膨脹性巖土基坑樁體水平位移變形分析

許 鋒， 鄧 川， 楊定強， 何圓圓

（1.中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308；2.四川省川建勘察設計院有限公司，四川 成都 610095）

膨脹巖具有吸水軟化、膨脹，失水崩解的特性。膨脹土具有遇水膨脹、失水收縮的反復脹縮特性；伴隨反復脹縮，土體中微裂隙發育，隨著地下水的流動，土體加劇脹縮，導致土體結構整體破壞。基坑開挖后，若側壁存在膨脹巖土，特別是雨季施工時，可能出現變形大、失穩、支護體系失效、坍塌的風險；因此在膨脹性巖土中如何保證基坑安全，尤其是在雨季階段顯得更加重要。

樁體水平位移是圍護結構變形最直觀的表現形式之一，對基坑安全評價有著重要作用[1]。樁體水平位移監測的實施、監測數據的準確性以及如何準確判定基坑的安全狀態一直都是地鐵基坑安全監測的重點和難點[2～3]。本文以成都地鐵某膨脹性巖土基坑工程為例，對樁體水平位移變形規律進行研究，給出膨脹性巖土基坑變形較大時施工處置措施及監測、設計單位注意事項。

1 工程概況

成都地鐵某車站基坑地層為膨脹性巖土，安全監測等級為一級。車站長363.2 m、標準段寬23.5 m、深21.7～28.26 m。鉆孔揭示車站范圍內從上至下主要地層依次為第四系人工填土層，第四系中、下更新統冰水沉積層黏土、含黏土卵石和下伏白堊系上統灌口組泥巖，白堊系上統夾關組泥巖、砂巖，白堊系下統天馬山組泥巖、砂巖。區段內黏土為膨脹土，根據室內試驗統計：自由膨脹率為42%～52%，膨脹力為48.7～71.2 kPa，膨脹率0.28%～0.42%，收縮系數0.33～0.44。區段內下覆基巖為泥巖和砂巖，均屬于弱膨脹巖，據室內試驗統計：自由膨脹率16.0%～28.0%；膨脹力5.1～56.0 kPa；飽和吸水率5.65%～8.03%。見圖1。

圖1 基坑結構及地質剖面

2 樁體水平位移監測

2.1 測點目的及意義

對圍護結構樁體進行安全監測和巡視，為參建各方提供可靠的變形監測數據及異常信息，通過一系列風險監控及預警體系，對可能存在的險情和隱患及時提醒、準確預報，避免安全事故的發生[4]。監測數據同時為設計部門提供參考，驗證和不斷優化設計實施方案，做到科學、經濟、安全的施工。

2.2 監測方法及原理

采用精度為±2.0 mm/30 m 的CX-901F 滑動式測斜儀對圍護樁內預埋的測斜管進行監測，沿垂直于基坑長邊導槽方向從底部起每隔50 cm 采集一次數據，每個方向均應進行正反兩次測量。利用重垂器始終垂直指向地心的性質，隨著基坑開挖樁體發生水平位移，測斜儀探頭軸線與重錘器垂線的傾角也隨之改變，重垂器連動著微型電位器，電位器的動臂也隨之發生線性改變；因此現場測得電位器的電阻值后，通過計算可知圍護結構樁體不同深度的位移變化值。

2.3 測點布設及保護

布設在基坑各邊中部、陽角及其他特殊位置的監測點，與樁頂水平/豎向位移監測點處于同一監測斷面[5]。車站標準段監測點布設間距為20～40 m。測斜管作為數據采集的通道，在預埋及監測過程中要采取加裝保護內外蓋、制作顯性保護裝置等措施，避免測點堵塞和破壞。見圖2。

圖2 樁體水平位移監測點布設位置

2.4 初始值及監測頻率

在基坑土方開挖前，對監測點連續獨立3 次采集數據，取3 次穩定數據的平均值為初始值[6]。監測頻率根據現場施工進度及設計要求綜合確定，見表1。

表1 監測頻率

2.5 控制值及預警機制

樁體水平位移監測累計控制值為30 mm，變化速率控制值為3 mm/d。

監測數據累計值達到控制指標的2/3 且變化速率達到控制值時應進行黃色預警。監測數據接近黃色預警值但不滿足黃色預警條件時可發送工作聯系單進行提醒。

監測工程師判斷有以下情況出現時，也應進行黃色預警：監測數據變化速率未超過控制值但累計值達到預警值；鋼支撐架設滯后，軸力不滿足預加力要求；基坑支護結構出現明顯變形、裂縫，周圍巖土體出現涌砂、涌土、坍塌、滲漏水等；其他危險情況。

3 數據處理與分析

3.1 數據處理

外業采集的數據要通過數據處理軟件進行解算，計算出每個測點深度的水平位移量、累積位移量等并繪制水平位移累計變化曲線。見圖3。

圖3 水平位移累計變化曲線

以測點CX13 為例，結合施工工況進行綜合分析。見表2。

表2 CX13施工工況及監測數據統計

分析表2可知：

1）隨著基坑開挖深度的增加，樁體水平位移逐漸增大；在開挖面未到達膨脹土處時，變形量最大主要在開挖面，變形原因主要為開挖深度過大，現場未及時架設第二道鋼支撐；

2）開挖面在膨脹巖土面以下時，最大變形量集中在11.0 m 處，此處為黏土卵石層與全風化泥巖接觸面，因膨脹土在雨水及地表水的作用下發生膨脹導致基坑變形增大，隨著基坑開挖，樁體單次最大變形量位置逐漸向下偏移，基坑底板澆筑完成后，基坑變形量趨于穩定；

3）樁體水平位移監測中，分析發現圍護樁底發生“踢腳”變形，隨著基坑開挖深度的增加，“踢腳”變形越來越嚴重；樁體水平位移監測以其頂部為起算點并結合樁頂水平位移監測數據進行修正，圍護樁底部最大位移值達15.0 mm。

3.2 鋼支撐軸力

對CX13 斷面鋼支撐軸力進行統計分析：第一道鋼支撐安裝后，測點ZL1-6 鋼支撐軸力隨著基坑開挖逐漸增大，在安裝第二道鋼支撐后變化趨于穩定，最大值為702 kN；第二道鋼支撐安裝后，測點ZL2-6 軸力迅速增大，在安裝第三道鋼支撐后變化趨于穩定，最大值為868.40 kN；在澆筑完底板、施作結構后，ZL3-6軸力變化趨于穩定。見圖4。

圖4 鋼支撐軸力變化曲線

基坑開挖，鋼支撐軸力隨著樁體水平位移增大而逐漸增大，三道鋼支撐中第二道鋼支撐軸力最大，與基坑變形最大值位置一致。現場施工常因第二道鋼支撐架設不及時，導致第一道鋼支撐受力普遍偏大。

3.3 樁體水平位移

車站于2020 年6 月初進行土方開挖，2021 年8 月基坑封頂，施工經歷一個雨季。對基坑樁體水平位移監測孔深、變形最大值、變形最大值位置進行統計。見表3。

表3 樁體水平位移數據統計

分析表3可知：

1）車站26個樁體水平監測點中，有4個測點被破壞，6 個測點樁底不同程度堵塞，測斜管破壞率達15.4%、堵塞率達23.1%、合格率61.5%；

2）樁體水平位移監測點22 個，根據預警機制，基坑發出工作聯系單22 份，發送黃色預警單17 份，100%的監測點變化值超過控制值2/3，77.3%的監測點變化值超過控制值；

3）樁體水平位移變形最小值21.68 mm；最大值74.15 mm，為控制值指標的247%；平均值42.61 mm，為控制值指標的142%；樁體水平位移變形最大值處于9.5～12.0 m，為黏土卵石層與全風化泥巖接觸面。

4 處置措施及建議

4.1 施工處置措施

1）針對膨脹性地層特征，建議采用中間拉槽兩邊預留反壓土的基坑開挖方式?；坶_挖中，應嚴格控制一次性開挖長度，盡量減小對坡腳土體擾動；適當減小開挖長度及深度，加快土方連續施工，控制超挖。

2）土方開挖后立即架設鋼支撐，然后進行噴錨作業，支撐軸力過大時宜架設并撐；鋼支撐加力時應全覆蓋，嚴禁只關注有軸力監測點的鋼支撐，避免鋼支撐體系受力不均勻，導致基坑局部變形或失穩；同時還要加強支撐變形失穩、圍護樁變形過大發生破壞的風險防范措施。

3）對地面裂縫進行灌漿處理，對開挖的暴露面進行封閉，同時做好地面截水及坑內的引、抽、排水，減小水對基坑的影響[7]。

4.2 監測建議

1）測點埋設：測斜管的埋設質量是獲得準確數據的前提，因此在測斜管預埋工作中，一定保證合格率，滿足基坑監測對位置、深度的要求，必要時加密埋設，以提高合格率，避免因測斜管預埋不規范、合格率不高等問題，給后續監測工作留下隱患。

2）數據分析：測斜管深度不足或樁底發生“踢腳”變形時，應通過樁頂水平位移數據進行修正；膨脹性土樁體水平位移變形較大，造成軸力普遍增大，因此在軸力監測中應適當安裝大量程軸力計，避免實測軸力超出量程，造成鋼支撐軸力與樁體水平位移不能同步反映基坑變化情況，給數據分析造成困擾。

3）監測預警：數據預警時應立即啟動應急預案，提高監測頻率，必要時加密測點，加強現場監測數據原因分析、處置情況、突發情況等信息的報送，禁止瞞報、不報、謊報；同時加強對基坑周邊地表是否開裂、基坑側壁噴錨面是否脫落、鋼支撐是否變形等內容的巡視，做好巡視記錄。

4.3 設計建議

1）在現有預警機制下，樁體水平位移監測預警頻繁，但基坑在實際施工過程中未曾出現險情；建議設計單位根據膨脹性巖土的特性確定合理的預警控制值，做到科學預警，減少不必要的“假預警”[8]。

2）針對膨脹性地層樁體變形較大和出現“踢腳”變形的情況，為保證基坑結構安全，建議適當加長樁體入巖深度或增大樁體直徑，降低風險。

3）在鋼支撐軸力控制值和預加軸力值確定時，應充分考慮膨脹性地層的特性，可根據監測數據適當增加預加軸力值，做到主動加力，控制基坑變形。

5 結論

在膨脹巖土地鐵基坑施工過程中，樁體水平位移普遍較大，遠超出30 mm 的控制值，最大值基本位于黏土卵石層與全風化泥巖接觸面位置，與基坑軸力變化最大位置一致。圍護樁嵌入基坑底深度不足時，樁底極易出現“踢腳”變形，樁體水平位移監測應從樁頂起算，結合樁頂水平位移監測數據進行修正。針對膨脹土地質特性，監測單位應加強監測和現場巡視，施工單位要提高對膨脹性巖土基坑不良地質的認識，規范施工工藝和操作流程、加強現場管理，發現隱患及時消除，確?；邮┕ぐ踩?。