膨胀土地铁车站深基坑桩间土失稳特征研究

吉力此且 李江峰 路军富 邓永刚 陈 龙

（1.四川开放大学，四川 成都 610073；2.中铁十二局集团第四工程有限公司，陕西 西安 710024；3.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）

0 引言

膨胀土是自然地质形成的含有亲水性较强的黏土矿物的高塑性黏土，具有超固结性、多裂隙、遇水膨胀、失水收缩等特性。膨胀土广泛分布于我国四川、云南、广西等20 多个省，成都地区主要分布在东部。近年来随着成都市轨道交通线路规划快速成网以及东部新区的加快建设，如2 号线、4 号线、7 号线、8 号线、9 号线、17 号线、18号线、30 号线等都经过或到达膨胀土区域。轨道交通线路穿越膨胀土区域时不可避免地要设置地下车站，因此就需要地下车站深基坑开挖支护。

据调查，成都东部深基坑开挖采用排桩支护工程中，由于地层开挖后，支护桩暴露，地层失水，支护桩桩间土挤出破坏，挤出的土极易造成深基坑中施工的人员伤亡、设备破坏等安全事故，若不能准确掌握膨胀土地铁车站深基坑支护桩桩间土失稳特征，并及时进行加固防护，则桩间土可能坍塌造成安全事故，从而严重影响工程整体的质量和进度。

1 桩间土失稳特征调查与实测分析1.1 现场调查

1.1.1 工程设计及施工

该文研究的成都轨道交通17 号线二期东延线地下车站基坑深度18～30m，基坑保护等级为一级，采用围护桩+内支撑的支护方案。围护结构采用Φ1200mm 旋挖桩，间距2000mm，在盾构井盾构出口洞门处采用Φ1500@1800mm玻璃纤维筋旋挖桩。车站竖向设置三道支撑，均采用Φ609mm（t=16mm）和Φ800mm（t=16mm）的钢管支撑，800mm 钢支撑仅用于盾构扩大端。基坑底以下均为<5-1-3>中风化泥岩，围护桩插入深度不小于设计要求。围护桩按“跳一钻一”进行施工。采用旋挖钻机钻孔，现场灌注混凝土。基坑采取“分层、分段、抽槽开挖、留土护壁，及时支撑，减少无支撑暴露时间”等方式开挖，横向先挖中间土体，后开挖两侧土体，严禁超挖。基坑开挖至支撑设计标高以下0.5m 时停止开挖，安装钢围檩及钢支撑，并按设计要求施加预应力。基坑开挖过程中，加强支撑轴力监测对获取的数据及时分析处理，并根据监测结果及时采取必要的措施，同时及时浇筑150mm 厚混凝土垫层封闭基底。

1.1.2 桩间土失稳调查

2020 年10 月至2021 年10 月，课题组调查了成都地铁17 号线二期东延线深基坑支护桩桩间土失稳情况，所调查的6 个地铁车站深基坑工程在施工中都发生了桩间土塌落，由于采取了预警措施，因此没造成人员伤亡或设备损伤。

图1 为2021 年4 月12 日某车站19-20 轴右线侧壁坍塌，坍塌高度为第三道钢支撑下两相邻围护桩的桩间土。坍塌时该段底板已浇筑完成，当日天气为多云转小雨。

地层位于第一道支撑至第二道支撑间，<5-1-2>强风化泥岩厚3.7m。该段开挖时间为2021 年1 月4 日-2021 年4月1 日，开挖揭露地层与地勘资料基本相符。

据查阅现场相应位置的监测数据，测斜数据发现基本处于稳定状态，横向支撑轴力数据也基本平稳。

图1 某车站19-20 轴右线侧壁坍塌图

图2 为5 月27 日位于某车站29-31 轴左线侧壁坍塌，坍塌高度为第一道支撑至第二道支撑之间五根相邻围护桩的桩间土。坍塌时该段底板已浇筑完成，当日天气为多云转小雨。

地层位于第一道支撑至第二道支撑间，<4-1-3>黏土层厚4.8m，<5-1-1>全风化泥岩层厚2.7m。该段开挖时间为2021 年4 月8 日-2021 年4 月12 日，开挖揭露地层与地勘资料基本相符。

据查阅现场相应位置的监测数据，测斜数据发现基本处于稳定状态，横向支撑轴力数据也基本平稳。

图3 为2021 年4 月1 日位于某车站56 轴右线侧壁坍塌，坍塌高度为第一道支撑至第二道支撑之间6 根相邻围护桩的桩间土。坍塌时该段底板未浇筑完成，当日天气为小到中雨。

地层位于<4-1-3>黏土层厚度达到第一道支撑下3.2 米处，<5-1-1>全风化泥岩层达到第二道支撑下0.85 米处，该段开挖时间为2021 年1 年20 日-2021 年3 月31 日，开挖揭露地层与地勘资料基本相符。

图2 某车站29-31 轴左线侧壁坍塌图

图3 某车站56 轴右线侧壁坍塌图

据查阅现场相应位置的监测数据，测斜数据发现基本处于稳定状态，横向支撑轴力数据也基本平稳。

图4 为2021 年4 月16 日位于某车站48 轴左线侧壁坍塌，坍塌高度为第一道支撑至第三道支撑之间2 根相邻围护桩的桩间土，该部位在开挖过程中出现多次坍塌。该图显示坍塌时该段底板已浇筑完成，当日天气为小雨。

4 月8 日发现支撑变形严重超限后紧急采取了加密支撑措施，并在第一道和第二道支撑间增设一层钢支撑，4 月16日桩间土挤出坍塌。

地层位于<4-1-3>黏土层厚度达到第二道钢围檩下2.7m 处，<5-1-1>全风化泥岩层厚到达第三道钢围檩位置，该段开挖时间为2021 年1 月17 日-2021 年3 月23 日，开挖揭露地层与地勘资料基本相符。

根据监测数据显示该处CX-59 测斜数据达到99.80mm，已远远超出控制值；ZL56 监测数据达到2150.98kN 超出控制值1760kN。

图5 为2021 年4 月18 日垮塌部位位于某车站40 轴左线侧壁，垮塌高度为第一道支撑4.5 米范围4 根桩间土体。垮塌时该段正在进行土方开挖工作，尚未开挖至第二道支撑处，当日天气为小雨。

图4 某车站48 轴左线侧壁坍塌图

图5 某车站40 轴左线侧壁坍塌图

地层位于<4-1-3>黏土层厚度达到12.7 米，层底位于第二道钢围檩下1.5m 处，该段开挖时间为2021 年3 月27 日-2021 年4 月4 日，开挖揭露地层与地勘资料基本相符。

据查阅现场相应位置的监测数据，测斜数据发现基本处于稳定状态，横向支撑轴力数据也基本平稳。

1.2 桩间土坍塌调查结果分析

通过分析上述5 个桩间土坍塌的案例可知，桩间土坍塌地层多数位于<4-1-3>黏土层，少部分处于<5-1-1>全风化泥岩层和<5-1-2>强风化泥岩层。查阅现场监测数据发现，绝大多数桩间土坍塌时，测斜数据基本处于稳定状态，横向支撑轴力数据也基本平稳。

从开挖时间上来看，桩间土坍塌部位开挖时间为1-4月，坍塌时的时间主要集中在4-5月。结合膨胀土失水收缩开裂、吸水膨胀等明显特征，开挖时间段处于成都地区一年中较为干燥的季节，4 月开始成都地区逐渐有稀少春雨，且从调查情况中发现每处桩间土坍塌当日都有小雨，因此进一步验证膨胀土失水收缩开裂，黏聚力达到极小值，此时由于天气下雨造成膨胀土短时间内吸水膨胀，内摩擦角增大，加之桩间土体自重短时间内增加较快，引起桩间土下滑力增大，因此造成桩间土坍塌。

2 桩间土失稳特征分析

2.1 桩土相互作用

膨胀土地铁车站深基坑工程开挖及支护施工中，随着基坑土方开挖深度不断增加，支护桩阻碍基坑外侧土体向基坑内水平位移，在不同土层土压力作用下支护桩自身发生变形，此时相邻支护桩桩体之间的土体由于无支护桩桩体阻挡，因此向水平方向的位移比支护桩背后的土体位移大。随着基坑开挖深度不断加大，这种趋势也随之进一步发展。由于支护桩横向水平位移小于桩间土的横向水平位移，造成桩后一定范围内的土体不断挤压桩体而产生不均匀的土压力，桩间土靠近桩体一定范围内的土体横向位移受到桩体的约束，越靠近桩间土中间受到桩体的约束越小，即桩体两侧位移小，而两桩中间的土体位移大，因此就会引起桩间土体与桩后土体自身在抗剪强度的作用下于土体内部形成“楔紧”，即在两桩之间形成了相对稳定的土拱效应，进而导致距离桩体较远的两桩中间土体在土压力作用下发生挤出破坏，两桩体之间形成拱形破坏面，如图6 所示。而对于膨胀性土层，由于其具有显著的失水收缩开裂的特征，因此基坑开挖后桩间土暴露，土中的水分蒸发，含水率降低，造成膨胀土失水收缩，黏聚力和内摩擦角减小，桩间土无桩体约束，现有喷锚支护不能抵挡桩间土自重产生的土压力而出现坍塌。

图6 桩间土受力图

2.2 桩间土失稳特征分析

桩土相互作用形成土拱效应的条件一般包括土体内存在不均匀位移及有作为支撑的拱脚的存在。周勇等提出桩土相互作用接触域概念，通过实验室直剪试验发现，桩土相互作用接触面破坏时，破坏面没有发生在桩土接触面上，而是发生在距离桩土接触面一定距离的桩土接触土体中。由此提出桩土接触面具有一定厚度，并把该厚度定义为过渡区域。结合桩土相互作用机理研究，距离支护桩越近的地方土体黏聚力和内摩擦角均大于距离支护桩较远的区域。距离支护桩桩身越近的地方土体的位移基本与支护桩保持一致，距离支护桩越远的地方土体的位移与桩体位移不同，当土体距离支护桩达到一定距离后，土体位移基本不受支护桩位移的影响。因此合理确定不同桩径的桩间距，对于确保混凝土灌注桩桩间土的稳定具有重要的作用。

该工程位于成都市东部膨胀土分布区域，经取样试验，该区域的膨胀土膨胀率如图7 所示。

图7 地铁17 号线二期威灵站膨胀土膨胀率试验结果

通过图7 可知，该区域内膨胀土膨胀力为45%，属于弱膨胀性土层，因此在分析桩间土失稳时要考虑膨胀土性质的影响。

2.2.1 膨胀土对桩间土失稳特征的影响分析

膨胀土具有遇水膨胀、失水收缩开裂等特性。混凝土灌注支护桩桩径一般为1.2m，桩中心距一般为2.2m，因此桩净距一般为1m。一般挖机挖斗宽度0.9m 以上，在开挖基坑时只能挖进两支护桩桩间约1/12 左右，如图8 所示。目前桩间土支护措施一般采用Φ8mm 钢筋网片，并将钢筋网片与支护桩预留好的钢筋连接，部分地方采用Φ18mm 钢筋横向加强并与支护桩预留钢筋连接，起到一定程度的加固喷射混凝土以后的钢筋网片共同支护桩间土的作用。但是通过图1～图6 可以看出，桩间土坍塌处钢筋网片直接被拉出破坏，说明施工过程中钢筋网片或加强钢筋都没有与支护桩预留的钢筋进行牢靠连接，或者由于施工支护桩时的施工偏差，原预留好的钢筋没有设置在靠深基坑一侧。

图8 桩间土加固图

从调查区域深基坑开挖时间跨度上分析，开挖并暴露的持续时间为2021 年12 月至2022 年5 月，时间跨度涵盖成都地区的冬季、春节，也就是从开始开挖、地层暴露到桩间土坍塌失稳，经过多次的失水和吸水过程，冬季干燥失水，到了春季，成都地区从绵绵细雨到晴朗的反复变化的天气造成开挖暴露后的膨胀土反复经历失水收缩开裂到吸水膨胀的过程，导致桩间土体黏聚力和内摩擦角急剧下降，且再次遇到失水收缩开裂时裂纹非常发达。在土拱效应作用线靠深基坑一侧土体在自重作用下发生坍塌破坏，从图1～图6 可以看出，桩间土坍塌时沿着土拱效应作用线的拱形破坏，几乎是粉碎性破坏，土体之间经过多次反复失水收缩和吸水膨胀后，黏聚力及内摩擦角几乎为零。

2.2.2 桩间土稳定性计算推导

通过现场调查情况及上述桩间土失稳分析，针对目前成都东部膨胀土区域修建地下轨道交通车站工程施工中采用的混凝土灌注排桩支护设计的常规情况（即桩径为1.2m，桩间净距为1m，钢筋网片加喷射混凝土支护桩间土）可知，桩间土坍塌的主要原因是桩间膨胀土反复受到失水收缩和吸水膨胀的作用后，土体黏聚力和内摩擦角急剧下降或几乎降到零，再次遇到降雨天气时土体自重增加，桩间土钢筋网片和喷射混凝土被剪切破坏，因此推导出桩间土自重及含水率变化后的自重变化，即可推导出桩间土坍塌破坏时桩间支护结构受到的力，进而可对支护结构的抵抗力提出设计建议。

根据桩间土坍塌失稳现场调查及理论分析，建立桩间土坍塌模型图，如图9 所示。

根据建立的模型图形计算坍塌土体的体积V（近似计算），如式（1）所示。

并由式（2）解得式（3）。

图9 桩间土计算模型图

式中：S—桩间坍塌体顶面积，S—桩间坍塌体底面积，a—桩净距，b—桩外侧与桩间土开挖面间距，d—两相邻桩中心距，R—桩径。

桩间坍塌体自重G 的计算如式（4）所示。

式中：a—桩净距，b—桩外侧与桩间土开挖面间距，R—桩径，H—桩间坍塌体高度，Φ—桩间土体内摩擦角。

下滑力T（又称滑动力）的计算如式（5）所示。

式中：A—滑动体斜面面积，a—桩净距，b—桩外侧与桩间土开挖面间距，G—桩间坍塌体自重，R—桩径，Φ—桩间土体内摩擦角，c—桩间土体黏聚力，σ 垂直于桩间土体滑动面的应力。

土坡稳定安全系数K 的计算如式（7）所示。

式中：K—土坡稳定安全系数，M—抗滑力，T—下滑力。

由该模型推导出的计算公式，经过现场实例验证符合实际情况。

3 结论

该文通过现场调查、实测分析、失稳特征分析、桩间土稳定性计算推导，找到了成都地区膨胀土深基坑施工中混凝土灌注桩桩间土坍塌失稳特征及原因，桩间土坍塌破环线为支护桩与桩间土土拱效应作用线，由于前期受到反复的失水收缩开裂和吸水膨胀的作用，坍塌时桩间土黏聚力达到极小值，内摩擦角达到极大值，桩间土坍塌破坏面几乎成水平，破坏面土颗粒成粉碎状。因此，在不可避免的干湿交替季节施工时，一方面要缩短基坑开挖暴露时间，另一方面要加强支护桩桩间土加固措施。