新填海场地轨道交通基坑位移突变原因分析及对策

马驰

（铁科院（深圳）研究设计院有限公司，广东深圳 518034）

我国东部沿海经济发达地区，部分轨道交通线路位于新填海场地，明挖隧道的深基坑工程隐患和事故时有发生，给工程建设造成了较大影响［1-6]。新填海场地有较深厚的欠固结淤泥层和人工填砂（土）层，且地下水位埋深浅，增加了深基坑工程的设计与施工的技术难度［7]。当采用桩锚支护时，在填砂层、淤泥层打设锚索，易造成塌孔、糊钻，导致围护结构瞬时压力过大；同时，锚索（锚碇）预应力损失、地下空洞塌陷等也会造成位移突变，影响围护结构的安全［8]。本文结合新填海区一轨道交通基坑工程施工初期出现位移突变及其处理措施，对新填海场地基坑中锚索糊钻等问题进行深入的研究，取得的经验可为同类工程施工提供借鉴和参考。

1 工程概况

该轨道交通基坑位于新填海场地，全长1720 m，开挖深度13～18 m，周边空阔，无重要建（构）筑物、管线等。基坑开挖深度内地层自上而下有填砂层、淤泥层、粉质黏土层、黏土层、中砂层，其中淤泥层采用了排水固结堆载预压处理，各土层物理力学性质参数见表1。

表1 土层的物理力学性质参数

基坑采用咬合桩+锚碇（锚索）的支护方案：咬合桩直径1.0 m，咬合0.2 m；锚碇长28 m，间距1.6 m，锚碇上覆土厚4 m，锁定荷载250 kN；锚索间距1.6 m，倾角30°，锁定荷载300 kN。基坑支护断面如图1所示。

图1 基坑支护断面示意（单位：mm）

基坑施工顺序：首先先施工咬合桩，打设锚碇，坑内降水后开挖第一层土方；然后打设第一排锚索，开挖第二层土方；之后每打设一排锚索，开挖一层土方，直至开挖至基坑底。

2 局部地段施工与位移突变情况

局部地段，长约100 m，3月15日—3月30日施工锚碇；3月30日—4月10日开挖第一层土方，开挖深度5.0 m；5月5日—5月11日施工第一排锚索，位移发生突变。

该段基坑土方、锚索施工期间的典型测点W17 实测桩顶水平位移以及施工后W17 附近不同深度处水平位移见图2。结合现场施工和实测位移，由图2（a）可知：①4月10日开挖第一层土方底时，桩顶水平位移较小，为9.0～23.2 mm，变形仍持续发展，位移速率约2.5 mm/d，7 d 后桩顶水平位移稳定在32.0～41.0 mm。②4月17日—5月5日现场未施工，变形稳定。③5月5日W17 点附近锚索钻孔、注浆，桩顶水平位移开始发生突变，位移速率约6 mm/d，持续变形时间6 d，桩顶水平位移发展了29.0～35.0 mm。现场发现桩顶后侧地面有裂缝，注浆液从裂缝流到地面。5月11日位移速率开始减小至2.2 mm/d，持续变形时间6 d，位移增加了13.2 mm。④5月21日，锚索张拉锁定后，对桩顶水平位移突变的原因进行了分析，采取了处理措施，开挖第二层土方期间，桩顶水平位移较小。⑤靠近锚索的位置，桩身变形最大，围护桩发生位移突变，桩体位移影响深度达到14.0 m。由图2（b）可知：第一排锚索施工造成的桩顶水平位移达到42.2 mm，锚索所在位置的桩身变形达到50 mm，锚索施工不当对围护桩变形影响大。

图2 W17桩顶及附近不同深度处水平位移实测曲线

3 原因分析

该段基坑第一层土方开挖深度5.0 m，开挖范围内以填砂层为主。其他各段基坑开挖深度、地质条件与该段基坑基本一致，第一层土方开挖后，桩顶水平位移9～20 mm，远小于该段基坑桩顶水平位移。现场分析了该段基坑的锚碇、锚索施工工艺，研究发现锚索糊钻是基坑变形过大的主要原因，同时锚碇预应力损失、地下空洞塌陷也是造成基坑变形突变的原因。

3.1 锚索糊钻的影响

锚索自由段基本位于淤泥层，钻孔应采用套管跟进技术，钻孔循环水应该由孔眼流出。但是，现场锚索成孔采用套管冲水钻进的施工工艺，见图3（a），套管没有跟进，淤泥层出现塌孔，孔眼封堵，水不能从孔眼流出，注浆水、水泥浆沿套管外壁向孔口流动，在土层薄弱的位置形成劈裂面，沿着劈裂面向上由地面流出，见图3（b）。水压和注浆压力作用在土层劈裂面上，再由土体传至护坡桩，围护桩发生位移突变。锚索糊钻后造成的压力见图4。

图3 施工现场

图4 土层劈裂后围护结构受力分析示意（单位：mm）

锚索钻孔注浆期间，作用在劈裂面上的荷载变化情况见图5。图中：t0为钻孔、第一次注浆完成时间；t1为第二次劈裂注浆开始时间；t2为第二次劈裂注浆结束时间；t3为锚索影响结束时间。水压和注浆压力荷载及位移发展分为四个阶段：①在冲水钻孔、第一次注浆期间，作用在土层劈裂面上的水压逐渐增大，围护桩发生位移突变。②第一次注浆完成后，作用在土层劈裂面上的水压开始减少。③第二次劈裂注浆阶段，作用在土层劈裂面上的注浆压力逐渐变大。④注浆完成后，注浆压力消失，围护桩以一定的速率向坑内位移，位移发展一定时间后趋于稳定。

图5 锚索钻孔期间作用在劈裂面上的荷载

3.2 锚碇预应力损失严重

由图2可知，该段基坑开挖至第一层土方底之后，桩顶水平位移持续发展了6 d。其他段基坑，开挖至第一层土方底之后，桩顶水平位移约20 mm，位移基本稳定。

对比其他段基坑地质条件施工位移，锚碇预应力损失严重是桩顶水平位移持续发展的主要原因。同时，第一层土方底部基本位于淤泥层，坑底地质条件差也会造成桩顶水平位移增大。

锚碇拉力时程曲线见图6。可知，锚碇的锁定荷载为250 kN，锁定后锚碇拉力约125 kN，预应力损失了50%。

图6 预应力损失的锚碇应力监测结果

造成锚碇预应力损失的原因是：①锚碇前方土体碾压不密实，造成预应力损失严重。张拉后锚碇前方土体向基坑内位移了约20 mm，经计算，锚碇预应力损失约100 kN，见图7。开挖第一层土方后，该段基坑桩顶稳定位移比其他段基坑大20 mm 左右，与锚碇前方土体变形基本一致。锚碇前方土体松散是导致锚碇预应力损失、基坑位移增大的主要原因。②锚具质量差，锚夹片不佳，锁定时造成部分预应力损失。③未按要求分级张拉，同时，每级张拉的持续时间不足。④基本试验不充分，试验结果应及时反馈设计分析，研究确定张拉荷载。

图7 锚碇张拉锁定后前方土体变形

锚碇预应力损失严重，对桩顶的约束小，造成桩顶水平位移偏大。现场对锚碇进行了二次张拉，锚碇拉力稳定在270 kN左右，位移逐渐趋于稳定。

3.3 地下空洞塌陷的影响

锚索施工不当，锚索孔口出现流水、流砂现象，桩背土体被掏空，形成地下空洞。当地下空洞过大，或者在雨季地质条件变差时，空洞上方土体突然塌陷，影响围护结构受力，造成围护桩变形。桩背地面塌陷见图8。

图8 桩背地面塌陷

4 处理措施及效果

4.1 处理措施

现场对锚碇和锚索施工进行了改进，改进措施如下：

1）对于未张拉锁定的锚碇，进行锚碇抗拔力检验试验。抗拔力检验试验定位总锚碇数的5%，检验荷载为1.6T（T为设计抗拔力），每级荷载等待观测时间10～15 min，要求最大张拉荷载下钢绞线伸长量不大于18 cm。对于有明显预应力损失的锚碇，进行再张拉锁定。锚碇的再张拉锁定荷载定为350 kN，再张拉荷载为1.4T（T为设计抗拔力）。

2）锚索成孔施工要求跳二打一，相邻孔注浆并初凝后方可开孔。遇到流塑淤泥层和流砂层时，不得采用套管冲水钻进的钻孔施工工艺，应采用钻头钻进、套管跟进、套管内出渣的方法成孔。当地层条件允许采用套管冲水钻进成孔时，要求自由段范围钻进速度不大于0.5 m/min，给水压力小于200 kPa。锚索首次压浆的压力应小于200 kPa，以灌满为止，不得加压。

3）漏水漏砂处须即时封堵，地下空洞采用注浆填充。

4.2 处理效果

该段基坑采取处理措施后，第二层、第三层锚索施工期间，没有发生位移突变。在第二层、第三层土方开挖期间，桩顶水平位移速率均为20 mm/d左右。

其他各段基坑施工吸取了该段基坑的经验，基坑顺利开挖到底。基坑开挖到底时，桩顶水平位移约为60 mm，桩身最大变形约90 mm，处于稳定状态，验证了基坑支护方案和处理措施合理且可行。

5 结论

1）锚索糊钻后，对土层形成劈裂，注浆压力、水压力作用在劈裂面上，导致围护桩产生位移。注浆阶段位移速率大，停止注浆后，位移速率逐渐减小。对于新填海场地的基坑，围护桩位移会持续发展10～14 d。

2）在新填海场地施工锚索，必须套管跟进，同时控制钻进速度和给水压力，一旦糊钻，就会给基坑支护结构造成过大的侧压，造成基坑变形过大，甚至影响基坑的安全。

3）锚索钻进过程中，要密切关注孔口的流泥、流水现象，一旦发现糊钻，就采取相应处理措施。

4）基坑开挖过程中，当锚索孔出现漏水、流泥时，应及时封堵，避免造成桩后空洞，甚至塌方。

5）施工时严密观测锚碇、锚索拉力，对于预应力损失严重的锚碇、锚索及时进行二次张拉。