软土基坑变形全过程控制方法.doc

软土基坑变形全过程控制方法
引对基坑变形的发生、传递、最终影响三个环节，提出了对蛮形进行全过程综合控制治理的概念，将基坑变形控制分为变形的源头控制、变形传递过程控制、保护目标变形的个别控制与治理三个部分，结合时空效应施工法和开发的新型工艺，建立了软土基坑全过程变形控制方法。

1前言   
      在多年的城市软土地下工程实践中，工程技术人员和研究人员已经认识到，软土基坑设计预测和实际施工结果之间常有巨大差异，保守的设计和昂贵的加固措施并不一定能保证基坑周围岩土环境的变形要求。本文结合多年的工程实践经验，针对基坑变形的发生、传递、最终影响的各个环节，提出了对变形进行全过程综合控制治理的理念，将地下工程变形控制分为变形的源头控制、变形传递过程控制、保护目标变形的个别控制与治理三个阶段。以深基坑工程为例，在此全过程控制理念的指导下结合基坑工程时空效应施工法、微变形调整手段和远程监控管理方法，形成一套完整的地下工程微变形控制方法体系，并成功地应用于上海的地铁建设和其他的市政工程中，取得了巨大的经济和社会效益。
2 基坑变形全过程控制理论
      基坑变形系统是由三个元素构成的：变形来源、传播途径和保护对象。基坑开挖卸载引起围护结构向基坑内的变形，围护结构的变形引起其后面的土体位移以填充由于围护结构变形而出现的土体损失，并逐渐向离基坑更远处的土体传递，在一定时间内传递到地面和建筑物处引起地面以及建筑物的沉降。基坑开挖引起的岩土环境问题可以用一个直观的流程图来表示，如图1所示。

图1基坑变形系统示意图
      这里将基坑支护结构、土体、坑外重要保护对象三者看成是类似于传染源、传播媒介、传染对象的一个有机系统。基坑周围环境保护的目的就是控制基坑变形的影响，保护基坑周围的重要建构筑物。从这个系统的传播机理可知，切断其中的任何一个环节都能有效地控制变形的发展，从而实现岩土工程环境保护的目的。基坑变形全过程控制理论就是基于对这个变形系统的认识，提出从全方位对基坑变形进行控制，进而最终有效地解决基坑变形。基坑变形全过程控制方法
      根据基坑变形全过程控制理论，上海时空软土工程研究咨询中心开发了多种新型工艺。注浆方法由于其施工简单，，工艺成熟，施工参数易于掌握，能够在各种条件下进行施工，因而在基坑变形保护中得到广泛的应用，但由于应用场合的不同，施工参数也要相应调整。上海软土给施工变形控制带来了许多困难，但只要掌握和应用软土的一些特殊工程特性，也能因势利导地发挥软土自身的变形能力，减少投资，完成建设项目。
3．1基坑变形源头控制方法
3．1．1  时空效应施工法
      深基坑开挖引起围护墙体变形以及基坑底部土体回弹变形是基坑周围土体变形产生的源头，因此控制基坑围护墙变形以及基坑回弹是控制整个超深基坑工程变形的最关键所在。时空效应原理表明施工在基坑变形的源头控制中起着至关重要的作用。
      在软土深基坑的开挖中，适当减小每步开挖土方的空间尺寸、减少每步开挖所暴露的基坑挡墙的无支撑暴露时间，是运用时空效应原理，合理地发挥土体自身的抵抗变形的潜力从而解决软土深基坑稳定和
变形问题的基本对策。在多年工程实践中以此为指导思想，逐步形成完善了墓坑工程的时空效应施工法。该工法的主要特点是：根据基坑工程设计斯选定的主要施工参数，按基坑规模、几何尺寸、支撑形式、开挖深度和地基加固条件，提出详细的可操作的开挖与支撑的施工程序及施工参数。开挖与支撑的施工工序基本是按分层、分步、对称、平衡的原则而制定的，最主要的施工参数是分层开挖的层数、每层开挖深度，以及每层开挖中基坑挡墙被动区土体开挖后，挡墙未支撑前的暴露时间和暴露的宽度及高度。在长条形地铁车站深基坑中，基坑开挖和支撑的施工技术要点是：按一定长度分段开挖和浇注结构，在每段开挖中再分层、每层分小段地开挖和支撑，随挖随撑，施加支撑预应力，完成每小段的开挖和支撑的施工时间限制在一定范围之内。
      理论与实践均表明随着基坑挖深的增加，基坑周围土体塑性区的发展，基坑变形速率也会相应增加。因此对于深基坑工程随着开挖深度的增加应适当减小每步开挖土方的空间尺寸、减少每步开挖所暴露的基坑挡墙的无支撑暴露时间，严格按照时空效应原理组织施工，切忌超挖、长时间搁置情况的发生。
3．1．2基坑内地基加固
      多年的工程实践表明基坑内地加固比基坑外加固要经济有效，因此现在基坑加固基本上采用坑内被动区加固的方式对基坑变形进行控制，常用的方法有坑内降水、注浆、搅拌桩和旋喷法等(如图1)。加固方法和加固量是根据工程经验和变形控制要求确定的，到目前为此还没有从设计上解决基坑加固的定量设计问题。根据上海地铁车站十余年的设计施工经验，降水和注浆方法多用在二级环境保护要

图2  被动加固方法
求的基坑中，能够达到变形控制要求，而搅拌桩和旋喷法由于相对昂贵，大多用在一级保护的基坑中。
3．1．3  被动区压力注浆
      被动区压力注浆(如图3)，是指当基坑及其周围环境变形或变形速率达到或超过警戒值时，在基坑被动区距挡墙较近的区域内，实施一次或多次双液(水玻璃溶液和水泥浆的混合液)分层注浆，利用注浆时的挤压效应，控制本层开挖支撑结束到下层开挖这段时间内基坑挡墙的流变位移。该方法的关键是注浆对挡墙的压力作用。在具体实施时要不断地根据挡墙的反映调整注浆方案，不能出现因压力过大而导致挡墙局部曲率过大破坏。反映在设计中就是单位深度的注入量，太大太小都不能达到预期效果，最好在施工之前，用较小的注浆量做现场试验，通过监测数据反馈分析优化参数。注浆孔的位置距离一般在1．5-2．0m之间，上海软土中注浆压力—般为0．3-0．5MPa。由于注浆后挡墙发生位移，要注意注浆后的支撑轴力复加以保证注浆效果。

3．2基坑变形传递过程控制方法

图3  被动区压力注浆
3．2．1  隔断法
      隔断法就是在已有构筑物附近进行地下工程施工时，为避免或减少土体位移与沉降对构筑物的影响，而在构筑物与施工面之间设置隔断墙体予以保护的方法。隔断墙体可以用钢板桩、地下连续墙、树根桩、深层搅拌桩、注浆加固等构成。墙体主要承受施工引起的侧向土压力和地基差异沉降所产生的负摩擦力，亦可用以隔断地下水降落曲线，见图4。此类方法本质上是基坑围护结构的外延和补充，在某些特殊情况下，可以在基坑围护墙和隔断墙之间进行点状注浆，利用注浆压力和浆液对土体的加固作用增强隔断墙屏蔽侧向压力以及抵抗变形的能力。这种传统的方法对于保护基坑周围的建筑物技术是有效的，但是往往工程造价大，而且延长了施工周期。为此上海地铁总公司与上海时空软土工程研究咨询中心合作提出了地下墙后循踪补偿注浆法。
3．2．2循迹补偿注浆
      地下墙后循踪补偿注浆就是利用围护结构变形和建筑物位置处相应变形的时间差，在基坑变形传递到建筑物之前将由于围护结构的变形造成的土体损失通过注浆补充进去，从而有效地减小周围地层位移，达到保护地铁车站深基坑近旁建筑物的目的。该方法的关键是填充由于挡墙向基坑内位移而产生的地层损失，切断变形的传播途径，因此注浆的时机选择是相当关键的。如果注浆太迟则已经不能达到阻止变形传播的目的，太早则会加大挡墙的变形而适得其反。一般注浆在支撑架好的几个小时后进行。注浆深度的设计要根据支撑的位置确定，应当在对应支撑的上面和上一道支撑的下面。注浆压力一般取0．1-0．2mpa，注浆量要根据基坑围护结构变形引起的土体损失确定，并考虑到浆液向周围的渗透和土体压密造成的体积
减少量。

3．3  保护目标变形控制方法
3．3．1  水平注浆
      水平注浆法是为了控制地铁隧道、建筑物和地下管线等由于临近深基坑施工影响所产生的沉降变形而采取的一种新的注浆工艺。该方法是将注浆管从侧向打入地铁隧道等的下
部，注入浆液对隧道等下部的土体形成挤压，达到使隧道抬升的目的；同时浆液凝固可以起到加固地基，减少工后沉降的效果。该方法的目的是通过注浆使得保护对象在基坑施工
期间能够正常工作。这就是要求维持保护对象的变形在许可范围内，因此要求在基坑施工期内不问断地测量保护对象的变形，一旦出现危险就开始注浆，注浆施工期间持续监视保护对象，达到要求即可停止注浆。这种方法一般要重复多次注浆，直到施工完成为止。由于单次注浆使得隧道隆起较大时，后期会产生较大的沉降，甚至超过前期抬升量，所以要

图6  水平注浆
      通过每次注少量浆液，分多次将浆液注入隧道下方，每次隧道变形都比较小，但总的效果是使隧道抬升。其理论依据在于，控制单点注浆量，将每次注浆限制在挤密扩展阶段，以使土体产生的超孔隙水压力不至于造成土体破坏而能托抬隧道，随后孔隙水压力消散，隧道下沉较小，保证水平注浆效果。
3．3．2纠偏方法
      建筑纠偏方法常用的是钻孔解除应力法，就是在建筑物沉降较小一侧通过钻孔取土的方法人为诱导该侧沉降量加大。这种方法简便快速，调整量大，但钻孔只能布设在房屋周围，难以对基础中部基础产生显著影响，故均匀性差，易引起不必要的次应力，且由于变形速率大而不易控制。针对这种情况，结合上
海地层特点，上海时空软土工程研究咨询中心开发了井点降水纠偏法，并在上海地铁二号线石门路车站旁的中央公寓保护中得到了成功应用。利用降水引起地层沉降的作用，在已经发生偏斜的建筑物沉降较小的一侧布设降水孔，诱导该侧土体产生沉降，从而达到调节建筑物整体的不均匀沉降。在石门路车站深基坑施工保护邻近中央公寓的工程中，这次科研尝试表明，在低渗透性土层中采用降水纠偏法调整建筑物差异沉降是可行的，而且在地面荷载较大的情况下，停止抽水后地基土层基本上不发生回弹。降水所引起土体的沉降与水头降落值成正比，若水头的降深用米、沉降的单位用毫米，则比例系数大致为土体压缩模量倒数的6．9倍左右。
4  结束语
      全过程变形控制理论符合软土基坑工程变形特点，在此基础上开发的各种变形控制方法能在基坑位移场传递的各个阶段对变形起到控制作用，使得工程在安全可控状态下完成。特定环境中，组合使用这些方法能得比单一方法更有效的结果，同时也能节省费用保证工程质量。

参考文献
【1】刘建航，侯学渊．基坑工程手册。北京：中国建筑工业出版社，1997