膨脹土地鐵車站深基坑樁間土失穩特征研究

吉力此且 李江峰 路軍富 鄧永剛 陳 龍

（1.四川開放大學，四川 成都 610073；2.中鐵十二局集團第四工程有限公司，陜西 西安 710024；3.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059）

0 引言

膨脹土是自然地質形成的含有親水性較強的黏土礦物的高塑性黏土，具有超固結性、多裂隙、遇水膨脹、失水收縮等特性。膨脹土廣泛分布于我國四川、云南、廣西等20 多個省，成都地區主要分布在東部。近年來隨著成都市軌道交通線路規劃快速成網以及東部新區的加快建設，如2 號線、4 號線、7 號線、8 號線、9 號線、17 號線、18號線、30 號線等都經過或到達膨脹土區域。軌道交通線路穿越膨脹土區域時不可避免地要設置地下車站，因此就需要地下車站深基坑開挖支護。

據調查，成都東部深基坑開挖采用排樁支護工程中，由于地層開挖后，支護樁暴露，地層失水，支護樁樁間土擠出破壞，擠出的土極易造成深基坑中施工的人員傷亡、設備破壞等安全事故，若不能準確掌握膨脹土地鐵車站深基坑支護樁樁間土失穩特征，并及時進行加固防護，則樁間土可能坍塌造成安全事故，從而嚴重影響工程整體的質量和進度。

1 樁間土失穩特征調查與實測分析1.1 現場調查

1.1.1 工程設計及施工

該文研究的成都軌道交通17 號線二期東延線地下車站基坑深度18～30m，基坑保護等級為一級，采用圍護樁+內支撐的支護方案。圍護結構采用Φ1200mm 旋挖樁，間距2000mm，在盾構井盾構出口洞門處采用Φ1500@1800mm玻璃纖維筋旋挖樁。車站豎向設置三道支撐，均采用Φ609mm（t=16mm）和Φ800mm（t=16mm）的鋼管支撐，800mm 鋼支撐僅用于盾構擴大端?；拥滓韵戮鶠?5-1-3>中風化泥巖，圍護樁插入深度不小于設計要求。圍護樁按“跳一鉆一”進行施工。采用旋挖鉆機鉆孔，現場灌注混凝土?；硬扇　胺謱?、分段、抽槽開挖、留土護壁，及時支撐，減少無支撐暴露時間”等方式開挖，橫向先挖中間土體，后開挖兩側土體，嚴禁超挖?；娱_挖至支撐設計標高以下0.5m 時停止開挖，安裝鋼圍檁及鋼支撐，并按設計要求施加預應力?；娱_挖過程中，加強支撐軸力監測對獲取的數據及時分析處理，并根據監測結果及時采取必要的措施，同時及時澆筑150mm 厚混凝土墊層封閉基底。

1.1.2 樁間土失穩調查

2020 年10 月至2021 年10 月，課題組調查了成都地鐵17 號線二期東延線深基坑支護樁樁間土失穩情況，所調查的6 個地鐵車站深基坑工程在施工中都發生了樁間土塌落，由于采取了預警措施，因此沒造成人員傷亡或設備損傷。

圖1 為2021 年4 月12 日某車站19-20 軸右線側壁坍塌，坍塌高度為第三道鋼支撐下兩相鄰圍護樁的樁間土。坍塌時該段底板已澆筑完成，當日天氣為多云轉小雨。

地層位于第一道支撐至第二道支撐間，<5-1-2>強風化泥巖厚3.7m。該段開挖時間為2021 年1 月4 日-2021 年4月1 日，開挖揭露地層與地勘資料基本相符。

據查閱現場相應位置的監測數據，測斜數據發現基本處于穩定狀態，橫向支撐軸力數據也基本平穩。

圖1 某車站19-20 軸右線側壁坍塌圖

圖2 為5 月27 日位于某車站29-31 軸左線側壁坍塌，坍塌高度為第一道支撐至第二道支撐之間五根相鄰圍護樁的樁間土。坍塌時該段底板已澆筑完成，當日天氣為多云轉小雨。

地層位于第一道支撐至第二道支撐間，<4-1-3>黏土層厚4.8m，<5-1-1>全風化泥巖層厚2.7m。該段開挖時間為2021 年4 月8 日-2021 年4 月12 日，開挖揭露地層與地勘資料基本相符。

據查閱現場相應位置的監測數據，測斜數據發現基本處于穩定狀態，橫向支撐軸力數據也基本平穩。

圖3 為2021 年4 月1 日位于某車站56 軸右線側壁坍塌，坍塌高度為第一道支撐至第二道支撐之間6 根相鄰圍護樁的樁間土。坍塌時該段底板未澆筑完成，當日天氣為小到中雨。

地層位于<4-1-3>黏土層厚度達到第一道支撐下3.2 米處，<5-1-1>全風化泥巖層達到第二道支撐下0.85 米處，該段開挖時間為2021 年1 年20 日-2021 年3 月31 日，開挖揭露地層與地勘資料基本相符。

圖2 某車站29-31 軸左線側壁坍塌圖

圖3 某車站56 軸右線側壁坍塌圖

據查閱現場相應位置的監測數據，測斜數據發現基本處于穩定狀態，橫向支撐軸力數據也基本平穩。

圖4 為2021 年4 月16 日位于某車站48 軸左線側壁坍塌，坍塌高度為第一道支撐至第三道支撐之間2 根相鄰圍護樁的樁間土，該部位在開挖過程中出現多次坍塌。該圖顯示坍塌時該段底板已澆筑完成，當日天氣為小雨。

4 月8 日發現支撐變形嚴重超限后緊急采取了加密支撐措施，并在第一道和第二道支撐間增設一層鋼支撐，4 月16日樁間土擠出坍塌。

地層位于<4-1-3>黏土層厚度達到第二道鋼圍檁下2.7m 處，<5-1-1>全風化泥巖層厚到達第三道鋼圍檁位置，該段開挖時間為2021 年1 月17 日-2021 年3 月23 日，開挖揭露地層與地勘資料基本相符。

根據監測數據顯示該處CX-59 測斜數據達到99.80mm，已遠遠超出控制值；ZL56 監測數據達到2150.98kN 超出控制值1760kN。

圖5 為2021 年4 月18 日垮塌部位位于某車站40 軸左線側壁，垮塌高度為第一道支撐4.5 米范圍4 根樁間土體?？逅鷷r該段正在進行土方開挖工作，尚未開挖至第二道支撐處，當日天氣為小雨。

圖4 某車站48 軸左線側壁坍塌圖

圖5 某車站40 軸左線側壁坍塌圖

地層位于<4-1-3>黏土層厚度達到12.7 米，層底位于第二道鋼圍檁下1.5m 處，該段開挖時間為2021 年3 月27 日-2021 年4 月4 日，開挖揭露地層與地勘資料基本相符。

據查閱現場相應位置的監測數據，測斜數據發現基本處于穩定狀態，橫向支撐軸力數據也基本平穩。

1.2 樁間土坍塌調查結果分析

通過分析上述5 個樁間土坍塌的案例可知，樁間土坍塌地層多數位于<4-1-3>黏土層，少部分處于<5-1-1>全風化泥巖層和<5-1-2>強風化泥巖層。查閱現場監測數據發現，絕大多數樁間土坍塌時，測斜數據基本處于穩定狀態，橫向支撐軸力數據也基本平穩。

從開挖時間上來看，樁間土坍塌部位開挖時間為1-4月，坍塌時的時間主要集中在4-5月。結合膨脹土失水收縮開裂、吸水膨脹等明顯特征，開挖時間段處于成都地區一年中較為干燥的季節，4 月開始成都地區逐漸有稀少春雨，且從調查情況中發現每處樁間土坍塌當日都有小雨，因此進一步驗證膨脹土失水收縮開裂，黏聚力達到極小值，此時由于天氣下雨造成膨脹土短時間內吸水膨脹，內摩擦角增大，加之樁間土體自重短時間內增加較快，引起樁間土下滑力增大，因此造成樁間土坍塌。

2 樁間土失穩特征分析

2.1 樁土相互作用

膨脹土地鐵車站深基坑工程開挖及支護施工中，隨著基坑土方開挖深度不斷增加，支護樁阻礙基坑外側土體向基坑內水平位移，在不同土層土壓力作用下支護樁自身發生變形，此時相鄰支護樁樁體之間的土體由于無支護樁樁體阻擋，因此向水平方向的位移比支護樁背后的土體位移大。隨著基坑開挖深度不斷加大，這種趨勢也隨之進一步發展。由于支護樁橫向水平位移小于樁間土的橫向水平位移，造成樁后一定范圍內的土體不斷擠壓樁體而產生不均勻的土壓力，樁間土靠近樁體一定范圍內的土體橫向位移受到樁體的約束，越靠近樁間土中間受到樁體的約束越小，即樁體兩側位移小，而兩樁中間的土體位移大，因此就會引起樁間土體與樁后土體自身在抗剪強度的作用下于土體內部形成“楔緊”，即在兩樁之間形成了相對穩定的土拱效應，進而導致距離樁體較遠的兩樁中間土體在土壓力作用下發生擠出破壞，兩樁體之間形成拱形破壞面，如圖6 所示。而對于膨脹性土層，由于其具有顯著的失水收縮開裂的特征，因此基坑開挖后樁間土暴露，土中的水分蒸發，含水率降低，造成膨脹土失水收縮，黏聚力和內摩擦角減小，樁間土無樁體約束，現有噴錨支護不能抵擋樁間土自重產生的土壓力而出現坍塌。

圖6 樁間土受力圖

2.2 樁間土失穩特征分析

樁土相互作用形成土拱效應的條件一般包括土體內存在不均勻位移及有作為支撐的拱腳的存在。周勇等提出樁土相互作用接觸域概念，通過實驗室直剪試驗發現，樁土相互作用接觸面破壞時，破壞面沒有發生在樁土接觸面上，而是發生在距離樁土接觸面一定距離的樁土接觸土體中。由此提出樁土接觸面具有一定厚度，并把該厚度定義為過渡區域。結合樁土相互作用機理研究，距離支護樁越近的地方土體黏聚力和內摩擦角均大于距離支護樁較遠的區域。距離支護樁樁身越近的地方土體的位移基本與支護樁保持一致，距離支護樁越遠的地方土體的位移與樁體位移不同，當土體距離支護樁達到一定距離后，土體位移基本不受支護樁位移的影響。因此合理確定不同樁徑的樁間距，對于確?；炷凉嘧稑堕g土的穩定具有重要的作用。

該工程位于成都市東部膨脹土分布區域，經取樣試驗，該區域的膨脹土膨脹率如圖7 所示。

圖7 地鐵17 號線二期威靈站膨脹土膨脹率試驗結果

通過圖7 可知，該區域內膨脹土膨脹力為45%，屬于弱膨脹性土層，因此在分析樁間土失穩時要考慮膨脹土性質的影響。

2.2.1 膨脹土對樁間土失穩特征的影響分析

膨脹土具有遇水膨脹、失水收縮開裂等特性?；炷凉嘧⒅ёo樁樁徑一般為1.2m，樁中心距一般為2.2m，因此樁凈距一般為1m。一般挖機挖斗寬度0.9m 以上，在開挖基坑時只能挖進兩支護樁樁間約1/12 左右，如圖8 所示。目前樁間土支護措施一般采用Φ8mm 鋼筋網片，并將鋼筋網片與支護樁預留好的鋼筋連接，部分地方采用Φ18mm 鋼筋橫向加強并與支護樁預留鋼筋連接，起到一定程度的加固噴射混凝土以后的鋼筋網片共同支護樁間土的作用。但是通過圖1～圖6 可以看出，樁間土坍塌處鋼筋網片直接被拉出破壞，說明施工過程中鋼筋網片或加強鋼筋都沒有與支護樁預留的鋼筋進行牢靠連接，或者由于施工支護樁時的施工偏差，原預留好的鋼筋沒有設置在靠深基坑一側。

圖8 樁間土加固圖

從調查區域深基坑開挖時間跨度上分析，開挖并暴露的持續時間為2021 年12 月至2022 年5 月，時間跨度涵蓋成都地區的冬季、春節，也就是從開始開挖、地層暴露到樁間土坍塌失穩，經過多次的失水和吸水過程，冬季干燥失水，到了春季，成都地區從綿綿細雨到晴朗的反復變化的天氣造成開挖暴露后的膨脹土反復經歷失水收縮開裂到吸水膨脹的過程，導致樁間土體黏聚力和內摩擦角急劇下降，且再次遇到失水收縮開裂時裂紋非常發達。在土拱效應作用線靠深基坑一側土體在自重作用下發生坍塌破壞，從圖1～圖6 可以看出，樁間土坍塌時沿著土拱效應作用線的拱形破壞，幾乎是粉碎性破壞，土體之間經過多次反復失水收縮和吸水膨脹后，黏聚力及內摩擦角幾乎為零。

2.2.2 樁間土穩定性計算推導

通過現場調查情況及上述樁間土失穩分析，針對目前成都東部膨脹土區域修建地下軌道交通車站工程施工中采用的混凝土灌注排樁支護設計的常規情況（即樁徑為1.2m，樁間凈距為1m，鋼筋網片加噴射混凝土支護樁間土）可知，樁間土坍塌的主要原因是樁間膨脹土反復受到失水收縮和吸水膨脹的作用后，土體黏聚力和內摩擦角急劇下降或幾乎降到零，再次遇到降雨天氣時土體自重增加，樁間土鋼筋網片和噴射混凝土被剪切破壞，因此推導出樁間土自重及含水率變化后的自重變化，即可推導出樁間土坍塌破壞時樁間支護結構受到的力，進而可對支護結構的抵抗力提出設計建議。

根據樁間土坍塌失穩現場調查及理論分析，建立樁間土坍塌模型圖，如圖9 所示。

根據建立的模型圖形計算坍塌土體的體積V（近似計算），如式（1）所示。

并由式（2）解得式（3）。

圖9 樁間土計算模型圖

式中：S—樁間坍塌體頂面積，S—樁間坍塌體底面積，a—樁凈距，b—樁外側與樁間土開挖面間距，d—兩相鄰樁中心距，R—樁徑。

樁間坍塌體自重G 的計算如式（4）所示。

式中：a—樁凈距，b—樁外側與樁間土開挖面間距，R—樁徑，H—樁間坍塌體高度，Φ—樁間土體內摩擦角。

下滑力T（又稱滑動力）的計算如式（5）所示。

式中：A—滑動體斜面面積，a—樁凈距，b—樁外側與樁間土開挖面間距，G—樁間坍塌體自重，R—樁徑，Φ—樁間土體內摩擦角，c—樁間土體黏聚力，σ 垂直于樁間土體滑動面的應力。

土坡穩定安全系數K 的計算如式（7）所示。

式中：K—土坡穩定安全系數，M—抗滑力，T—下滑力。

由該模型推導出的計算公式，經過現場實例驗證符合實際情況。

3 結論

該文通過現場調查、實測分析、失穩特征分析、樁間土穩定性計算推導，找到了成都地區膨脹土深基坑施工中混凝土灌注樁樁間土坍塌失穩特征及原因，樁間土坍塌破環線為支護樁與樁間土土拱效應作用線，由于前期受到反復的失水收縮開裂和吸水膨脹的作用，坍塌時樁間土黏聚力達到極小值，內摩擦角達到極大值，樁間土坍塌破壞面幾乎成水平，破壞面土顆粒成粉碎狀。因此，在不可避免的干濕交替季節施工時，一方面要縮短基坑開挖暴露時間，另一方面要加強支護樁樁間土加固措施。