沿海深厚軟土地區地鐵車站基坑工程勘察技術研究

岳建剛

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北武漢 430063）

1 引言

軟土具有承載力低、含水量高、容易變形、觸變性強等特點[1]。在沿海深厚軟土地區進行地鐵車站基坑開挖時，軟土的上述特點會對基坑支護設計產生較大影響，為地鐵工程建設帶來諸多不利因素。因此，準確查明基坑范圍內軟土的分布特征及物理力學性質，合理評價其工程地質特征，對于保證軟土地基的穩定性、安全性，保障工程順利實施具有重要的意義。

針對軟土地區的工程勘察技術，學者們進行了相應研究，取得了豐碩的研究成果。在軟土綜合勘察方法方面，劉德平等[2]綜合軟土成因、軟土類型、軟土力學特征、地形地貌等多種因素提出適用于軟土地基的勘察方法。王輝等[3]以天津海相軟土為對象進行研究，得出結論：海相軟土具有觸變性及流變性強、承載力低、透水性及土層均勻性差等特征。任洪靖[4]通過綜合勘察手段研究軟土的工程力學性質。在軟土勘察成果分析方面，劉亞軍[5]根據靜力觸探在軟土勘察中的應用，提出了靜力觸探與鉆探相結合的勘察手段，建立靜力觸探曲線與實際土層類別之間的經驗關系。孫德科等[6]分析了魚山海域軟土主要指標之間的相關性，提出軟土的天然含水率與孔隙比、液限、塑限、塑性指數之間具有線性相關性。高林等[7]研究了十字板剪切試驗在軟土勘察工作中的應用，提出了結合十字板剪切強度修正地基承載力的方法。

基于此，本文以某沿海城市深厚軟土地區地鐵車站為例，利用機動鉆探、土工試驗、原位測試“三位一體”的綜合勘察方法，獲取其基坑范圍內軟土的物理力學參數（尤其是對于基坑支護設計影響較大的強度及變形參數），并通過對上述方法獲得的勘察結果進行比較，提出軟土強度及變形參數的合理取值建議，以期為基坑工程設計及施工提供詳實可靠的地質依據。

2 工程概況

本研究涉及的某沿海城市深厚軟土地區地鐵車站的基坑長327 m，寬19.7 m，采用明挖法施工，開挖深度為12.5～16.1 m，位于沖海積平原區，地形起伏不大，周邊多為民房、魚塘等。車站平面位置如圖1所示。

圖1 車站平面位置圖

車站基坑開挖范圍內地層主要為人工填土、淤泥、粉質黏土、淤泥質砂、殘積砂質黏性土、全～中風化花崗巖。地表水較發育，周圍多分布水深為0.5～1.8 m的水塘、魚塘等，車站西側有連接外海的九龍江，其水位會隨潮汐漲落1～3 m。地下水主要為賦存于第四系松散層中的孔隙水，賦存于殘積層及全、散體狀強風化帶中的風化殘積孔隙水，以及賦存于碎裂狀強風化～中風化帶的基巖裂隙水。勘察期間揭示穩定地下水位埋深為0.3～1.3 m，年變幅約1～3 m。

3 巖土工程勘察方法

3.1 機動鉆探

本研究首先根據GB 50021-2001《巖土工程勘察規范》[8]、GB 50307-2012《城市軌道交通巖土工程勘察規范》[9]的相關要求，參考JGJ 83-2011《軟土地區巖土工程勘察規程》[10]，針對基坑開挖范圍布置勘探點，并在勘探點進行機動鉆探勘察。

勘察揭示該區域地層主要由近代人工填土層（QS）、沖洪積層（Q4al+pl）、海積層（Q4m）、海陸交互沉積層（Q4mc）、上更新統沖洪積層（Q3al+pl）及第四系殘積層（Qel）組成。下伏基巖主要為燕山晚期侵入花崗巖（γ52（3）c）。各巖土層厚度及物理特征如表1所示，各巖土層分布如圖2所示。

表1 巖土層厚度及物理特征表

圖2 車站基坑開挖工程地質縱斷面圖（單位：m）

根據鉆探揭示結果，車站基坑開挖范圍內的主要地層為粉質黏土、淤泥、淤泥質砂、粉細砂等，地層起伏較大，均勻性一般。其中，淤泥整體呈灰黑色，含水率高，流塑狀，工程性質極差，厚度約6～14 m，在場地內普遍分布，且淤泥底臨近結構底板，局部位于結構底板之下，對基坑支護及結構施工影響較大，如圖3所示。

圖3 鉆探揭示的淤泥圖片

3.2 土工試驗

勘察人員在勘察過程中根據鉆探揭示的軟土分布情況，按照JGJ/T 87-2012《建筑工程地質勘探與取樣規程》[11]，采用薄壁取土器對基坑開挖范圍內的土層進行取樣，并第一時間將其運送至實驗室進行土工試驗，即軟土常規物理性質、固結、剪切、滲透等試驗，以獲取軟土的物理指標、變形參數、強度參數等，為基坑支護設計提供參考依據。不同深度試樣的土工試驗結果如表 2所示。

由表2可知，基坑開挖范圍內的軟土有如下特點。

（1）含水率高。該區域軟土天然含水率平均值約為70%，最大值接近75%，液限平均值為64.5%。含水率指標隨深度變化不大，淤泥整體表現為流塑狀。

（2）孔隙比大。該區域軟土天然孔隙比平均值為2.03，最大值為2.13，飽和度達95.4%。究其原因在于，軟土在緩流或靜水環境沉積過程中易形成疏松多孔狀的結構，導致土體結構中存在較多孔隙。

（3）壓縮性高。該區域軟土壓縮系數平均值約為1.45 MPa-1，最大值為1.64 MPa-1，壓縮模量平均值為1.94 MPa，最大值為2.16 MPa，是典型的高壓縮性土，具有一定程度的欠壓密性。這種土層在沉積初期可在軟土顆粒間形成一定強度的粒間聯結，但當沉積速率小于粒間聯結力的增長速度時，土體來不及壓密，處于欠固結狀態。當受到外部荷載作用時，土粒間孔隙將會迅速被壓縮，進而引起較大的沉降變形。

（4）抗剪強度低。該區域軟土黏聚力平均值為5.4 kPa，最大值為6.5 kPa，內摩擦角平均值為3.9°，最大值為4.74°，抗剪強度極低。

（5）靈敏度高。該區域軟土靈敏度平均值約為1.9，最大值約為3.4，依據GB 50021-2001可判定為中靈敏度土，具有較強的觸變性。這反映出該區域軟土結構性很強，多為架空的絮凝狀結構[15]，當其受到外力作用時，易產生結構性損壞，導致強度迅速降低。

（6）透水性差。該區域內的淤泥滲透系數約為1.08×10-7cm/s，屬于微透水。由于淤泥的主要成份為黏粒，透水性差，因此其排水固結的難度很大，導致軟土固結時間較一般黏性土更長。

由于基坑開挖范圍內的淤泥層中局部夾砂或少量粉細砂，因此上述土工試驗的指標呈現出不同程度的離散性。但總體而言，該區域內的軟土性質并未隨深度加大而明顯變化，其工程性質均較差。

3.3 原位測試

考慮到基坑開挖范圍內的軟土結構性較強，在勘察取樣及試驗過程中難免對其造成擾動，從而影響其力學指標，因此本研究在勘探查明軟土分布情況的基礎上，開展靜力觸探試驗、旁壓試驗等原位測試，以獲取軟土的變形及強度指標。

3.3.1 靜力觸探試驗

本研究針對基坑開挖范圍內的軟土開展靜力觸探試驗，靜力觸探探頭參數如下：圓錐錐底面積15 cm2，雙橋探頭，錐尖錐角60°，錐側面積300 cm2。試驗結果如圖4所示。

圖4 靜力觸探試驗結果圖

試驗結果顯示，淤泥與上層粉質黏土、下層殘積砂質黏性土有明顯的差異，淤泥層的錐尖阻力約為0.07 ～0.21 MPa，平均值為0.14 MPa，側壁摩阻力小于10 kPa，且變化較穩定，說明淤泥層整體均勻性好、強度低、貫入難度小。

根據《工程地質手冊（第5版）》[12]，可得出淤泥不排水抗剪強度約為8.92 kPa，壓縮模量為1.2 MPa，通過換算可得到淤泥層的承載力約為22.92 kPa。

3.3.2 旁壓試驗

本研究針對基坑開挖范圍內的軟土開展旁壓試驗。試驗采用PM-2型預鉆式旁壓儀，標稱壓力可達5.5 MPa。試驗結果如圖5所示。

圖5 旁壓試驗結果圖

根據旁壓試驗結果可知，淤泥的旁壓模量為1.2～1.3 MPa，壓縮模量為1.5～1.6 MPa，變形模量為2.1 ～2.2 MPa，水平基床系數為0.12～0.13 MPa/m。

3.3.3 原位測試與土工試驗結果對比分析

對比靜力觸探、旁壓試驗等原位測試與土工試驗結果可知，此2類試驗的結果存在差異：原位測試得到的淤泥壓縮模量為1.2～1.6 MPa，平均值為1.4 MPa，土工試驗得到的壓縮模量平均值為1.94 MPa，原位測試結果較土工試驗結果減小27.8%；原位測試得到的淤泥不排水抗剪強度為8.92 kPa，土工試驗得到的無側限抗壓強度為19.95 kPa，換算得到不排水剪切強度為9.97 kPa，原位測試結果較土工試驗結果減小了15.06%。究其原因，可能是土工試驗的土樣在運送過程中因風干等因素丟失了部分水分，導致試驗結果數據偏高。因此，為確保基坑圍護體系的安全及穩定，建議對土工試驗得到的軟土強度指標及變形指標按照20%的比例進行折減。

4 勘察方法有效性驗證

在勘察階段，本研究提出“三位一體”的綜合勘察方法，即利用機動鉆探查明地層分布特征，通過土工試驗查明軟土的物理力學參數，結合原位測試提出對土工試驗結果進行適當折減的建議。施工階段開挖揭示出的軟土特征為流塑狀、含水率高、承載力低、工程性質極差，如圖6所示，與勘察階段所揭示的特征一致，說明本研究提出勘察方法的有效性和可行性。

圖6 鉆探揭示的淤泥圖片

5 相關施工建議

（1）本工程基坑開挖范圍內的軟土多處于欠固結狀態，承載力低、壓縮性高，施工過程中，在車輛荷載的作用下，土體易發生固結沉降，引起周邊建筑物基礎及結構開裂。應根據荷載分布特征對軟土地基進行處理，確保施工設備行車安全，并同時加強對既有建筑物的變形監測。

（2）由于軟土力學性質差、強度指標低、主動土壓力大、被動土壓力小，因此基坑開挖過程中圍護結構外側的土體易產生較大的側向土壓力。應加強對基坑圍護結構的設計，建議采用地下連續墻+內支撐體系，施工階段做好基坑支撐軸力及位移監測，若發生變形或軸力超限等情況，應迅速采取處理措施。

（3）基坑底部分布有軟土，易造成隆起破壞，應加強基坑的抗隆起穩定性驗算，同時對基底軟土進行處理，增加圍護結構被動土壓力，確保圍護體系的整體穩定。

（4）軟土在地下連續墻成槽或鉆孔樁成孔過程中易產生縮孔等問題。因此，在施工過程中，可在地下連續墻兩側進行槽壁加固，改善其成槽條件。

6 結語

本文以某沿海城市深厚軟土地區地鐵車站為例，利用機動鉆探、土工試驗、原位測試“三位一體”的綜合勘察方法，獲取其基坑范圍內軟土的物理力學參數（尤其是對于基坑支護設計影響較大的強度及變形參數），并通過對上述方法獲得的勘察結果進行比較，提出軟土強度及變形參數的合理取值建議，以期為基坑工程設計及施工提供詳實可靠的地質依據。