軟土基坑變形全過(guò)程控制方法

軟土基坑變形全過(guò)程控制方法引對(duì)基坑變形的發(fā)生、傳遞、最終影響三個(gè)環(huán)節(jié)，提出了對(duì)蠻形進(jìn)行全過(guò)程綜合控制治理的概念，將基坑變形控制分為變形的源頭控制、變形傳遞過(guò)程控制、保護(hù)目標(biāo)變形的個(gè)別控制與治理三個(gè)部分，結(jié)合時(shí)空效應(yīng)施工法和開(kāi)發(fā)的新型工藝，建立了軟土基坑全過(guò)程變形控制方法。1前言

在多年的城市軟土地下工程實(shí)踐中，工程技術(shù)人員和研究人員已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，軟土基坑設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)和實(shí)際施工結(jié)果之間常有巨大差異，保守的設(shè)計(jì)和昂貴的加固措施并不一定能保證基坑周?chē)鷰r土環(huán)境的變形要求。本文結(jié)合多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)基坑變形的發(fā)生、傳遞、最終影響的各個(gè)環(huán)節(jié)，提出了對(duì)變形進(jìn)行全過(guò)程綜合控制治理的理念，將地下工程變形控制分為變形的源頭控制、變形傳遞過(guò)程控制、保護(hù)目標(biāo)變形的個(gè)別控制與治理三個(gè)階段。以深基坑工程為例，在此全過(guò)程控制理念的指導(dǎo)下結(jié)合基坑工程時(shí)空效應(yīng)施工法、微變形調(diào)整手段和遠(yuǎn)程監(jiān)控管理方法，形成一套完整的地下工程微變形控制方法體系，并成功地應(yīng)用于上海的地鐵建設(shè)和其他的市政工程中，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。2基坑變形全過(guò)程控制理論

基坑變形系統(tǒng)是由三個(gè)元素構(gòu)成的：變形來(lái)源、傳播途徑和保護(hù)對(duì)象?；娱_(kāi)挖卸載引起圍護(hù)結(jié)構(gòu)向基坑內(nèi)的變形，圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形引起其后面的土體位移以填充由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形而出現(xiàn)的土體損失，并逐漸向離基坑更遠(yuǎn)處的土體傳遞，在一定時(shí)間內(nèi)傳遞到地面和建筑物處引起地面以及建筑物的沉降?；娱_(kāi)挖引起的巖土環(huán)境問(wèn)題可以用一個(gè)直觀的流程圖來(lái)表示，如圖1所示。圖1基坑變形系統(tǒng)示意圖

這里將基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、土體、坑外重要保護(hù)對(duì)象三者看成是類(lèi)似于傳染源、傳播媒介、傳染對(duì)象的一個(gè)有機(jī)系統(tǒng)?；又?chē)h(huán)境保護(hù)的目的就是控制基坑變形的影響，保護(hù)基坑周?chē)闹匾?gòu)筑物。從這個(gè)系統(tǒng)的傳播機(jī)理可知，切斷其中的任何一個(gè)環(huán)節(jié)都能有效地控制變形的發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)巖土工程環(huán)境保護(hù)的目的?；幼冃稳^(guò)程控制理論就是基于對(duì)這個(gè)變形系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，提出從全方位對(duì)基坑變形進(jìn)行控制，進(jìn)而最終有效地解決基坑變形?；幼冃稳^(guò)程控制方法

根據(jù)基坑變形全過(guò)程控制理論，上海時(shí)空軟土工程研究咨詢(xún)中心開(kāi)發(fā)了多種新型工藝。注漿方法由于其施工簡(jiǎn)單，，工藝成熟，施工參數(shù)易于掌握，能夠在各種條件下進(jìn)行施工，因而在基坑變形保護(hù)中得到廣泛的應(yīng)用，但由于應(yīng)用場(chǎng)合的不同，施工參數(shù)也要相應(yīng)調(diào)整。上海軟土給施工變形控制帶來(lái)了許多困難，但只要掌握和應(yīng)用軟土的一些特殊工程特性，也能因勢(shì)利導(dǎo)地發(fā)揮軟土自身的變形能力，減少投資，完成建設(shè)項(xiàng)目。3．1基坑變形源頭控制方法3．1．1

時(shí)空效應(yīng)施工法

深基坑開(kāi)挖引起圍護(hù)墻體變形以及基坑底部土體回彈變形是基坑周?chē)馏w變形產(chǎn)生的源頭，因此控制基坑圍護(hù)墻變形以及基坑回彈是控制整個(gè)超深基坑工程變形的最關(guān)鍵所在。時(shí)空效應(yīng)原理表明施工在基坑變形的源頭控制中起著至關(guān)重要的作用。

在軟土深基坑的開(kāi)挖中，適當(dāng)減小每步開(kāi)挖土方的空間尺寸、減少每步開(kāi)挖所暴露的基坑擋墻的無(wú)支撐暴露時(shí)間，是運(yùn)用時(shí)空效應(yīng)原理，合理地發(fā)揮土體自身的抵抗變形的潛力從而解決軟土深基坑穩(wěn)定和變形問(wèn)題的基本對(duì)策。在多年工程實(shí)踐中以此為指導(dǎo)思想，逐步形成完善了墓坑工程的時(shí)空效應(yīng)施工法。該工法的主要特點(diǎn)是：根據(jù)基坑工程設(shè)計(jì)斯選定的主要施工參數(shù)，按基坑規(guī)模、幾何尺寸、支撐形式、開(kāi)挖深度和地基加固條件，提出詳細(xì)的可操作的開(kāi)挖與支撐的施工程序及施工參數(shù)。開(kāi)挖與支撐的施工工序基本是按分層、分步、對(duì)稱(chēng)、平衡的原則而制定的，最主要的施工參數(shù)是分層開(kāi)挖的層數(shù)、每層開(kāi)挖深度，以及每層開(kāi)挖中基坑擋墻被動(dòng)區(qū)土體開(kāi)挖后，擋墻未支撐前的暴露時(shí)間和暴露的寬度及高度。在長(zhǎng)條形地鐵車(chē)站深基坑中，基坑開(kāi)挖和支撐的施工技術(shù)要點(diǎn)是：按一定長(zhǎng)度分段開(kāi)挖和澆注結(jié)構(gòu)，在每段開(kāi)挖中再分層、每層分小段地開(kāi)挖和支撐，隨挖隨撐，施加支撐預(yù)應(yīng)力，完成每小段的開(kāi)挖和支撐的施工時(shí)間限制在一定范圍之內(nèi)。

理論與實(shí)踐均表明隨著基坑挖深的增加，基坑周?chē)馏w塑性區(qū)的發(fā)展，基坑變形速率也會(huì)相應(yīng)增加。因此對(duì)于深基坑工程隨著開(kāi)挖深度的增加應(yīng)適當(dāng)減小每步開(kāi)挖土方的空間尺寸、減少每步開(kāi)挖所暴露的基坑擋墻的無(wú)支撐暴露時(shí)間，嚴(yán)格按照時(shí)空效應(yīng)原理組織施工，切忌超挖、長(zhǎng)時(shí)間擱置情況的發(fā)生。3．1．2基坑內(nèi)地基加固

多年的工程實(shí)踐表明基坑內(nèi)地加固比基坑外加固要經(jīng)濟(jì)有效，因此現(xiàn)在基坑加固基本上采用坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)加固的方式對(duì)基坑變形進(jìn)行控制，常用的方法有坑內(nèi)降水、注漿、攪拌樁和旋噴法等(如圖1)。加固方法和加固量是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和變形控制要求確定的，到目前為此還沒(méi)有從設(shè)計(jì)上解決基坑加固的定量設(shè)計(jì)問(wèn)題。根據(jù)上海地鐵車(chē)站十余年的設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，降水和注漿方法多用在二級(jí)環(huán)境保護(hù)要圖2

被動(dòng)加固方法求的基坑中，能夠達(dá)到變形控制要求，而攪拌樁和旋噴法由于相對(duì)昂貴，大多用在一級(jí)保護(hù)的基坑中。3．1．3

被動(dòng)區(qū)壓力注漿

被動(dòng)區(qū)壓力注漿(如圖3)，是指當(dāng)基坑及其周?chē)h(huán)境變形或變形速率達(dá)到或超過(guò)警戒值時(shí)，在基坑被動(dòng)區(qū)距擋墻較近的區(qū)域內(nèi)，實(shí)施一次或多次雙液(水玻璃溶液和水泥漿的混合液)分層注漿，利用注漿時(shí)的擠壓效應(yīng)，控制本層開(kāi)挖支撐結(jié)束到下層開(kāi)挖這段時(shí)間內(nèi)基坑擋墻的流變位移。該方法的關(guān)鍵是注漿對(duì)擋墻的壓力作用。在具體實(shí)施時(shí)要不斷地根據(jù)擋墻的反映調(diào)整注漿方案，不能出現(xiàn)因壓力過(guò)大而導(dǎo)致?lián)鯄植壳蔬^(guò)大破壞。反映在設(shè)計(jì)中就是單位深度的注入量，太大太小都不能達(dá)到預(yù)期效果，最好在施工之前，用較小的注漿量做現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋分析優(yōu)化參數(shù)。注漿孔的位置距離一般在1．5-2．0m之間，上海軟土中注漿壓力—般為0．3-0．5MPa。由于注漿后擋墻發(fā)生位移，要注意注漿后的支撐軸力復(fù)加以保證注漿效果。3．2基坑變形傳遞過(guò)程控制方法圖3

被動(dòng)區(qū)壓力注漿3．2．1

隔斷法

隔斷法就是在已有構(gòu)筑物附近進(jìn)行地下工程施工時(shí)，為避免或減少土體位移與沉降對(duì)構(gòu)筑物的影響，而在構(gòu)筑物與施工面之間設(shè)置隔斷墻體予以保護(hù)的方法。隔斷墻體可以用鋼板樁、地下連續(xù)墻、樹(shù)根樁、深層攪拌樁、注漿加固等構(gòu)成。墻體主要承受施工引起的側(cè)向土壓力和地基差異沉降所產(chǎn)生的負(fù)摩擦力，亦可用以隔斷地下水降落曲線，見(jiàn)圖4。此類(lèi)方法本質(zhì)上是基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的外延和補(bǔ)充，在某些特殊情況下，可以在基坑圍護(hù)墻和隔斷墻之間進(jìn)行點(diǎn)狀注漿，利用注漿壓力和漿液對(duì)土體的加固作用增強(qiáng)隔斷墻屏蔽側(cè)向壓力以及抵抗變形的能力。這種傳統(tǒng)的方法對(duì)于保護(hù)基坑周?chē)慕ㄖ锛夹g(shù)是有效的，但是往往工程造價(jià)大，而且延長(zhǎng)了施工周期。為此上海地鐵總公司與上海時(shí)空軟土工程研究咨詢(xún)中心合作提出了地下墻后循蹤補(bǔ)償注漿法。3．2．2循跡補(bǔ)償注漿

地下墻后循蹤補(bǔ)償注漿就是利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形和建筑物位置處相應(yīng)變形的時(shí)間差，在基坑變形傳遞到建筑物之前將由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形造成的土體損失通過(guò)注漿補(bǔ)充進(jìn)去，從而有效地減小周?chē)貙游灰?，達(dá)到保護(hù)地鐵車(chē)站深基坑近旁建筑物的目的。該方法的關(guān)鍵是填充由于擋墻向基坑內(nèi)位移而產(chǎn)生的地層損失，切斷變形的傳播途徑，因此注漿的時(shí)機(jī)選擇是相當(dāng)關(guān)鍵的。如果注漿太遲則已經(jīng)不能達(dá)到阻止變形傳播的目的，太早則會(huì)加大擋墻的變形而適得其反。一般注漿在支撐架好的幾個(gè)小時(shí)后進(jìn)行。注漿深度的設(shè)計(jì)要根據(jù)支撐的位置確定，應(yīng)當(dāng)在對(duì)應(yīng)支撐的上面和上一道支撐的下面。注漿壓力一般取0．1-0．2mpa，注漿量要根據(jù)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形引起的土體損失確定，并考慮到漿液向周?chē)臐B透和土體壓密造成的體積減少量。3．3

保護(hù)目標(biāo)變形控制方法3．3．1

水平注漿

水平注漿法是為了控制地鐵隧道、建筑物和地下管線等由于臨近深基坑施工影響所產(chǎn)生的沉降變形而采取的一種新的注漿工藝。該方法是將注漿管從側(cè)向打入地鐵隧道等的下部，注入漿液對(duì)隧道等下部的土體形成擠壓，達(dá)到使隧道抬升的目的；同時(shí)漿液凝固可以起到加固地基，減少工后沉降的效果。該方法的目的是通過(guò)注漿使得保護(hù)對(duì)象在基坑施工期間能夠正常工作。這就是要求維持保護(hù)對(duì)象的變形在許可范圍內(nèi)，因此要求在基坑施工期內(nèi)不問(wèn)斷地測(cè)量保護(hù)對(duì)象的變形，一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)就開(kāi)始注漿，注漿施工期間持續(xù)監(jiān)視保護(hù)對(duì)象，達(dá)到要求即可停止注漿。這種方法一般要重復(fù)多次注漿，直到施工完成為止。由于單次注漿使得隧道隆起較大時(shí)，后期會(huì)產(chǎn)生較大的沉降，甚至超過(guò)前期抬升量，所以要圖6

水平注漿

通過(guò)每次注少量漿液，分多次將漿液注入隧道下方，每次隧道變形都比較小，但總的效果是使隧道抬升。其理論依據(jù)在于，控制單點(diǎn)注漿量，將每次注漿限制在擠密擴(kuò)展階段，以使土體產(chǎn)生的超孔隙水壓力不至于造成土體破壞而能托抬隧道，隨后孔隙水壓力消散，隧道下沉較小，保證水平注漿效果。3．3．2糾偏方法

建筑糾偏方法常用的是鉆孔解除應(yīng)力法，就是在建筑物沉降較小一側(cè)通過(guò)鉆孔取土的方法人為誘導(dǎo)該側(cè)沉降量加大。這種方法簡(jiǎn)便快速，調(diào)整量大，但鉆孔只能布設(shè)在房屋周?chē)?，難以對(duì)基礎(chǔ)中部基礎(chǔ)產(chǎn)生顯著影響，故均勻性差，易引起不必要的次應(yīng)力，且由于變形速率大而不易控制。針對(duì)這種情況，結(jié)合上海地層特點(diǎn)，上海時(shí)空軟土工程研究咨詢(xún)中心開(kāi)發(fā)了井點(diǎn)降水糾偏法，并在上海地鐵二號(hào)線石門(mén)路車(chē)站旁的中央公寓保護(hù)中得到了成功應(yīng)用。利用降水引起地層沉降的作用，在已經(jīng)發(fā)生偏斜的建筑物沉降較小的一側(cè)布設(shè)降水孔，誘導(dǎo)該側(cè)土體產(chǎn)生沉降，從而達(dá)到調(diào)節(jié)建筑物整體的不均勻沉降。在石門(mén)路車(chē)站深基坑施工保護(hù)鄰近中央公寓的工程中，這次科研嘗試表明，在低滲透性土層中采用降水糾偏法調(diào)整建筑物差異沉降是可行的，而且在地面荷載較大的情況下，停止抽水后地基土層基本上不發(fā)生回彈。降水所引起土體的沉降與水頭降落值成正比，若水頭的