基于城市复杂环境的深厚淤泥质土层深基坑开挖与变形控制综合研究
基于城市复杂环境的深厚淤泥质土层深基坑开挖与变形控制综合研究
随着城市化进程的不断推进和城市环境的日益复杂，城市地下空间的开发利用变得日益重要。在这一过程中，深基坑工程作为地下空间开发的基础性工程，其重要性愈加凸显。然而，深基坑工程在深厚淤泥质土层中的实施由于土层本身的低承载力、高压缩性和低渗透性，面临着一系列显著的挑战。尤其是在建筑密集、地下设施繁多以及水文地质条件复杂的区域，这些土层特性对基坑开挖过程中土体变形控制提出了更高的要求。
为了有效应对这些挑战，本研究以城市复杂环境为背景，系统地探讨了深厚淤泥质土层基坑开挖中的变形控制策略及关键技术。
淤泥质土典型特征
总体特征
淤泥质土具体以下工程特性：高压缩性、低剪切强度、高含水量、低透水性、易沉降；
(1) 深厚淤泥质土层通常含有高水分含量，使得土壤具有低剪切强度和较高的压缩性，这易导致基坑开挖过程中出现土体变形、侧向移动及坍塌等问题。
(2) 淤泥质土层的粒径分布细，透水性差，基坑开挖过程中，排水难度较大，会导致基坑内水压显著增加，需特别注重排水和降水措施。
(3) 由于这种土层的固结程度较低，施工中易引发沉降及固结不均，对周边建筑物和地表设施带来潜在危害。
典型案例淤泥质土分布特性
(1) 某地铁车站
站址地貌单元属古秦淮河冲积平原，地形较平坦。基坑开挖范围内存在13~20 m的②-2b4层淤泥质粉质粘土层，灰色，流塑，含水量高，孔隙比大，高压缩性，具中灵敏度，为无机土，属第四系全新统淤积，开挖易产生涌土，具有水平沉积层理等特性，属中等灵敏土。富水性差，透水性差。基坑地下二层底板位于②-2b4流塑淤泥质粉质粘土层中，地下三层底板大部分位于②-3b2-3软–可塑粉质粘土，部分底板位于③-1b1-2可–硬塑粉质粘土层内。详见图1所示。
图1.某地铁车站地质剖面图(单位：m)
(2) 某隧道明挖段工程
勘察区属冲海积平原区和江河流域地貌区，上覆第四纪地层厚度较大，其中主要为全新统海陆交互相沉积物(Q4mc)：淤泥②-1、淤泥质粉质黏土②-2、淤泥质粉质黏土②-2-1、分布较厚，其中淤泥②-1：褐灰、灰黑色，含有机质及少量贝壳碎屑，具臭味，局部夹少量细砂，呈饱和、流塑状态。层厚2.503.50米。淤泥质粉质黏土②-2：灰黑色，含有机质及少量贝壳碎屑，夹约20%40%粉砂，局部与粉砂互层，含砂量较大，富集贝壳碎片，呈饱和、流塑–软塑状态。层厚1.3026.00 m。淤泥质粉质黏土②-2-1：浅灰、深灰色，含有机质及少量贝壳碎屑，质一般较纯，局部含中砂，带腐臭味，呈饱和、流塑–软塑状态，层厚4.5023.00 m。
根据原位测试及室内土工试验结果，该场地软土层的主要特征是：天然含水量高，孔隙比大，压缩性高，强度低，渗透系数小，未完成自重固结，易产生不均匀沉降。详见图2所示。
图2.某隧道明挖段地质剖面图(单位：m)
淤泥质土层基坑变形控制措施
某地铁车站淤泥质地层控制措施
车站北侧为汇金九龙临街商铺混凝土2-5；紫云瑞华商业楼混凝土6；南侧为苏果超市混凝土4-5；优尚天地综合楼混凝土2-3；车站西侧为二冲沟，浆砌片石护坡；诚信大道桥，钢筋混凝土桥面(南桥拆除)。详见图3所示。
图3.某地铁站周边环境图
一期地下三层段基坑采用1000 mm厚的地下连续墙，外挂地下二层段基坑(局部联络线)采用800 mm厚地下连续墙。基坑开挖至地下二层期间内支撑采用3道砼桁架支撑结构；基坑自地下二层至车站主体三层坑中坑采用φ1000@1200 mm钻孔灌注桩 + 旋喷桩止水帷幕支护，内支撑采用两道钢支撑。
二期地下三层段基坑采用1000 mm厚的地下连续墙，外挂地下二层风道段基坑采用800 mm厚地下连续墙。基坑开挖至地下二层内支撑采用3道砼支撑桁架；基坑自地下二层至车站主体三层坑中坑采用φ1000@1200 mm钻孔灌注桩 + 旋喷桩止水帷幕支护。
一、二期基坑第二、三道砼支撑下采用φ850@600 mm三轴搅拌桩对地连墙坑内3.25 m范围进行裙边加固，加固深度自第二道砼支撑底至第三道支撑中心线下3.5 m。
基坑开挖范围内所涉及到的淤泥质粉质粘土层深度较厚，且分布范围很广，容易产生“残留水”“夹层水”。淤泥质粉质粘土含水量高，但渗透性较差，需要较长的疏干降水时间，通过辅助轻型井点进行降水。详见图4、图5所示。
图4.基坑边桁架 + 内支撑平面布置方案
图5.基坑边桁架 + 内支撑Ⅰ号坑剖面
某隧道明挖段淤泥质地层控制措施
隧道明挖段周边场地较为空旷，基坑周边主要为农田和现状道路。敞开段南侧存在两处建筑物，分别为边防中队和加油站。该段基坑长约117.5 m，宽约37.21 m39.37 m，基坑深约16.61 m26.56 m，基底位于②-2淤泥质粉质黏土层、②-2-1层淤泥质粉质黏土层中。
基坑深度26.56 m段，采用1200 mm厚地下连续墙，3道砼支撑 + 4道钢支撑；基坑深度22.920.0 mm段，采用1000厚地下连续墙，2道砼支撑 + 4道钢支撑，基坑深度20.016.6 mm，1道砼支撑 + 3-4道钢支撑。
为防止坑底隆起、踢脚破坏，减少围护结构位移，增强坑底土体的地基承载力，需对基底进行加固。地基加固主要采用三轴搅拌桩或高压旋喷桩，加固型式为裙边 + 抽条。裙边加固宽度35 m，抽条加固宽度35 m，抽条净距8 m，加固深度为坑底以下3~5 m。
结合长条形基坑特征，基坑横向布置2口疏干井，按基坑宽度不同根据单井疏干面积确定疏干井纵向间距为15 m。详见图6所示。
图6.某隧道明挖段基坑横剖面图
淤泥质土层基坑现场实施情况分析
某地铁车站淤泥质地层基坑变形控制情况
该项目最大变形位于I号坑，监测工作从2020年9月28日(土方开挖)起，2021年9月14日底板浇筑完成，历史11.5个月，由于现场出土难度大，开挖过程中，基坑暴露时间过长，因此基坑累计变形较大。
最大水平位移位于西侧基坑边线中点处，最大变形值73.3 mm，该基坑开挖过程中，从1月3日至5月15日基坑开挖至9 m、从5月31日至6月30日基坑开挖至11.4 m、从7月15日至9月13日基坑开挖至16.7 m后基坑未进行土方开挖，该段时间内，深层水平位移累计值26 mm、19.4 mm、13.7 mm，从而导致基坑变形累计值变大。
从1月3日至9月13日，最大日变形速率1.8 mm/d，平均变化速率1.05 mm/d，若不受出土条件限制，正常工期约3个月左右，围护正常水平位移变形量可控制在40 mm左右。
通过上述数据，显然实际施工过程中的开挖速率与工期约定差距较大。在1月3日至9月13日期间，经历了多个停工以及非连续的开挖阶段，导致土体应力释放不均匀，累计变形量达到73.3 mm。
基坑采用地连墙支护刚度大、混凝土支撑长期稳定性好，支撑位于淤泥质地层中，支撑底部的裙边加固，使得支撑未达到强度之前，可有效提高变形控制效率，以上措施，在满足基坑正常开挖条件下，基坑变形可得到有效控制。
但由于多次停工和较长的施工间歇时间会导致土体在多个阶段发生应力重分布，从而增加累计变形量。相反，缩短施工周期、减少停工时间，能够使基坑变形更加可控，显著降低土体的累积变形值。快速开挖和支护施工能减少开挖引起的土体应力重新分布及长期蠕变效应，降低不均匀沉降和侧向位移。
某隧道明挖段淤泥质地层基坑变形控制情况
该项目至2021年11月1日开挖，2022年1月6日完成底板浇筑，历时2个月，出土效率较高，但期间深层水平位移累计值169.3 mm，其基坑最大深层水平位移如图7所示；
对比计算结果，基坑最大水平位移36.2 mm。基坑计算最大深层水平位移如下图8所示；
图7.某隧道明挖段基坑实际最大深层水平位移
图8.某隧道明挖段基坑计算最大深层水平位移
基坑底板位于淤泥质地层。基于基坑最大深层水平位移的变形规律和设计理论工况分析，通常最大水平位移发生在最后一道支撑处，即基坑底以上。然而，本基坑的最大变形值出现在坑底以下3~4米处，即②-2淤泥质粉质黏土层和②-2-1淤泥质粉质黏土层的分界位置。由于②-2淤泥质粉质黏土层具备高压缩性、低剪切强度和高含水量等特性，这层土基本无法在基底形成有效的约束力。尽管设计中考虑了坑内裙边加固，但由于实际实施效果不佳，被动区无法提供有效抗力，最终导致基坑实际变形超出了设计预计值。
尽管基坑出现了超限变形的情况，但由于设计过程中充分考虑了深厚淤泥质地层的特性，设计了两道混凝土支撑。在实际土方开挖过程中，施工方加强了对基坑的抗变形措施，确保了基坑的安全，尽管变形较大，却成功保障了基坑的整体稳定性。
结论与讨论
本研究通过对淤泥质地层的工程特性深入分析，结合实际工程案例，研究了软土地区复杂环境下实施的不同支护变形控制措施，得出了以下主要结论：
城市深厚淤泥质土层在基坑开挖中的特殊地质条件，对变形控制提出了特殊要求。支撑结构下方实施适当加固、提高出土效率以及结合疏干井和轻型井点降水系统，可以显著控制基坑变形。
通过地铁车站深基坑工程和隧道明挖段深基坑工程的实际案例验证，所提出的技术方案在实际工程中表现出良好的可行性和有效性。这些措施为今后类似工程提供了宝贵的参考与指导，既为工程技术人员提供了实践经验，也为科学研究提供了重要的数据支撑。
最大变形出现在I号坑，主要原因是现场出土困难和长时间暴露，导致基坑累计变形较大。缩短施工周期和减少停工时间，对于控制基坑变形至关重要。
尽管基坑累计变形量较大，但地连墙支护和混凝土支撑表现出良好的稳定性。支撑底部的裙边加固在初期有效提高了变形控制效率。
尽管基坑开挖过程中经历了多次停工和较长的间歇，导致土体应力重分布和累计变形增加，但针对淤泥质地层特性的设计及施工措施，仍较好地保障了基坑的整体稳定性。
建议在未来类似工程中，进一步优化出土流程，缩短施工周期，减少停工时间，以实现更加可控的基坑变形管理。快速开挖和支护施工能减少土体应力重新分布及长期蠕变效应，显著降低不均匀沉降和侧向位移，从而提高整个深基坑工程的安全性和稳定性。
综上所述，本研究不仅提供了有效的基坑变形控制措施，还为未来类似工程的实施提供了重要的参考和指导。