面：

2.1對膨脹性泥巖膨脹力考慮不足

深基坑開挖進入膨脹性泥巖（4m）后，隨著泥巖含水量的變化、暴露在空氣中的時間加長，膨脹性泥巖產生膨脹應力，顯然過大的膨脹力以及土體本身側壓力是設計值僅為240kN（間距2m）的錨桿無法承擔的，從而造成基坑變形。

2.2錨桿失效

（1）地下水影響

地下水對圍護結構變形相關性十分顯著，根據東北側圍護冠梁水平位移發展與其附近集水坑水泡的多次對應分析發現，每當有水泡現象發生，該處臨近的圍護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

當基坑開挖至中風化石膏巖標高位置后，坑壁及地下水滲出，導致膨脹性泥巖在含水率變化的情況下軟化、膨脹并崩解，通過現場對比試驗發現，泥巖在沒有遇水的情況下風化的速度極其緩慢，而遇到水之后風化速度十分快、且十分嚴重，如圖3所示。

圖3　泥巖遇水風化對比圖

由此可以分析，錨桿注漿體在7d達到70%強度張拉時，均能達到設計錨固力，但是由于漿體內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現，即使采用二次注漿工藝，因未風化巖體強度較高，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

基坑大變形出現后，通過檢測發現原設計的錨桿預應力損失十分顯著，局部測點的位移高處預警值2倍以上，當一根錨桿出現問題時，相鄰的兩根錨桿就需承擔失效錨桿的應力，超過錨桿受力設計值，當在以上幾種原因的影響下出現錨桿局部失效后，群錨也將隨之失效，從而造成基坑整體出現大變形、且變形不收斂的情況出現。

2.3北側地下空間施工荷載增加的影響

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

3　基坑大變形處理

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

3.1做好有組織排水，減少基坑暴露時間

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

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

3.2增設錨索，采用高壓劈裂注漿工藝

排樁上部增設兩排錨索，設計錨固力為612kN，鎖定錨固力為459kN，由4根1860MPaφ15.2mm鋼絞線組成，如圖4所示。

優化錨索設計及施工參數，提高有效錨拉力。錨索一次注漿為充填型注漿，加早強劑，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行；分級張拉，實時判斷錨索的拉撥力和實際鎖定荷載。

圖4　增設錨索圖

3.3增設內支撐

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

圖5　鋼支撐

3.4優化基坑開挖順序

基坑土方開挖和結構施工按分區分塊的原則進行優化：結合鋼支撐施工，按主體結構設計的要求調整施工縫的布局，進而調整錨索的施工順序；土方開挖按A、B、C、D、E分為五段依次進行開挖，并及時施做相應土釘、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構施工，基坑變形得到有效控制，未發生基坑安全事故。

4　結束語

基坑工程是建筑工程的重要組成部分，其穩定與否直接關系到后續施工安全，需要對基坑地質及周邊環境進行詳細分析，設置合理支護方式，尤其是在不良或特殊地質情況下，更需要進行必要試驗，不能盲目選用經驗值，充分考慮各相關項的影響，避免設計及施工缺陷。結合西寧站改工程膨脹性泥巖深基坑大變形處理經驗，在以后膨脹性泥巖深基坑施工中應充分考慮以下影響：

（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）圍護結構本身設置與周邊地質的符合性；

（4）周邊構筑物的影響。

2016-3-12

TU753

A

2095-2066（2016）09-0165-02