软土深基坑支护结构失稳分析及工程处理措施探讨

  深基坑工程是当今土木工程中最为复杂的技术领域之一,根据有关数据统计,基坑工程事故的发生率占基坑总数的25%以上。本文根据南京地铁西延线某区间明挖基坑工程局部支护结构失稳的实际情况,依据监测的数据,从有关设计、施工情况及周边环境的影响进行系统的分析并总结优化相应的处理措施。
  关键词深基坑;支护结构;软土;失稳;监测;措施
  中图分类号TV651.3 文献标志码A
  近年来在我国随着高层建筑以及城市地下铁道工程发展迅速,深基坑工程应用的越来越多。深基坑支护技术涉及工程地质、水文、场地环境、支护设计方案、计算参数以及施工操作等许多方面,其中好些问题还尚在探讨之中,许多设计计算方法也仅建立在经验或半经验之上,使深基坑工程设计与施工处于不定状态,从而导致由于工程失误造成深基坑支护结构失效事故频频发生,损失严重。根据基坑工程事故统计分析,基坑工程事故发生竟占基坑总数的1/4以上,而这些事故中大部分表现为支护结构位移过大、破坏。基坑支护工程包括挡土、支护、防火、降水、挖土等许多紧密联系的环节,如其中某一环节失效,将会导致整个工程的失败。本文根据南京地铁西延线某深基坑工程局部支护结构失稳实际情况,从各方面对软土深基坑工程进行原因分析。
  1工程概况
  南京地铁西延线某区间隧道明挖工程位于南京市城西新区,采用明挖顺作法施工。开挖深度约为8.7-12m,基坑宽度为12.1-13.1m。,由于基坑周围无重建筑物设计按三级基坑设计。基坑采用带内支撑的钻孔灌注桩与搅拌桩组合的支护型式,钻孔灌注桩布置为φ800@1050,桩长18m。支撑采用φ609、t=12@4000,共设2-3层,主体结构与支护为离壁式,间距1m,支护结构见图1所示。
  基坑降水设计为在基坑内真空管井降水,基底加固采用16%水泥掺量的深层搅拌桩,加固型式前期部分地段为条状加固,抽条3m宽8m厚,间隔3m,后期为节约工程造价改为满铺点状加固,置换率为33%,深度5m。
  整个基坑处于淤泥质粉质粘土层上,淤泥质粉质土埋深大于26m,地表未破坏之前为农田、鱼塘、藕塘等,施工钻孔桩之前经清淤换填土找平。场地土基本物理性质指标见表1所示。
   表1 场地土的物理性质指标
  层号 土层名称 层厚(m) 重度γ(KN/m2) C
  (KPa) φ
  (O) 含水量
  w(%) 孔隙比e
  ①-2b2-3 素填土 0.70 19.0 (15) (15)
  ②-1b2-3 粉质粘土 0.90 18.8 (20) (15) 34.0 0.949
  ②-2b4 淤泥质粉质粘土 28.40 17.8 11.5 21.2 39.4 1.131
  ②-3c3 粉土 0.9 18.3 10.6 27.5 31.8 0.946
  ②-5d2-3 粉砂 0.7 18.4 9.77 31.2 28.9 0.914
  2支护结构失稳表现及原因分析
  2.1失稳的主表现
  整个区间有数段失稳,失稳时间发生在开挖最底层3m厚土体到结构底完成之前的时间内,主破坏表现形式一般先是桩顶缓慢沉降,桩顶向外移,支护结构发生踢脚现象,然后是基底隆起,支护结构倾斜,严重时在几十分钟内桩顶急剧沉降。表2给出了本明挖区间失稳的部分统计资料。
  表2本工程明挖区间失稳统计资料
  序号 里程 失稳前情况 变形情况
  1 XK0+980 基坑深8.8m,桩长15.3m,两层支撑,点状加固,原地表为鱼塘 冠梁沉降40cm,桩顶位移-10cm,基底处桩位移160cm,基底降起160cm,
  2 XK1+100 基坑深9.5m,桩长16.2m,两层支撑,点状加固,原地表为深沟 冠梁沉降40cm,桩顶位移20cm,基底处桩位移50cm,基底降起50cm,
  3 XK1+630 基坑深10.3m,桩长17.5m,三层支撑,点状加固,原地表为深沟 冠梁沉降20cm,桩顶位移10cm,基底处桩位移20cm,基底降起20cm,
  4 XK1+780 基坑深10.5m,桩长17.9m,三层支撑,点状加固,原地表为藉塘, 冠梁沉降30cm,桩顶位移8cm,基底处桩位移16cm,基底降起30cm,
  5 XK1+820 基坑深10.6m,桩长18m,点状加固,三层支撑,原地表为藉塘 冠梁沉降25cm,桩顶位移10cm,基底处桩位移18cm,基底降起36cm,
  6 XK1+900 基坑深11.1m,桩长18.9m,三层支撑,点状加固,原地表为鱼塘 冠梁沉降35cm,桩顶位移10cm,基底处桩位移120cm,基底降起180cm,
  2.2原因分析
  根据地质勘察报告、现场施工体会和专家论证会上的讨论,认为地质条件较差及暴雨是支护结构失稳的主原因,但业主、施工及设计方勘探方等由于各种因素在一定程度上也造成了影响。
  2.2.1 地质条件及自然影响因素
  从上表统计可知,失稳处一般均为鱼塘、藉塘、深沟等地质条件很差,淤泥及淤泥质土埋深厚的地段;支护结构失稳的时间多数处于暴雨期间,尤其是南京地区七、八月份雨季,连续十几天的强降雨导致地下水位的升高,基坑附近水塘水位上涨后实际标高超过支护结构冠梁顶标高。
  2.2.2 设计安全储备不足
  支护结构设计上没有完全考虑周边环境及自然因素的影响,安全储备不足。
  (1)连续的强降雨使基坑的降、排水系统无法及疏排,地下水位上升,土体受浸泡时间长,强度降低,导致支护结构受力大大增加,发生踢脚现象。求基坑降水保持水位在基底以下3m,并且假定土体能达到软-可塑状,人为地把基底以下土体强度提高30%,但实际施工中是很难达到设计求。
  (2)从表2统计可知,失稳地段基底均为点状加固,基坑坐落在淤泥质粉质粘土层上,土体固结能力差,基底加固为满铺点状分布,加固深度为基底以下5m。基坑失稳后,搅拌桩伴随着基底隆起超过2m,围护桩下部向里收,上部向外扩,证明加固后的被动土区强度不能满足求,事实表明抽条加固改为点状加固对基坑影响很大。
  (3)支护结构中钢支撑体系安全系数不足。实际施工中钢支撑体系强度已超过设计值,钢腰梁由三根I40a的工字钢组成,支撑间距不超过3m。根据监测数据,在事故发生前,支撑收敛值都符合设计规范求,但坑外土压力增加后,钢围囹及钢支撑活络接头均破坏严重。
  (4)支护结构型式为钻孔灌注桩与搅拌桩相咬合。施工顺序是先施工搅拌桩,后施工钻孔灌注桩, 首先是深搅桩与周围淤泥土形成强度不均的地层,影响了钻孔桩的成桩垂直度;其次是钻孔灌注桩的施工对搅拌桩的损坏严重,从而使搅拌桩止水效果大大减弱。
  2.2.3 施工中存在的问题
  (1)土方开挖施工中分段过长,垫层施工不及时,从而导致基底土层受到水浸泡,强度减弱。
  (2) 由于钻孔桩垂直度及表面平整度不太好,安装钢围囹时,钻孔桩与围囹密贴不好,从而造成钢围囹受力不匀,部分地方应力过于集中。
  3处理措施
  3.1现场应急处理措施
  深基坑支护结构失稳后,先采取应急措施控制事故的发展,在分析了事故的原因后再实施补救方案。
  (1) 对于变形比较小,变形速度比较慢的地方,采取增加钢支撑(间距由4m变为2m),加固钢围囹(在工字钢或H型钢腹腔内加密肋板),渐缓开挖,稳定变形等措施。
  (2) 对于变形比较大,变形速度比较急剧的地方,采取基坑外削坡减载,基坑内回填土方加载等应急处理措施防止基坑完成倾覆。
  3.2后期恢复处理措施
  3.2.1变形较小地段处理措施
  对于变形比较小的地方及变形较大,但支护结构未侵入主体的失稳,采取了如下措施
  (1)支护结构平衡稳定后,坑内增加降水井,加强降水,增加坑内土体被动土压力;同时,坑外增加降水井,加强降水,减小坑外土体侧压力;
  (2)分段开挖长度从8m减小到4m,垫层厚由15cm增加到40cm,垫层砼添加速凝剂;使垫层起到一部分砼底撑的作用;同时,底板浇筑长度由24m一段减小到8m一段,以避免长距离无封闭的底板砼支撑;
  (3)适当调整最底层钢支撑的距离,使底层钢支撑往下移1m,以减少踢脚机会。
  (4)加强施工监测,加密监测点,加大监测频率,及时反馈信息。
  3.2.1变形较大地段处理措施
  对于由于变形导致支护桩小部分侵入主体,如XK1 900里程处,先跳过此段施工,等此处两端底板全部完成后再进行处理。等挖所有该段基坑土方后,再根据测量结果,凿除部分侵入主体结构的桩体,采取壁式的施工方法完成该段主体。
  对于由于变形支护完全侵入主体,如XK0 980里程处,先跳过此段不施工,等此处两端底板全部完成后再进行处理。处理措施是先在基坑两侧15m范围内加强降水,降水达20天以后,在基坑两对称分层开挖土体,逐层拆除部分未掉落的钢支撑,最后完全凿除两侧钻孔桩,采取放坡开挖的方式施工。
  4 结 论
  基坑支护工程造价较高,但又是临时工程,一般不愿投入较多资金。因此,在软土、高水位等复杂场地条件下进行基坑支护工程,必须严格控制开挖支护全过程,包括勘察、设计、施工和监测等整个系列。
  
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