坑外搅拌桩加固对基坑变形的影响分析

    摘要：在软土基坑施工过程中，由于地铁盾构进出洞以及为了保护基坑周围建筑物等原因，常常会进行坑外加固。坑外加固会提高土体强度，也会对基坑变形产生影响。本文结合上海地铁某车站端头井加固的工程实例，分析了坑外搅拌桩加固对基坑变形造成的不利影响，并在此基础上提出了一些减少坑外加固影响的控制措施，希望对以后的类似工程提供借鉴。

    关键词：搅拌桩加固；挤土效应；基坑位移；施工工艺

    

    引言：

    搅拌桩加固以其布置灵活、加固效果显著的优点，在软土地区地下工程中得到了广泛应用[1].但是其负面影响却一直未引起关注，盾构进出洞区域采用搅拌桩加固，在施工过程中会产生侧向挤土效应，对基坑地下墙围护位移变形有显著影响。尤其当搅拌桩加固与基坑同时施工时，由于施工工艺顺序、施工周期等不合理因素造成的影响则更为明显，甚至会危及基坑安全。因此，协调好盾构进出洞或基坑内部搅拌桩加固施工的工序及流程非常重要，应充分考虑搅拌桩加固施工对车站地下墙围护位移变形的影响，必要时采取更为安全合理的加固施工工艺。

    本文结合实际工程，根据实测数据，着重分析了合理安排施工工艺的重要性。

    1、工程概况

    上海某地铁车站，呈南北走向，为浅埋地下二层双柱岛式车站。主体结构外包尺寸为468.2m×19.20m，站台中心处底板埋深为14.52m.车站两头设有两个端头井（即为盾构工作井），北端头井外包尺寸为14.9m×30.36m，底板埋深为16.989m；南端头井外包尺寸为14.9m×24m，底板埋深为16.058m.围护结构采用800mm厚的地下连续墙，支撑体系采用Φ609钢管支撑，标准段设置四道，端头井设置五道。本车站基坑变形控制保护等级为二级[2]，车站基坑地下连续墙最大水平位移≤3%H（H为基坑深度）。车站基坑工程各土层的分布情况见表1. 

    

                   
          

    在地铁车站盾构进出洞附近，为了保证盾构安全进出洞，往往需要对盾构进出洞附近土体进行加固，常用的方法是搅拌桩加固。车站南北端头井墙外侧为盾构进出洞加固区域，均为搅拌桩加固，平面位置如图1所示，盾构进出洞加固区宽6m，加固深度范围为盾构洞圈上下左右各3m范围。

    2、车站端头井实际施工情况

    本站对测斜、地面沉降、支撑轴力等进行严密的监测控制，并利用远程监控管理系统，实现监测数据的实时采集、传输和分析，结合工况指导施工，确保施工区邻近已有建筑物、地下管线的安全和围护体系自身的稳定，为设计、施工提供依据。本文针对盾构出入洞加固区的变形进行分析。

    车站南端头井由于施工工期紧迫，搅拌桩加固在10月20日开始施工，于11月5日结束，而基坑开挖于10月28日开始施工，11月18日开挖施工结束浇筑砼垫层。这样使端头井在开挖阶段，坑外正在进行盾构进出洞搅拌桩加固，开挖施工与搅拌桩加固有长达一周的施工重叠期。端头井地下墙测点布置图如图1所示。

    3、实测数据分析

    由图2中可以看出，该点变形较大，到垫层浇筑完成后，该测点累计变形已达101.90mm，严重危及基坑安全。在搅拌桩加固开始施工后，基坑开挖之前，地下墙位移已经有较为明显的变化，CX23测点位移最大值已经高达34.39mm，占总变形量的33.7%.由于此时基坑还未开挖，所以基坑变形是由于搅拌桩加固引起的。

    可见，水泥与土搅拌成桩过程中存在侧向挤土效应，即搅拌桩加固施工时有挤土效应，对基坑变形有很明显的影响。

    从基坑开始开挖到搅拌桩施工结束，地下墙变形量为52.77mm，已占总变形量的51.8%，这一阶段地下墙位移骤然变化，日均变化量非常大，已远远超过正常的基坑位移速率。这是由于搅拌桩加固和基坑开挖同时施工长达一个星期。一方面搅拌桩加固有侧向挤土效应，会导致基坑向坑内变形；另一方面基坑开挖卸载，被动区土压力减弱，从而释放了搅拌桩的侧向挤压力，两者共同作用致使基坑变形迅速，造成对基坑变形的不利影响。可见，如果施工工序安排不合理，坑外搅拌桩加固施工和基坑开挖同时进行会对基坑变形造成极为不利的影响，甚至会危及基坑安全。

    搅拌桩施工结束后，基坑位移变化速率有所缓和，基坑变形趋于正常，从搅拌桩加固结束到基坑垫层浇筑完成，地下墙变形只有14.74mm，仅占总变形量的14.5%。这是由于该阶段搅拌桩施工已结束，搅拌桩经过初凝，由此产生的膨胀挤土效应减弱，对基坑围护结构位移影响逐渐消失，该阶段基坑变形基本全部由基坑开挖引起。可见，搅拌桩加固结束后对基坑变形的影响就很小。

    由此可得，南端头井的总位移主要是由搅拌桩加固和基坑开挖两方面导致。在盾构进出洞搅拌桩加固施工时，由于水泥与土搅拌成桩过程中侧向挤土效应比较明显，因此对车站基坑变形影响就很显著。

    图3给出了CX24、CX23测点变形情况的对比。南端头井测点CX23的位移由基坑开挖和搅拌桩加固引起，而测点CX24的位移主要是由车站基坑开挖引起。从图中可以看出，CX24测点的总变形量为32.76mm，占CX23测点总变形量的32.1%。北端头井墙外侧也为盾构进出洞搅拌桩加固，只是北端头井在基坑开挖之前，搅拌桩加固施工已经完成了20d了。可见搅拌桩加固施工完成并达到养护期限后再进行基坑开挖，可以减少对基坑变形的影响。 

              
          
    由此可见，搅拌桩加固对基坑变形的影响很大，特别是在同时施工的情况下其影响尤为明显。南端头井地下墙位移过于偏大，不仅危及基坑安全，而且对今后的内部结构施工带来了困难。因此，考虑到搅拌桩加固时的挤土效应，会对基坑的变形产生影响，所以盾构进出洞加固最好安排在围护结构完成后（达到混凝土养护要求），端头井开挖前完成。

    4、采取的控制措施

    由于坑外搅拌桩加固会对基坑变形产生影响，为了尽可能地减小坑外搅拌桩加固对基坑变形的影响，可以采取如下措施：

    （1）合理安排施工顺序，应将盾构进出洞加固时间安排在车站围护结构完成并达到混凝土养护要求后，而且要在端头井开挖前进行，从而可以避免盾构进出洞搅拌桩加固对基坑变形造成过大的影响。严禁搅拌桩加固施工与基坑开挖同时进行。

    （2）合理规划搅拌桩的施工流程和次序，选择合理的位置允许释放搅拌桩产生的挤压应力，使应力有所释放，减少对基坑变形的影响。

    （3）如果因为工期或其他施工要求，必须进行不合理施工交叉时，应考虑用其他对周边环境影响较小的加固施工方法，例如采用取土置换的SMW工法进行。

    5、结论

    （1）南北端头井搅拌桩加固施工影响比较发现，由于施工工序安排不合理，南端头井地下墙位移过于偏大，不仅危及基坑安全，而且对今后的内部结构施工带来了困难。基坑外侧搅拌桩加固施工时，基坑开挖卸载，释放了搅拌桩的侧向挤压应力，导致地下墙位移变形骤然加大。即使不进行基坑开挖，搅拌桩的侧向挤压力对地下墙的影响也很大，因此应提高重视。

    （2）搅拌桩加固对基坑变形的影响跟施工工序和工期有很大关系。如果施工工期安排不当就会对基坑变形产生不良影响。

    （3）搅拌桩加固施工时，为了减小搅拌桩施工对基坑变形的影响，应将盾构进出洞加固时间安排在围护结构完成并达到砼养护要求后，而且要在端头井开挖前进行。严禁搅拌桩加固施工与基坑开挖同时进行。