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1、广州地区花岗岩残积土中地铁深基坑开挖的变形分析及对策 摘 要：目前，广州地铁建设正在向广州东部地区延伸，面对广州东部地区广泛分布的花岗岩残积土的特殊性质，如何提前预防风险、科学推进工程的开展一直是大家普遍关注的问题。文章以花岗岩残积土的性质为立足点，通过在花岗岩残积土地层中开挖的某基坑为例，对开挖过程中的风险进行分析，并探讨相应对策以及其合理性。 关键词：深基坑；花岗岩残积土；变形分析 1 花岗岩残积土的成因及工程特性 1.1 花岗岩残积土的成因和分布情况 花岗岩残积土主要为花岗岩和混合花岗岩节理发育，经过物理风化和化学风化后残留在原地的碎屑物。花岗岩的主要成分是石英、长石、云母以及角闪石，质
2、地坚硬，性质均一。但是因长石和云母具有节理，在热胀冷缩过程中，花岗岩表面容易产生裂隙，且因南方气候温润湿暖，雨量充沛，化学风化作用强烈，占花岗岩主要成分的长石在水、空气等的作用下发生水解和酸化，最终风化成土。花岗岩残积土通常表现为砂砾质土、砂质粘性土以及粘性土组成的混合体。 花岗岩广泛分布在福建、广东以及湘、赣一带。在闽、粤地区，花岗岩的出露面积占全国花岗岩总出露面积的30%40%。 1.2 主要工程特性 花岗岩残积土在天然状态下，强度较高，但具有如下特性： 不均匀性：花岗岩残积土的颗粒级配的分布特征表现为“两头大、中间小”，即粗颗粒（粒经大于0.5mm）以及细颗粒（粒径小于0.005mm）的
3、颗粒含量较多，中间颗粒含量较少，由粗粒构成土骨架，粗粒之间主要由游离氧化物包裹以及填充实现联结，孔隙比较大。或来自原岩矿物性质，又具有砂性土的性质。且由于花岗岩中的岩脉抵抗风化的能力具有差异性，导致花岗岩残积土还具有显著各向异性，原生及次生结构面强度显著低于土体的强度。工程性质复杂。 软化性：花岗岩残积土中含有较多的可溶于水的游离氧化物，在土体中起胶结作用。当土体的含水量增加时，这些游离氧化物的溶于水，胶结作用丧失，土体强度随之降低，压缩性相应增大。 崩解性：经崩解试验研究，可知花岗岩残积土只需要在水中浸泡10min左右，就会快速地崩解，并呈散粒状、片状或块状剥落崩解的状态。 2 工程实例分析
4、 2.1 设计概况 广州市轨道交通二十一号线某区间中间风井位于广汕公路北侧，也作为盾构始发井，结构占用公路北侧绿化带、辅道及空地。交通疏解后，围护结构距离公路最近距离为5.2m。 （1）工程地质情况描述。目前提供的工程勘探资料表明，场地工程地质相对复杂，基坑开挖所涉及到的地层从上到下依次为：杂填土层、中粗砂层、粉质粘土层、花岗片麻岩可塑状残积土层、花岗片麻岩硬塑状残积土层、花岗片麻岩岩石全风化带、花岗片麻岩岩石强风化带。 地下水位平均埋深23m，基岩风化裂隙水发育。 （2）施工情况概述。中间风井平均开挖深度约达到20.48m，且基坑下方为花岗岩残积土，中间风井基坑内土方共计4层，从上到下层高依
5、次为4.23m、5.5m、5.75m、5m，基坑第13层土方开挖深度为1m16.6m，土方开挖工况统计详如表1所示。 基坑共计1040平方米，考虑到降水需要，基坑内共设置2口降水井，单口降水井降水范围约为200平方米。基坑共设置4道支撑，其中第1道支撑为混凝土支撑，第2道、第3道以及第4道斜撑为混凝土支撑，直撑为钢支撑。 基坑共设置8个墙体水平位移监测孔、4个土体水平位移监测孔、2个立柱沉降监测孔、10个混凝土支撑轴力监测计、9个钢支撑轴力计，另外还设置有墙顶水平位移监测孔、坑外地下水位监测孔、地面沉降监测孔、管线沉降监测孔、房屋沉降监测孔等，监测点布置如图1所示。 施工过程中，正值当地雨季，
6、施工单位严格按照施工方案执行。 2.2 监测情况及变形规律分析 2.2.1 墙体水平位移。 J05位于基坑东侧中部连续墙上，现以该点为研究对象进行围护结构变形分析。基坑从基坑东侧土方开挖及支撑架设期间，其水平位移变化情况如图2所示。 由上述监测情况，可以看出：（1）在开挖第13层土方的过程中，J05所在的墙体在开挖面位置持续向基坑内位移，连续墙墙顶持续向基坑外位移，并且随着基坑开挖深度增加，地下连续墙在开挖期间变形速率及变化量不断增大。支撑架设之后，墙体变形趋于稳定。墙体测斜变化情况符合连续墙变形规律。（2）在开挖至最后一层土方时，连续墙水平位移监测数据显示连续墙发生整体向基坑外倾斜的情况，且
7、在墙顶变化速率较大。结合支撑轴力的监测情况，第一道轴力以及第二道支撑轴力未明显减小，与此相反，最下面一道支撑轴力明显增大。通过与墙顶位移监测点监测数值进行对比，可判定连续墙出现踢脚变形。（3）基坑进行最后一层土方开挖至垫层浇筑完成期间，连续墙持续发生踢脚形变，且变化速率较大（一般为3mm5mm），至垫层浇筑完成后，连续墙踢脚变形速率逐渐趋于稳定（每天位移小于1mm）。 2.2.2 变形原因分析。根据连续墙变形原理和东侧基坑开挖时的施工情况，对上述墙体的变形情况进行分析，认为连续墙出现上述变形的原因如下：（1）在开挖第1层土至第3层土体的过程中，土体的应力不断释放，但是在支撑未架设之前前，并没有
8、有效的措施为连续墙提供支撑反力，故连续墙不断产生变形。在支撑架设之后，地下连续墙的变形得到了有效控制。（2）中间风井的基坑开挖深度约为21m，地下连续墙插入土体内的深度约为5m5.5m。当基坑开挖至最后一层土方时，受连续的暴雨影响，基坑内有较多的积水，基坑底部的7Z花岗岩强风化全土遇水发生崩解，土体强度迅速降低，导致土体主动土压力大于被动土压力，连续墙发生踢脚变形。（3）开挖时间正好为广州的雨季，受天气影响，最后一层土方开挖未形成24h连续作业，致使垫层无法在短时间内施作，基底长时间暴露。（4）在基坑开挖过程中，基坑内设置的2口降水井在不能满足基坑的降水需要，致使基坑内部分区域降水效果不明显，
9、土方开挖见底后，地下水从基底渗流至开挖面，加速了开挖面土体的崩解。 3 对策 3.1 水的控制 由于水对花岗岩残积土的性能影响很大，所以在花岗岩残积土地层中开挖基坑时，应特别注意对水的控制。 对于地下水，根据地层和地下水的分布情况，提前考虑地下水沿岩层裂隙向上渗入的可能，在开挖过程中采用分层降水、跟踪水位的方法进行。开挖至地下水位标高前的超前抽水时间不少于14天。紧密跟踪水位降低的情况，需保证水位应始终低于各层开挖面12m。 在基坑开挖过程中，基坑内汇水坑应设置在基坑中部、远离地下连续墙的位置。施工过程中，应避免在连续墙的墙角位置积水，防止墙角土体遇水发生崩解软化的情况，以防止连续墙的变形。
10、在开挖至最后一层土方时，除采取井点降水外，还应在基底采用碎石盲沟进行排水，避免基底泡水软化。施工前应该查看近期的天气预报，选择在连续晴天时进行开挖。倘若无法避免时，应该在基底预留1m高土层，等待雨停及坑内明水全部抽除之后，再快速地进行开挖清底，并及时施作接地网、盲沟、浇筑垫层封底。 3.2 及时架设支撑。 在基坑开挖的过程中，土体卸荷，对地下连续墙的变形影响较大。故在基坑开挖过程中，严禁超挖。土方开挖时也应尽量一次开挖到位，并及时架设支撑或施作垫层封底，防止基坑临空面多次搁置，减少基坑无支撑暴露时间。 3.3 加强监测 在基坑开挖以前，应依据规范以及支护结构设计的有关要求，确定基坑监测项目的监
11、控报警值，并测得初始观测值，监测时间间隔应该根据施工进度适当调整。当测得的变形超过报警值或者监测的结果变化速率较大时，应当加密观测次数。当出现事故征兆时，则应当改为连续监测，并根据监测信息的反馈情况及时调整施工的方法。 3.4 提高设计标准 鉴于花岗岩残积土具有遇水易软化等特殊性质，在基坑围护结构设计时应根据具体地质情况，适当加深连续墙的嵌固深度，增加垫层厚度及混凝土标号，必要时在垫层内设置钢筋，增加垫层强度，为连续墙提供支撑，防止墙体进一步变形。 3.5 加固处理 若连续墙发生踢脚变形时，应立即架设临时支撑以稳固墙体，采用墙角注浆加固处理的措施提高连续墙所受被动土压力，保证基坑安全。 3.6
12、 其他 在基坑开挖的过程中，采用井点降水法降低地下水位的同时，往往会导致其周围地区地下水位也随之下降，土体中因失去水而被压密固结，最终导致周围的邻近建筑物发生不均匀沉降。 为了防止上述情况的发生，可对周围建筑物边上预埋穿透砂层的袖阀管，并进行跟踪注浆。但若遇到开挖面上部土体遇水崩解时，宜采用wss双液注浆设备对基底进行注浆加固，或采用在基坑周围增设回灌井的方式控制周围地层的不均匀沉降，将抽出的地下水通过回灌井点持续地再灌入地基土层内。 4 结束语 在文章案例中，面对风险，施工单位积极采取上述应对措施，取得了良好的效果，保证了基坑安全。在花岗岩残积土中开挖基坑时，应充分认识到地层的特殊性质，因地
13、制宜，积极预防，提前部署，密切关注水对基坑安全性的影响，应急措施应科学合理，将工程风险维持在可控的范围内。 参考文献 1吴能森.花岗岩残积土的分类研究J.岩土力学，2006，27（12）：2299-2304. 2李磊.地铁车站深基坑工程的监控量测与数值模拟J.岩石力学与工程学报，2013，32（1）：2684-2691. 3丁勇春.上海软土地区地铁车站深基坑的变形特性J.上海交通大学学报，2008，42（11）：1871-1875. 4梁仕华，周世宗.广州东部地区花岗岩残积土物理力学指标统计分析J.广东工业大学学报，2015，32（1）：29-33. 5吴能森，赵尘.花岗岩残积土的成因分布及工程特性研究J.平顶山工学院学报，2004，13（4）：1-4. 6刘成禹，张维泉.花岗岩残积土中浅埋隧道修建的主要工程问题J.铁道勘察报，2011（3）：31-34. 7李书昌.花岗岩残积层特性对地铁深基坑的影响和应对措施J.科技创新与应用，2013（14）：194-195.
