珠海软土地区基坑工程的重大风险与对策

许 锴

（珠海市建设工程质量监测站 珠海519015）

0 引言

随着粤港澳大湾区建设的正式启动，珠三角地区的城市化进程将加速，交通堵塞、停车难等一系列公共问题使得开发利用城市地下空间成为必然选择。地铁工程、地下街、地下停车场等不同功能的地下建筑将不断兴建，地下空间开发的规模和难度也将日益加大，加上珠三角特殊的地层分布和工程特性，致使该地区的基坑工程设计与施工将面临很大的挑战［1］。

珠海是粤港澳大湾区的重要城市之一，位于我国广东省中部沿海、珠江三角洲南部前缘。区域内广泛分布海洋相沉积软粘土，为我国工程建设中遇到的最软的软土之一。该软土具有厚度大、含水率高、压缩性强、强度低、渗透性小、黏粒含量高等特点。珠海地区近年来的基坑工程建设过程中，由于未充分估计土体的特点发生了多起深基坑滑移、坍塌，或项目交叉作业相互影响并导致破坏的事故［2］。这些工程事故造成的损失令项目建设者刻骨铭心，也给科技工作者带来了教训和反思。本文首先统计分析了珠海地区软土的主要工程特性，在此基础上，通过几个基坑工程事故的分析，梳理了珠海地区基坑工程面临的主要风险，并提出了相应的对策，可为珠海软土地区同类别的工程设计与施工提供借鉴与参考。

1 珠海地区软土的工程特性

工程建设领域一直把软土工程特性的把握作为工程面临的一大难点［3，4］。珠海市建设工程质量监测站统计了珠海地区75 个工程项目，共1 397 个软土样本的试验资料，得到了珠海地区软土的主要物理力学特性统计指标，如表1 所示。通过对统计资料的总结以及与其他地区软土特性的比较（见图1）［5，6］，可将珠海地区软土的工程特性总结为以下几点：

1.1 软土分布范围广，厚度大

按照成因分类，珠海软土可分为三类：滨海相软土、三角洲相软土和内陆相软土。近代海退浅海堆积所形成的滨海相软土在珠海地区分布范围广，厚度大，是珠海地区工程建设领域需要重点关注的对象［7］，而且由图1可知，珠海地区软土层的平均厚度也远大于国内其他地区。珠海地区软土广泛分布在5个区域，各区域的软土分布及其厚度如图2所示，一般情况下，珠海软土厚度处于6～50 m 范围不等，目前发现的最大厚度已达到67.4 m。除香洲区近海岸一带层位分布不稳定以外，其它地区层位均保持稳定［8］。

表1 珠海地区软土主要物理力学性质指标[2]Tab.1 Main Physical and Mechanical Properties of Soft Soil in Zhuhai Area

图1 珠海地区软土的主要工程力学参数与其他地区对比Fig.1 Comparison of Main Engineering Mechanical Parameters of Soft Soil in Zhuhai Area with Those in Other Areas

图2 珠海地区各区域软土分布及其厚度Fig.2 Distribution and Thickness of Soft Soil in Zhuhai Area

1.2 孔隙比高，压缩性大

珠海地区软土孔隙比高，平均值为2.32，分布范围为1.12～4.19；软土压缩系数平均值为2.59，分布范围为1.56～4.68，属于高压缩性土。由图1可知，珠海地区软土的孔隙比及压缩系数均明显大于武汉、天津和杭州地区。

1.3 天然含水率高，天然密度低

珠海地区软土平均天然含水率高达61.58%，明显高于其他地区，且分布区间范围大，最小值为43.5%，最大值为132%。此外，珠海软土的天然密度平均值为1.62 g/cm3，略小于武汉、天津、杭州等地。

1.4 结构性、欠固结特性突出

珠海地区软土结构性强，灵敏度分布范围广，最大值达到12.0，最小值仅为1.13，平均值为6.58，属于灵敏性土。此外，该地区的软土层平均厚度为10～20 m之间，再考虑3～5 m 的填土层厚度，其自重压力一般超过了150 kPa，而室内测试得到珠海地区淤泥层先期固结压力Pc的平均值仅为73.77 kPa，表现出明显的欠固结特性。珠海地区软土工程力学特性较国内其他软土地区更差，从而基坑工程设计和施工中面临着更为严峻的风险。

2 珠海地区基坑工程的重大风险分析及对策

2.1 围护结构变形过大

由于基坑开挖引起的土体损失会造成周边环境的变形并进而导致周边建（构）筑物和管线、道路等公共设施的破坏，因此围护结构变形控制一直是基坑工程研究的重点，特别在软土地区基坑工程中表现更为突出。基于我国多个软土分布地区的基坑围护结构变形量的统计分析可知［9，10］，不同地区基坑围护结构的侧移与地层关系密切，上海地区约为0.1%H～1.0%H（H为基坑开挖深度），杭州地区为0.7%H～1.2%H，宁波地区为0.18%H～0.93%H，温州地区为0.48%H～1.86%H。但对于本文所讨论的珠海软土地区，基坑围护结构的最大侧移约为0.1%H～4.4%H，表现出区间范围大，峰值大等特征。

2.1.1 案例分析：珠海某重力坝式围护结构基坑

基坑的开挖深度为5 m，围护结构采用双排钢板桩加外围水泥土搅拌桩的重力坝形式，无内支撑，未对地块内及周边土体进行软基处理。当开挖至1.5 m左右时，基坑周边发生土体侧向滑移，围护结构水平位移超过了预警值，如图3 所示。事故发生后随即进行回填，重新进行了基坑围护结构型式设计。

图3 双排钢板桩发生过大变形Fig.3 Large Deformation of Double Row Steel Sheet Pile

在软土地基中，围护结构变形量超限时有发生，其风险性很大。随着基坑开挖的进行，围护结构在主动土压力的作用下产生变形，变形大小与基坑围护结构选型和围护结构刚度有关，不当的选型和刚度过小是造成围护变形量超限的主要原因。在珠海深厚软土地层中，采用无内撑的双排桩支护方式对水平土压力的抵抗能力较差，围护结构的水平位移远大于采用桩撑支护型式的基坑，如表2所示。另外，珠海软土具有较强的流变性和欠固结特性，在基坑开挖结束之后的较长时间内围护结构的变形仍会发生明显增大。因此，在设计支护参数时未考虑到围护结构变形的滞后性，也是造成变形超限的重要原因。

表2 珠海地区基坑围护结构位移实测值统计Tab.2 Statistical of Measured Displacement of Retain⁃ing Structure of Foundation Pits in Zhuhai Area

2.1.2 应对措施

采用合理的支护型式（增大围护结构刚度）是防控围护结构变形过大的主要对策之一。对于周边环境保护要求较高的基坑，包括近接重要建（构）筑物和管线、道路等市政设施的基坑，应优先考虑采用板式围护+内支撑的支护结构。

此外，还可参考珠海横琴某基坑支护工程，在条件允许的情况下，可在深厚软土地层中采取地下连续墙与环撑的联合支护体系（见图4）［11］，该体系将平面支护结构改变为空间支护结构，结构刚度大，受力合理，不仅有利于控制基坑周边环境变形，而且由于采用了圆环撑，在基坑中部可以形成较大的施工空间，可加快施工进度。

图4 基坑围护结构平面布置Fig.4 Layout Plan of Retaining Structure

2.2 基坑周边沉降、坑底隆起

软土基坑的开挖会对周围环境造成较大影响，极易引发地表不均匀沉降及坑底隆起，进而危及周围建筑物及地下管线等的正常使用。

2.2.1 案例分析：珠海某道路箱涵钢板桩围护基坑

箱涵围堰采用15 m长钢板桩作为围护结构，采用CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）对箱涵底进行地基处理，围堰的设计深度为4.65 m，设1道钢支撑，地块内及周边土体未进行软基处理。围堰采用分段分层方式进行开挖，在开挖深度达到3.0 m 时，围堰内淤泥不断隆起上升，立即采用50 cm 碎石垫层反压并浇筑混凝土垫层，但是混凝土垫层最终还是上拱并破坏，造成附近展馆地面大面积沉降、坍塌及开裂（见图5）。

图5 基坑开挖导致周边地面下沉Fig.5 Surrounding Ground Settlement caused by Excavation of Foundation Pit

珠海地区软土多为新近填筑未完成自重固结的软土，欠固结特性十分突出，其沉降包括自重应力和附加应力引起的两部分沉降。基坑开挖引起的主动土压力作用在围护结构上，造成围护结构向坑内位移，相应的地层损失导致周围地层沉降和变形。另一方面，基坑开挖卸载导致坑底土体隆起变形。由于软土的欠固结特性，工后整体沉降和不均匀沉降可能会进一步发展，引发更大的事故或风险。

2.2.2 应对措施

围护结构的变形往往是地表沉降的先兆，过大的围护结构变形必将导致周边地表的沉降。因此，可适当加强围护结构的整体刚度，以降低围护结构的侧移，控制周边地表的沉降。除此之外，还可加固围护结构后方土体，以及对坑底及地表土体进行加固处理，提高土体的抗剪能力，从而减小周围地表沉降。针对坑底隆起，可对坑堤土体进行整体加固或采用格栅式加固，采取适当的措施使得加固体外侧与围护结构紧密接触。

在开挖过程中，应该对周边地表沉降量进行严格监控，有针对性、合理地布设测点，密切关注沉降量的发展趋势，并严格控制敏感区域的地下水位。

2.3 时空效应显著

2.3.1 案例分析：珠海横琴排桩+内支撑项目

本项目拟建2 层地下室，基坑围护结构采用灌注桩排桩，水平支撑采用2 道钢筋混凝土内支撑。基坑开挖至坑底且已施工部分底板的情况下，基坑围护结构出现严重破坏（见图6），其中水平支撑出现明显断裂。分析事故发生的原因，一方面是由于基坑开挖结束之后未及时进行封底，基坑处于长时间暴露状态；另一方面，基坑西侧的修路堆载也对基坑的破坏起到直接作用。

图6 围护结构破坏Fig.6 Damage of Retaining Structure

基坑施工过程具有明显的时空效应，基坑分部开挖不当，或无支撑暴露时间过长，均可能导致围护结构过大的变形，甚至围护结构的破坏，进而引起基坑的失稳、坍塌。特别对于珠江三角洲的软土而言，由于其多呈絮凝结构中的片架结构，具有较强的流变性和蠕变性［12］，随着时间推移土体强度会有所降低，从而使得作用在围护结构上的土压力增大，加大了围护结构破坏的风险性。

2.3.2 应对措施

基坑施工过程中应充分利用时空效应，合理安排施工步序，尽量缩短无支撑暴露时间。在每个开挖步结束之后，应及时施作支撑；在基坑开挖结束后，应尽快将坑底封闭。此外，在基坑开挖时应分层分段有序开挖，避免产生过大不对称荷载，导致坑内工程桩开裂或发生过大水平位移等质量问题；在基坑施工及使用阶段，应严格控制坑顶堆载等外界条件的影响。

2.4 基坑深层滑移、断桩

2.4.1 案例分析：珠海某采用排桩+锚杆围护基坑

基坑开挖深度8 m，考虑采用排桩+2 道锚杆作为支护结构；电梯井坑中坑深度为4.7 m，采用竖向钢板桩进行支护，无内支撑，地块及周边未进行软土地基处理。其中T6 电梯井的土方开挖引起基坑深层土体发生侧向滑移，导致周边大范围混凝土灌注桩受挤压断裂，最大位移偏差超过3 m（见图7）。事故发生后，首先进行回填，并重新进行补桩及加固处理，工期延误达2个多月。

图7 基坑深层滑移和桩身倾斜、断桩Fig.7 Deep Sliding，Pile Inclination and Pile Breakage

2.4.2 应对措施

应对基坑深层滑移、断桩事故可从桩身补强及土层加固2 个角度进行考虑。首先，可在断桩后补加新桩，架设临时支撑和临时锚杆；在基坑发生深层滑移后，可采取“外卸内填”的方法进行处置，在基坑外侧进行卸载，在基坑内侧进行回填土方或沙包，分区块对基坑底板进行施工，尽快形成封闭的整体；也可对深层淤泥层进行加固，在桩身侧补加预应力锚杆、内支撑；当整体滑移严重时，需进行重新支护施工。

为防控深层土体的滑移等风险，应事先查明软土层分布，在施工前建议对软土层进行土体加固处理，提高土体强度，降低滑移风险；同时，也可增大抗滑体的强度等阻止滑移的发生。

2.5 基坑工程风险处置措施建议

为更好地预防和控制基坑事故的发生，首先应查明地勘资料，明确软土层的范围，采用合理的围护结构设计和软基处理型式，提高基坑工程的设计安全系数；施工过程中加强监测，确保相关单位信息畅通，进行信息化施工，对各项风险指标进行监控，以便根据监测数据及时调整设计与施工，防止事故的发生。此外，还可分别采用土层加固、创新围护结构型式、提高围护结构的整体刚度以及基坑“外卸内填”等方式对各类风险事故进行处理，各应对措施与相关风险的对应关系总结如图8所示。

图8 珠海地区基坑风险及对策汇总Fig.8 Summary of Risks and Countermeasures of Foundation Pits in Zhuhai Area

3 结论

⑴ 珠海地区软土分布范围广，厚度大，已知最大厚度达67.4 m。与武汉、天津、杭州等地相比，珠海地区软土具有孔隙比高、压缩性强、天然含水率高、含水率变化范围大、天然密度低等特点，除此以外，还具有较高的灵敏度及欠固结特性。

⑵ 珠海地区软土基坑主要面临围护结构变形过大、周边地表过大沉降（含不均匀沉降）和坑底隆起、时空效应显著以及基坑深层滑移和断桩等重大风险；

⑶ 在珠海软土地区，对于周边环境保护要求较高的基坑，应优先考虑板式围护体系加内支撑的支护结构。基坑施工过程中应充分利用时空效应原理，合理确定施工步序，及时施作支撑，封闭坑底。

⑷ 为减小珠海地区软土变形带来的地表沉降、坑底隆起和深层滑移等风险，应考虑对基坑周边和坑底土体进行局部或整体加固，并充分保证地基加固的施工质量。

⑸ 对珠海地区基坑工程风险处置提出了相应的建议，要求加强信息化施工，防止事故的发生。