杭州软弱地层深基坑变形控制技术研究

许原骑，曹犇，曹杰

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014）

0 前言

随着杭州城市的发展，地下空间开发力度逐年增大，特别是2016年G20峰会、2022年亚运会等重量级国际活动的承办，使杭州的地下空间开发空前加快。杭州地下空间位置多处于城市繁华区域，深基坑工程的实施带来了复杂的环境保护问题，尤其严重的是深基坑遇到深厚软弱地层时，环境保护问题尤为困难。

本文结合G20峰会某隧道深基坑工程大变形为例，探索条形深基坑软弱地层条件下控制基坑变形的关键技术研究，总结此类环境条件特别复杂苛刻、工程实施极为困难地段条件下深基坑工程的针对性措施和建议，以期对同类工程提供借鉴。在杭州大力开展地下空间时期，具有借鉴意义。

1 工程概况

1.1 工程简介

本隧道位于紫金港路，南起紫之隧道入口，北至紫金港路立交，隧道西侧为西溪湿地国家公园，东侧现状为绿地。本工程采用明挖法施工，隧道全长2.1km，基坑挖深约0～13.5m，基坑影响范围内无控制性建构筑物。根据行标《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）和浙江省标准《建筑地基基础设计规范》（DB33/1001-2003），本基坑安全等级一级。

图1 本隧道工程开挖期间基坑鸟瞰图

针对本工程环境条件和环境保护的特点，进行针对性的设计，首先需对原路基地基处理搅拌桩进行清障处理；其次，根据基坑深度和保护等级，在不同的地段分别采用了SMW工法桩、600mm厚地连墙、800mm厚地连墙等多种围护结构型式。

1.2 工程地质条件

本工程明挖隧道基坑开挖范围内涉及的土层为填土、淤泥质粉质黏土。其中淤泥质土性质差，具高压缩性、易蠕变等特点，自稳性差。场地范围从上而下主要岩土层如下。

①1杂填土：褐灰色～灰杂色，略压密，其成份较杂，混有建筑垃圾和生活垃圾，性质和分布差异较大，土质均匀性很差。

①2素填土：松散，成分以粉土或粉质黏土为主，夹砂砾和碎石，局部混少量砖瓦碎屑、植物根系，土质不均匀，性质较差。

③淤泥质黏土：流塑，饱和，厚层状构造，含少量有机质和腐植物，易污手，土体较稀软。无摇振反应，土面光滑，韧性高，干强度高。性质差，高压缩性。

④1淤泥质粉质黏土：流塑，饱和，薄层状构造为主，夹有少量贝壳碎屑和腐植物，无摇振反应，土面较光滑，韧性中等，干强度中等。该层性质差，高压缩性。

④2淤泥质黏土：流塑，饱和，鳞片状～厚层状构造，含较多贝壳碎片和腐植物，局部夹少量粉土条带和团块，无摇振反应，土面光滑，韧性高，干强度高。该层性质差，高压缩性。

⑥1含砂粉质黏土：可塑，厚层状构造，含较多粉砂和少量腐植物，有粉砂夹层分布，局部砂含量较少，为粉质黏土或黏土，土质不均匀，无摇振反应，土面较光滑。性质较好，中压缩性。

⑥2含砾砂层：中密，厚层状构造，砾石含量5～30%不等，粒径一般为2～5mm，该层沿线颗粒大小不一，分布有含砾中砂、粉砂、含黏性土粉砂等。性质较好，中偏低压缩性。

2 基坑工程大变形规律及原因分析

2.1 基坑工程大变形规律

本工程在实施中出现了以下几个现象。

①基坑围护结构变形普遍较大，基本上在100mm以上，最大达到了160mm；②围护结构变形最大点处于开挖面以下2～3m位置；③地面沉降最大达200mm；④支撑轴力相对较小，第一道支撑轴力约1981kN，钢支撑轴力一般位于1000kN左右，最大2001kN左右。

下面为基坑现场典型断面监测数据图表。

图2 基坑现场监测深层土体侧向位移示意图

图3 基坑现场监测地表沉降时程曲线图

2.2 初步原因分析

基坑开挖的整个过程实际上是指基坑开挖面和支护墙面水平方向的土体的一个卸载过程。鉴于土体具有流变的这种特性，所以在该土体卸载的过程中，基坑底部的土体会发生局部隆起，同时也会造成坑内及坑外的土体作用于围护结构上的土压力的不平衡，这些变化会使的土体产生水平方向侧移，而后达到新的平衡条件。这些作用力还会使得坑内侧土体作用于围护结构上的土压力倾向于被动土压力，而墙外侧土体作用于围护结构上的土压力则倾向于主动土压力。由于墙体发生侧移的不均匀性，所以土压力通常并不是线性分布的。墙体发生侧移使得坑外的土层发生移动，应力重分布，并且还产生附加应力，形成塑性区，变形的效果也会逐步传到地面并且会造成地表沉降。

图4 基坑现场监测围护侧向位移、地表沉降与基坑空间关系示意图

通过上一节基坑现场监测图表可以看出，土体侧向位移与地面沉降基本匹配，均接近200mm，应该说监测基本反映了软土基坑的变形规律。围护地连墙的侧向位移，引起土体侧向位移，进而引起地面沉降。

2.3 关键因素分析研究

通过上一节的研究可知，深基坑变形主要分为：围护结构位移、基坑底部土体隆起以及基坑周围土层移动。同时，这三种主要变形方式相互影响，相互限制。

下面根据基坑开挖变形的这一特点，分析围护结构深度、刚度、地基加固等因素对围护结构深层水平位移和坑底隆起位移的影响。

2.3.1 围护结构深度对基坑变形的影响分析

通过改变围护结构地连墙的长度，尝试寻找围护结构大变形和支撑轴力小的原因。在此假设设计的坑内加固满足了既定100%的加固效果，通过改变地连墙的嵌入深度，分别采用20.5m、21.5m、22.5m、23.5m地连墙进行模拟，分析结果如图5所示。

由以上图表可以看出，在桩体嵌入深度由20.5m增加到23.5m的过程中，深层水平位移的变化并不是十分明显。尤其是之后增加的2m，对深层水平位移的影响可以忽略不计。说明当不满足稳定性要求时，深层水平位移随着桩体嵌入深度的增加显著减小。但是当桩体嵌入深度满足稳定性要求时，此时再增加桩体嵌入深度对深层水平位移的影响微乎其微，并不能有效的控制深层水平位移。

图5 围护结构嵌入深度对变形影响分析图

2.3.2 围护墙刚度对基坑变形影响分析

通过改变围护结构地连墙的刚度，尝试寻找围护结构大变形和支撑轴力小的原因。在此假设设计的坑内加固满足了既定100%的加固效果，通过改变地连墙的厚度模拟地连墙刚度的改变，分别采用600mm、800mm、1000mm厚地连墙进行模拟，分析结果如下。

图6 围护刚度对基坑内力及变形影响分析图

通过分析可知，在地基加固满足设计强度的前提下，同样基坑条件下，600mm、800mm、1000mm地连墙最大侧向位移分别为34.9mm、29.0mm、25.8mm，而相应最大钢支撑轴力3168kN、3399 kN、3677 kN。可以看出，随着围护结构刚度的增加，围护结构的侧向变形逐渐减小，而相应的支撑轴力逐渐增大，都处于一个相对合理的范围内。但3个地连墙厚度验算中，无论哪个侧向位移都远远小于基坑现场监测侧向变形接近200mm的变形值，无论哪个支撑轴力都远大于现场监测1000 kN左右的支撑轴力值。2.3.3地基加固对基坑变形的影响分析

通过改变地基加固效果，尝试寻找围护结构大变形和支撑轴力小的原因。在此采用本基坑最弱围护600mm厚地连墙，通过改变地基加固效果，分别采用30%、50%、70%、100%加固效果进行模拟，分析结果如图7。

通过分析可知，在600mm地连墙前提下，同样基坑条件下，30%、50%、70%、100%加固效果时，地连墙最大侧向位移分别为 50.1mm、44.2mm、39.8mm、34.9mm，而相应最大钢支撑轴力3828kN、3556 kN、3366 kN、3168 kN。可以看出，随着地基加固效果的增加，围护结构的侧向变形逐渐减小，相应的支撑轴力亦逐渐减小，都处于一个相对合理的范围内，显示出地基加固是起积极作用的。但4个加固效果验算中，无论哪个侧向位移都远远小于基坑现场监测侧向变形接近200mm的变形值，无论哪个支撑轴力都远大于现场监测1000 kN左右的支撑轴力值。

3 结论及建议

图7 地基加固效果对基坑内力及变形影响分析图

本文对杭州某软弱地层深基坑的实际工程，从设计、施工现场、监测数据等多方面入手，结合三维数值模拟分析，论述了控制软弱地层深基坑变形的控制性因素，总结和建议如下。

①深基坑采取一定的地基加固措施是必要的。可提高被动区土体的强度，提高了土体的抗隆起能力，还可以减小土体的渗透系数，防止基坑外侧土体的水向坑内渗透，对减少支护的变形和地表沉降是很有效的。

②桩体嵌入深度、围护结构刚度对基坑开挖变形的影响均有一定的影响范围，当桩体嵌入深度以及围护结构刚度达到控制变形的要求时，盲目的增加桩体嵌入深度以及围护结构刚度，不仅不能有效地控制基坑开挖变形，还会造成资源浪费，增加成本。