新填海場地軌道交通基坑位移突變原因分析及對策

馬馳

（鐵科院（深圳）研究設計院有限公司，廣東深圳 518034）

我國東部沿海經濟發達地區，部分軌道交通線路位于新填海場地，明挖隧道的深基坑工程隱患和事故時有發生，給工程建設造成了較大影響［1-6]。新填海場地有較深厚的欠固結淤泥層和人工填砂（土）層，且地下水位埋深淺，增加了深基坑工程的設計與施工的技術難度［7]。當采用樁錨支護時，在填砂層、淤泥層打設錨索，易造成塌孔、糊鉆，導致圍護結構瞬時壓力過大；同時，錨索（錨碇）預應力損失、地下空洞塌陷等也會造成位移突變，影響圍護結構的安全［8]。本文結合新填海區一軌道交通基坑工程施工初期出現位移突變及其處理措施，對新填海場地基坑中錨索糊鉆等問題進行深入的研究，取得的經驗可為同類工程施工提供借鑒和參考。

1 工程概況

該軌道交通基坑位于新填海場地，全長1720 m，開挖深度13～18 m，周邊空闊，無重要建（構）筑物、管線等。基坑開挖深度內地層自上而下有填砂層、淤泥層、粉質黏土層、黏土層、中砂層，其中淤泥層采用了排水固結堆載預壓處理，各土層物理力學性質參數見表1。

表1 土層的物理力學性質參數

基坑采用咬合樁+錨碇（錨索）的支護方案：咬合樁直徑1.0 m，咬合0.2 m；錨碇長28 m，間距1.6 m，錨碇上覆土厚4 m，鎖定荷載250 kN；錨索間距1.6 m，傾角30°，鎖定荷載300 kN。基坑支護斷面如圖1所示。

圖1 基坑支護斷面示意（單位：mm）

基坑施工順序：首先先施工咬合樁，打設錨碇，坑內降水后開挖第一層土方；然后打設第一排錨索，開挖第二層土方；之后每打設一排錨索，開挖一層土方，直至開挖至基坑底。

2 局部地段施工與位移突變情況

局部地段，長約100 m，3月15日—3月30日施工錨碇；3月30日—4月10日開挖第一層土方，開挖深度5.0 m；5月5日—5月11日施工第一排錨索，位移發生突變。

該段基坑土方、錨索施工期間的典型測點W17 實測樁頂水平位移以及施工后W17 附近不同深度處水平位移見圖2。結合現場施工和實測位移，由圖2（a）可知：①4月10日開挖第一層土方底時，樁頂水平位移較小，為9.0～23.2 mm，變形仍持續發展，位移速率約2.5 mm/d，7 d 后樁頂水平位移穩定在32.0～41.0 mm。②4月17日—5月5日現場未施工，變形穩定。③5月5日W17 點附近錨索鉆孔、注漿，樁頂水平位移開始發生突變，位移速率約6 mm/d，持續變形時間6 d，樁頂水平位移發展了29.0～35.0 mm。現場發現樁頂后側地面有裂縫，注漿液從裂縫流到地面。5月11日位移速率開始減小至2.2 mm/d，持續變形時間6 d，位移增加了13.2 mm。④5月21日，錨索張拉鎖定后，對樁頂水平位移突變的原因進行了分析，采取了處理措施，開挖第二層土方期間，樁頂水平位移較小。⑤靠近錨索的位置，樁身變形最大，圍護樁發生位移突變，樁體位移影響深度達到14.0 m。由圖2（b）可知：第一排錨索施工造成的樁頂水平位移達到42.2 mm，錨索所在位置的樁身變形達到50 mm，錨索施工不當對圍護樁變形影響大。

圖2 W17樁頂及附近不同深度處水平位移實測曲線

3 原因分析

該段基坑第一層土方開挖深度5.0 m，開挖范圍內以填砂層為主。其他各段基坑開挖深度、地質條件與該段基坑基本一致，第一層土方開挖后，樁頂水平位移9～20 mm，遠小于該段基坑樁頂水平位移。現場分析了該段基坑的錨碇、錨索施工工藝，研究發現錨索糊鉆是基坑變形過大的主要原因，同時錨碇預應力損失、地下空洞塌陷也是造成基坑變形突變的原因。

3.1 錨索糊鉆的影響

錨索自由段基本位于淤泥層，鉆孔應采用套管跟進技術，鉆孔循環水應該由孔眼流出。但是，現場錨索成孔采用套管沖水鉆進的施工工藝，見圖3（a），套管沒有跟進，淤泥層出現塌孔，孔眼封堵，水不能從孔眼流出，注漿水、水泥漿沿套管外壁向孔口流動，在土層薄弱的位置形成劈裂面，沿著劈裂面向上由地面流出，見圖3（b）。水壓和注漿壓力作用在土層劈裂面上，再由土體傳至護坡樁，圍護樁發生位移突變。錨索糊鉆后造成的壓力見圖4。

圖3 施工現場

圖4 土層劈裂后圍護結構受力分析示意（單位：mm）

錨索鉆孔注漿期間，作用在劈裂面上的荷載變化情況見圖5。圖中：t0為鉆孔、第一次注漿完成時間；t1為第二次劈裂注漿開始時間；t2為第二次劈裂注漿結束時間；t3為錨索影響結束時間。水壓和注漿壓力荷載及位移發展分為四個階段：①在沖水鉆孔、第一次注漿期間，作用在土層劈裂面上的水壓逐漸增大，圍護樁發生位移突變。②第一次注漿完成后，作用在土層劈裂面上的水壓開始減少。③第二次劈裂注漿階段，作用在土層劈裂面上的注漿壓力逐漸變大。④注漿完成后，注漿壓力消失，圍護樁以一定的速率向坑內位移，位移發展一定時間后趨于穩定。

圖5 錨索鉆孔期間作用在劈裂面上的荷載

3.2 錨碇預應力損失嚴重

由圖2可知，該段基坑開挖至第一層土方底之后，樁頂水平位移持續發展了6 d。其他段基坑，開挖至第一層土方底之后，樁頂水平位移約20 mm，位移基本穩定。

對比其他段基坑地質條件施工位移，錨碇預應力損失嚴重是樁頂水平位移持續發展的主要原因。同時，第一層土方底部基本位于淤泥層，坑底地質條件差也會造成樁頂水平位移增大。

錨碇拉力時程曲線見圖6。可知，錨碇的鎖定荷載為250 kN，鎖定后錨碇拉力約125 kN，預應力損失了50%。

圖6 預應力損失的錨碇應力監測結果

造成錨碇預應力損失的原因是：①錨碇前方土體碾壓不密實，造成預應力損失嚴重。張拉后錨碇前方土體向基坑內位移了約20 mm，經計算，錨碇預應力損失約100 kN，見圖7。開挖第一層土方后，該段基坑樁頂穩定位移比其他段基坑大20 mm 左右，與錨碇前方土體變形基本一致。錨碇前方土體松散是導致錨碇預應力損失、基坑位移增大的主要原因。②錨具質量差，錨夾片不佳，鎖定時造成部分預應力損失。③未按要求分級張拉，同時，每級張拉的持續時間不足。④基本試驗不充分，試驗結果應及時反饋設計分析，研究確定張拉荷載。

圖7 錨碇張拉鎖定后前方土體變形

錨碇預應力損失嚴重，對樁頂的約束小，造成樁頂水平位移偏大。現場對錨碇進行了二次張拉，錨碇拉力穩定在270 kN左右，位移逐漸趨于穩定。

3.3 地下空洞塌陷的影響

錨索施工不當，錨索孔口出現流水、流砂現象，樁背土體被掏空，形成地下空洞。當地下空洞過大，或者在雨季地質條件變差時，空洞上方土體突然塌陷，影響圍護結構受力，造成圍護樁變形。樁背地面塌陷見圖8。

圖8 樁背地面塌陷

4 處理措施及效果

4.1 處理措施

現場對錨碇和錨索施工進行了改進，改進措施如下：

1）對于未張拉鎖定的錨碇，進行錨碇抗拔力檢驗試驗。抗拔力檢驗試驗定位總錨碇數的5%，檢驗荷載為1.6T（T為設計抗拔力），每級荷載等待觀測時間10～15 min，要求最大張拉荷載下鋼絞線伸長量不大于18 cm。對于有明顯預應力損失的錨碇，進行再張拉鎖定。錨碇的再張拉鎖定荷載定為350 kN，再張拉荷載為1.4T（T為設計抗拔力）。

2）錨索成孔施工要求跳二打一，相鄰孔注漿并初凝后方可開孔。遇到流塑淤泥層和流砂層時，不得采用套管沖水鉆進的鉆孔施工工藝，應采用鉆頭鉆進、套管跟進、套管內出渣的方法成孔。當地層條件允許采用套管沖水鉆進成孔時，要求自由段范圍鉆進速度不大于0.5 m/min，給水壓力小于200 kPa。錨索首次壓漿的壓力應小于200 kPa，以灌滿為止，不得加壓。

3）漏水漏砂處須即時封堵，地下空洞采用注漿填充。

4.2 處理效果

該段基坑采取處理措施后，第二層、第三層錨索施工期間，沒有發生位移突變。在第二層、第三層土方開挖期間，樁頂水平位移速率均為20 mm/d左右。

其他各段基坑施工吸取了該段基坑的經驗，基坑順利開挖到底。基坑開挖到底時，樁頂水平位移約為60 mm，樁身最大變形約90 mm，處于穩定狀態，驗證了基坑支護方案和處理措施合理且可行。

5 結論

1）錨索糊鉆后，對土層形成劈裂，注漿壓力、水壓力作用在劈裂面上，導致圍護樁產生位移。注漿階段位移速率大，停止注漿后，位移速率逐漸減小。對于新填海場地的基坑，圍護樁位移會持續發展10～14 d。

2）在新填海場地施工錨索，必須套管跟進，同時控制鉆進速度和給水壓力，一旦糊鉆，就會給基坑支護結構造成過大的側壓，造成基坑變形過大，甚至影響基坑的安全。

3）錨索鉆進過程中，要密切關注孔口的流泥、流水現象，一旦發現糊鉆，就采取相應處理措施。

4）基坑開挖過程中，當錨索孔出現漏水、流泥時，應及時封堵，避免造成樁后空洞，甚至塌方。

5）施工時嚴密觀測錨碇、錨索拉力，對于預應力損失嚴重的錨碇、錨索及時進行二次張拉。