軟土基坑變形全過程控制方法

軟土基坑變形全過程控制方法引對基坑變形的發(fā)生、傳遞、最終影響三個環(huán)節(jié)，提出了對蠻形進行全過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、變形傳遞過程控制、保護目標變形的個別控制與治理三個部分，結(jié)合時空效應(yīng)施工法和開發(fā)的新型工藝，建立了軟土基坑全過程變形控制方法。1前言

在多年的城市軟土地下工程實踐中，工程技術(shù)人員和研究人員已經(jīng)認識到，軟土基坑設(shè)計預(yù)測和實際施工結(jié)果之間常有巨大差異，保守的設(shè)計和昂貴的加固措施并不一定能保證基坑周圍巖土環(huán)境的變形要求。本文結(jié)合多年的工程實踐經(jīng)驗，針對基坑變形的發(fā)生、傳遞、最終影響的各個環(huán)節(jié)，提出了對變形進行全過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、變形傳遞過程控制、保護目標變形的個別控制與治理三個階段。以深基坑工程為例，在此全過程控制理念的指導下結(jié)合基坑工程時空效應(yīng)施工法、微變形調(diào)整手段和遠程監(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)濟和社會效益。2基坑變形全過程控制理論

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

這里將基坑支護結(jié)構(gòu)、土體、坑外重要保護對象三者看成是類似于傳染源、傳播媒介、傳染對象的一個有機系統(tǒng)?；又車h(huán)境保護的目的就是控制基坑變形的影響，保護基坑周圍的重要建構(gòu)筑物。從這個系統(tǒng)的傳播機理可知，切斷其中的任何一個環(huán)節(jié)都能有效地控制變形的發(fā)展，從而實現(xiàn)巖土工程環(huán)境保護的目的?；幼冃稳^程控制理論就是基于對這個變形系統(tǒng)的認識，提出從全方位對基坑變形進行控制，進而最終有效地解決基坑變形?；幼冃稳^程控制方法

根據(jù)基坑變形全過程控制理論，上海時空軟土工程研究咨詢中心開發(fā)了多種新型工藝。注漿方法由于其施工簡單，，工藝成熟，施工參數(shù)易于掌握，能夠在各種條件下進行施工，因而在基坑變形保護中得到廣泛的應(yīng)用，但由于應(yīng)用場合的不同，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，也能因勢利導地發(fā)揮軟土自身的變形能力，減少投資，完成建設(shè)項目。3．1基坑變形源頭控制方法3．1．1

時空效應(yīng)施工法

深基坑開挖引起圍護墻體變形以及基坑底部土體回彈變形是基坑周圍土體變形產(chǎn)生的源頭，因此控制基坑圍護墻變形以及基坑回彈是控制整個超深基坑工程變形的最關(guān)鍵所在。時空效應(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。

在軟土深基坑的開挖中，適當減小每步開挖土方的空間尺寸、減少每步開挖所暴露的基坑擋墻的無支撐暴露時間，是運用時空效應(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)定和變形問題的基本對策。在多年工程實踐中以此為指導思想，逐步形成完善了墓坑工程的時空效應(yīng)施工法。該工法的主要特點是：根據(jù)基坑工程設(shè)計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、開挖深度和地基加固條件，提出詳細的可操作的開挖與支撐的施工程序及施工參數(shù)。開挖與支撐的施工工序基本是按分層、分步、對稱、平衡的原則而制定的，最主要的施工參數(shù)是分層開挖的層數(shù)、每層開挖深度，以及每層開挖中基坑擋墻被動區(qū)土體開挖后，擋墻未支撐前的暴露時間和暴露的寬度及高度。在長條形地鐵車站深基坑中，基坑開挖和支撐的施工技術(shù)要點是：按一定長度分段開挖和澆注結(jié)構(gòu)，在每段開挖中再分層、每層分小段地開挖和支撐，隨挖隨撐，施加支撐預(yù)應(yīng)力，完成每小段的開挖和支撐的施工時間限制在一定范圍之內(nèi)。

理論與實踐均表明隨著基坑挖深的增加，基坑周圍土體塑性區(qū)的發(fā)展，基坑變形速率也會相應(yīng)增加。因此對于深基坑工程隨著開挖深度的增加應(yīng)適當減小每步開挖土方的空間尺寸、減少每步開挖所暴露的基坑擋墻的無支撐暴露時間，嚴格按照時空效應(yīng)原理組織施工，切忌超挖、長時間擱置情況的發(fā)生。3．1．2基坑內(nèi)地基加固

多年的工程實踐表明基坑內(nèi)地加固比基坑外加固要經(jīng)濟有效，因此現(xiàn)在基坑加固基本上采用坑內(nèi)被動區(qū)加固的方式對基坑變形進行控制，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)驗和變形控制要求確定的，到目前為此還沒有從設(shè)計上解決基坑加固的定量設(shè)計問題。根據(jù)上海地鐵車站十余年的設(shè)計施工經(jīng)驗，降水和注漿方法多用在二級環(huán)境保護要圖2

被動加固方法求的基坑中，能夠達到變形控制要求，而攪拌樁和旋噴法由于相對昂貴，大多用在一級保護的基坑中。3．1．3

被動區(qū)壓力注漿

被動區(qū)壓力注漿(如圖3)，是指當基坑及其周圍環(huán)境變形或變形速率達到或超過警戒值時，在基坑被動區(qū)距擋墻較近的區(qū)域內(nèi)，實施一次或多次雙液(水玻璃溶液和水泥漿的混合液)分層注漿，利用注漿時的擠壓效應(yīng)，控制本層開挖支撐結(jié)束到下層開挖這段時間內(nèi)基坑擋墻的流變位移。該方法的關(guān)鍵是注漿對擋墻的壓力作用。在具體實施時要不斷地根據(jù)擋墻的反映調(diào)整注漿方案，不能出現(xiàn)因壓力過大而導致?lián)鯄植壳蔬^大破壞。反映在設(shè)計中就是單位深度的注入量，太大太小都不能達到預(yù)期效果，最好在施工之前，用較小的注漿量做現(xiàn)場試驗，通過監(jiān)測數(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基坑變形傳遞過程控制方法圖3

被動區(qū)壓力注漿3．2．1

隔斷法

隔斷法就是在已有構(gòu)筑物附近進行地下工程施工時，為避免或減少土體位移與沉降對構(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的方法。隔斷墻體可以用鋼板樁、地下連續(xù)墻、樹根樁、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)生的負摩擦力，亦可用以隔斷地下水降落曲線，見圖4。此類方法本質(zhì)上是基坑圍護結(jié)構(gòu)的外延和補充，在某些特殊情況下，可以在基坑圍護墻和隔斷墻之間進行點狀注漿，利用注漿壓力和漿液對土體的加固作用增強隔斷墻屏蔽側(cè)向壓力以及抵抗變形的能力。這種傳統(tǒng)的方法對于保護基坑周圍的建筑物技術(shù)是有效的，但是往往工程造價大，而且延長了施工周期。為此上海地鐵總公司與上海時空軟土工程研究咨詢中心合作提出了地下墻后循蹤補償注漿法。3．2．2循跡補償注漿

地下墻后循蹤補償注漿就是利用圍護結(jié)構(gòu)變形和建筑物位置處相應(yīng)變形的時間差，在基坑變形傳遞到建筑物之前將由于圍護結(jié)構(gòu)的變形造成的土體損失通過注漿補充進去，從而有效地減小周圍地層位移，達到保護地鐵車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，因此注漿的時機選擇是相當關(guān)鍵的。如果注漿太遲則已經(jīng)不能達到阻止變形傳播的目的，太早則會加大擋墻的變形而適得其反。一般注漿在支撐架好的幾個小時后進行。注漿深度的設(shè)計要根據(jù)支撐的位置確定，應(yīng)當在對應(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)基坑圍護結(jié)構(gòu)變形引起的土體損失確定，并考慮到漿液向周圍的滲透和土體壓密造成的體積減少量。3．3

保護目標變形控制方法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，注入漿液對隧道等下部的土體形成擠壓，達到使隧道抬升的目的；同時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注漿使得保護對象在基坑施工期間能夠正常工作。這就是要求維持保護對象的變形在許可范圍內(nèi)，因此要求在基坑施工期內(nèi)不問斷地測量保護對象的變形，一旦出現(xiàn)危險就開始注漿，注漿施工期間持續(xù)監(jiān)視保護對象，達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，后期會產(chǎn)生較大的沉降，甚至超過前期抬升量，所以要圖6

水平注漿

通過每次注少量漿液，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，控制單點注漿量，將每次注漿限制在擠密擴展階段，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)通過鉆孔取土的方法人為誘導該側(cè)沉降量加大。這種方法簡便快速，調(diào)整量大，但鉆孔只能布設(shè)在房屋周圍，難以對基礎(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。針對這種情況，結(jié)合上海地層特點，上海時空軟土工程研究咨詢中心開發(fā)了井點降水糾偏法，并在上海地鐵二號線石門路車站旁的中央公寓保護中得到了成功應(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，誘導該側(cè)土體產(chǎn)生沉降，從而達到調(diào)節(jié)建筑物整體的不均勻沉降。在石門路車站深基坑施工保護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