膨胀性岩土基坑桩体水平位移变形分析

许 锋， 邓 川， 杨定强， 何圆圆

（1.中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308；2.四川省川建勘察设计院有限公司，四川 成都 610095）

膨胀岩具有吸水软化、膨胀，失水崩解的特性。膨胀土具有遇水膨胀、失水收缩的反复胀缩特性；伴随反复胀缩，土体中微裂隙发育，随着地下水的流动，土体加剧胀缩，导致土体结构整体破坏。基坑开挖后，若侧壁存在膨胀岩土，特别是雨季施工时，可能出现变形大、失稳、支护体系失效、坍塌的风险；因此在膨胀性岩土中如何保证基坑安全，尤其是在雨季阶段显得更加重要。

桩体水平位移是围护结构变形最直观的表现形式之一，对基坑安全评价有着重要作用[1]。桩体水平位移监测的实施、监测数据的准确性以及如何准确判定基坑的安全状态一直都是地铁基坑安全监测的重点和难点[2～3]。本文以成都地铁某膨胀性岩土基坑工程为例，对桩体水平位移变形规律进行研究，给出膨胀性岩土基坑变形较大时施工处置措施及监测、设计单位注意事项。

1 工程概况

成都地铁某车站基坑地层为膨胀性岩土，安全监测等级为一级。车站长363.2 m、标准段宽23.5 m、深21.7～28.26 m。钻孔揭示车站范围内从上至下主要地层依次为第四系人工填土层，第四系中、下更新统冰水沉积层黏土、含黏土卵石和下伏白垩系上统灌口组泥岩，白垩系上统夹关组泥岩、砂岩，白垩系下统天马山组泥岩、砂岩。区段内黏土为膨胀土，根据室内试验统计：自由膨胀率为42%～52%，膨胀力为48.7～71.2 kPa，膨胀率0.28%～0.42%，收缩系数0.33～0.44。区段内下覆基岩为泥岩和砂岩，均属于弱膨胀岩，据室内试验统计：自由膨胀率16.0%～28.0%；膨胀力5.1～56.0 kPa；饱和吸水率5.65%～8.03%。见图1。

图1 基坑结构及地质剖面

2 桩体水平位移监测

2.1 测点目的及意义

对围护结构桩体进行安全监测和巡视，为参建各方提供可靠的变形监测数据及异常信息，通过一系列风险监控及预警体系，对可能存在的险情和隐患及时提醒、准确预报，避免安全事故的发生[4]。监测数据同时为设计部门提供参考，验证和不断优化设计实施方案，做到科学、经济、安全的施工。

2.2 监测方法及原理

采用精度为±2.0 mm/30 m 的CX-901F 滑动式测斜仪对围护桩内预埋的测斜管进行监测，沿垂直于基坑长边导槽方向从底部起每隔50 cm 采集一次数据，每个方向均应进行正反两次测量。利用重垂器始终垂直指向地心的性质，随着基坑开挖桩体发生水平位移，测斜仪探头轴线与重锤器垂线的倾角也随之改变，重垂器连动着微型电位器，电位器的动臂也随之发生线性改变；因此现场测得电位器的电阻值后，通过计算可知围护结构桩体不同深度的位移变化值。

2.3 测点布设及保护

布设在基坑各边中部、阳角及其他特殊位置的监测点，与桩顶水平/竖向位移监测点处于同一监测断面[5]。车站标准段监测点布设间距为20～40 m。测斜管作为数据采集的通道，在预埋及监测过程中要采取加装保护内外盖、制作显性保护装置等措施，避免测点堵塞和破坏。见图2。

图2 桩体水平位移监测点布设位置

2.4 初始值及监测频率

在基坑土方开挖前，对监测点连续独立3 次采集数据，取3 次稳定数据的平均值为初始值[6]。监测频率根据现场施工进度及设计要求综合确定，见表1。

表1 监测频率

2.5 控制值及预警机制

桩体水平位移监测累计控制值为30 mm，变化速率控制值为3 mm/d。

监测数据累计值达到控制指标的2/3 且变化速率达到控制值时应进行黄色预警。监测数据接近黄色预警值但不满足黄色预警条件时可发送工作联系单进行提醒。

监测工程师判断有以下情况出现时，也应进行黄色预警：监测数据变化速率未超过控制值但累计值达到预警值；钢支撑架设滞后，轴力不满足预加力要求；基坑支护结构出现明显变形、裂缝，周围岩土体出现涌砂、涌土、坍塌、渗漏水等；其他危险情况。

3 数据处理与分析

3.1 数据处理

外业采集的数据要通过数据处理软件进行解算，计算出每个测点深度的水平位移量、累积位移量等并绘制水平位移累计变化曲线。见图3。

图3 水平位移累计变化曲线

以测点CX13 为例，结合施工工况进行综合分析。见表2。

表2 CX13施工工况及监测数据统计

分析表2可知：

1）随着基坑开挖深度的增加，桩体水平位移逐渐增大；在开挖面未到达膨胀土处时，变形量最大主要在开挖面，变形原因主要为开挖深度过大，现场未及时架设第二道钢支撑；

2）开挖面在膨胀岩土面以下时，最大变形量集中在11.0 m 处，此处为黏土卵石层与全风化泥岩接触面，因膨胀土在雨水及地表水的作用下发生膨胀导致基坑变形增大，随着基坑开挖，桩体单次最大变形量位置逐渐向下偏移，基坑底板浇筑完成后，基坑变形量趋于稳定；

3）桩体水平位移监测中，分析发现围护桩底发生“踢脚”变形，随着基坑开挖深度的增加，“踢脚”变形越来越严重；桩体水平位移监测以其顶部为起算点并结合桩顶水平位移监测数据进行修正，围护桩底部最大位移值达15.0 mm。

3.2 钢支撑轴力

对CX13 断面钢支撑轴力进行统计分析：第一道钢支撑安装后，测点ZL1-6 钢支撑轴力随着基坑开挖逐渐增大，在安装第二道钢支撑后变化趋于稳定，最大值为702 kN；第二道钢支撑安装后，测点ZL2-6 轴力迅速增大，在安装第三道钢支撑后变化趋于稳定，最大值为868.40 kN；在浇筑完底板、施作结构后，ZL3-6轴力变化趋于稳定。见图4。

图4 钢支撑轴力变化曲线

基坑开挖，钢支撑轴力随着桩体水平位移增大而逐渐增大，三道钢支撑中第二道钢支撑轴力最大，与基坑变形最大值位置一致。现场施工常因第二道钢支撑架设不及时，导致第一道钢支撑受力普遍偏大。

3.3 桩体水平位移

车站于2020 年6 月初进行土方开挖，2021 年8 月基坑封顶，施工经历一个雨季。对基坑桩体水平位移监测孔深、变形最大值、变形最大值位置进行统计。见表3。

表3 桩体水平位移数据统计

分析表3可知：

1）车站26个桩体水平监测点中，有4个测点被破坏，6 个测点桩底不同程度堵塞，测斜管破坏率达15.4%、堵塞率达23.1%、合格率61.5%；

2）桩体水平位移监测点22 个，根据预警机制，基坑发出工作联系单22 份，发送黄色预警单17 份，100%的监测点变化值超过控制值2/3，77.3%的监测点变化值超过控制值；

3）桩体水平位移变形最小值21.68 mm；最大值74.15 mm，为控制值指标的247%；平均值42.61 mm，为控制值指标的142%；桩体水平位移变形最大值处于9.5～12.0 m，为黏土卵石层与全风化泥岩接触面。

4 处置措施及建议

4.1 施工处置措施

1）针对膨胀性地层特征，建议采用中间拉槽两边预留反压土的基坑开挖方式。基槽开挖中，应严格控制一次性开挖长度，尽量减小对坡脚土体扰动；适当减小开挖长度及深度，加快土方连续施工，控制超挖。

2）土方开挖后立即架设钢支撑，然后进行喷锚作业，支撑轴力过大时宜架设并撑；钢支撑加力时应全覆盖，严禁只关注有轴力监测点的钢支撑，避免钢支撑体系受力不均匀，导致基坑局部变形或失稳；同时还要加强支撑变形失稳、围护桩变形过大发生破坏的风险防范措施。

3）对地面裂缝进行灌浆处理，对开挖的暴露面进行封闭，同时做好地面截水及坑内的引、抽、排水，减小水对基坑的影响[7]。

4.2 监测建议

1）测点埋设：测斜管的埋设质量是获得准确数据的前提，因此在测斜管预埋工作中，一定保证合格率，满足基坑监测对位置、深度的要求，必要时加密埋设，以提高合格率，避免因测斜管预埋不规范、合格率不高等问题，给后续监测工作留下隐患。

2）数据分析：测斜管深度不足或桩底发生“踢脚”变形时，应通过桩顶水平位移数据进行修正；膨胀性土桩体水平位移变形较大，造成轴力普遍增大，因此在轴力监测中应适当安装大量程轴力计，避免实测轴力超出量程，造成钢支撑轴力与桩体水平位移不能同步反映基坑变化情况，给数据分析造成困扰。

3）监测预警：数据预警时应立即启动应急预案，提高监测频率，必要时加密测点，加强现场监测数据原因分析、处置情况、突发情况等信息的报送，禁止瞒报、不报、谎报；同时加强对基坑周边地表是否开裂、基坑侧壁喷锚面是否脱落、钢支撑是否变形等内容的巡视，做好巡视记录。

4.3 设计建议

1）在现有预警机制下，桩体水平位移监测预警频繁，但基坑在实际施工过程中未曾出现险情；建议设计单位根据膨胀性岩土的特性确定合理的预警控制值，做到科学预警，减少不必要的“假预警”[8]。

2）针对膨胀性地层桩体变形较大和出现“踢脚”变形的情况，为保证基坑结构安全，建议适当加长桩体入岩深度或增大桩体直径，降低风险。

3）在钢支撑轴力控制值和预加轴力值确定时，应充分考虑膨胀性地层的特性，可根据监测数据适当增加预加轴力值，做到主动加力，控制基坑变形。

5 结论

在膨胀岩土地铁基坑施工过程中，桩体水平位移普遍较大，远超出30 mm 的控制值，最大值基本位于黏土卵石层与全风化泥岩接触面位置，与基坑轴力变化最大位置一致。围护桩嵌入基坑底深度不足时，桩底极易出现“踢脚”变形，桩体水平位移监测应从桩顶起算，结合桩顶水平位移监测数据进行修正。针对膨胀土地质特性，监测单位应加强监测和现场巡视，施工单位要提高对膨胀性岩土基坑不良地质的认识，规范施工工艺和操作流程、加强现场管理，发现隐患及时消除，确保基坑施工安全。