浅析滇池地区泥炭土地质条件下的深基坑支护设计与施工

　　摘要：通过对昆明滇池地区分布较大范围特殊软土(泥炭质土)工程特性的分析，提出在此条件下深基坑支护设计与施工的要点和方法。

　　关键词：软土,泥炭质土,基坑支护

　　1. 滇池地区泥炭质土基本性质

　　1.1滇池地区泥炭质土的形成因素及分布情况

　　滇池是昆明地区的一个断陷湖，位于昆明盆地中。滇池周边所处地区为湖泊、河流等地貌条件形成的河湖相沉积层，在地表以下广泛分布有第四纪湖沼相及河湖沉积层，除粘土、粉质粘土层、夹砂、砾砂或砾石层外，在砂、卵、砾石层间又夹有软弱的粘土、淤泥质粘土或泥炭质土层。

　　滇池地区的泥炭质土层(有机物含量小于60%)是湖滨的水草、芦苇和藻类等微生物，在缺氧的环境中，由于水生植物及微生物的大量腐烂分解等作用，形成的富含碳氢化合物、高含碳量、质地疏松而呈棕褐色或黑色的的软土层。主要分布在滇池北部、东北部的广大湖滨、湖湾与三角洲带，在盘龙江及一些河流的侧旁以及滇池南部的一些地区也有零星分布。其中，湖湾地区的泥炭，厚度大，层位稳定，主要分布在草海、大观楼、马村塘、韩家村、九甲一带，泥炭厚度可达5～8 m。而滨湖相、三角洲相、河流相形成的泥炭，层薄且不稳定。

　　1.2滇池地区泥炭质土的的物理基本物理性质

　　滇池区域泥炭质土层分为浅层泥炭土和浅层泥炭泥炭土。通常与粘土、淤泥土一起出现。但是与粘土、淤泥土比较，具有土质轻、含水量高、孔隙比大、压缩性高、有机质含量高、物理力学指标低的特点。同时这类土还具有蠕变性，是高灵敏度土，经过扰动之后可以像水一样流动。

　　由表可知，昆明泥炭、泥炭质土与一般粘土、有机质土相比有以下特点：

　　(1)孔隙比很大，一般在2～3左右，大的可以达到8以上。

　　(2)含水量高，一般在300%左右，大的可以达到600%。比重较一般粘土、有机质土轻，在1.80g/cm3左右。

　　(3)有机质含量在50%左右，液限和塑限很大，压缩性很高。

　　2.泥炭质土对基坑支护工程的影响

　　根据目前在昆明施工的一些情况以及在当地调查的情况显示，泥炭质土对现有深基坑支护有着相当大的影响：

　　1)位于昆明坝区中部，北侧为昌宏路的某交易中心项目。基坑开挖深度为11.60～12.20m。基坑支护方式采用桩锚支护+侧向帷幕止水。之前勘探不详，地勘单位未勘测到地基中存在的软弱土层，安全储备系数取值偏小，同时未对周边基坑荷载充分估取，采取了常规设计方式与施工方式，支各段支护方式如下：西侧和南侧没有放坡空间，进行桩锚支护，垂直开挖，支护桩采用长螺旋施工，桩长24m，桩间设置五道锚索;北侧和东侧上部放坡，卸载4.0m，下部采用桩锚，桩嵌入坑底以下8.4m，设置三道锚索。帷幕采用单排深层搅拌桩，长13～19m。

　　应用这种方式施工，基坑挖至-7m时，工程南侧出现较大位移和沉降变形，南侧一期C栋位移和沉降均超过100mm以上，同时，北侧也出现较大变形。支护单位立刻停止施工，重新对地质情况进行勘察，勘察结果差别较大。补勘中，地段(南侧)的有机质土场地普遍存在，部分地段层厚7～8m。根据这段土层的物理性质显示，该土层为泥炭质土。设计单位拟采用的加固方案为：一道内支撑+被动区加固。在标高平面上，从北向南作一道水平支撑，并在周边相应位置作一道围囹。支撑范围包括整个基坑平面，东西两侧采用角撑。同时为了增加被动区的抗力，对被动区基坑周边5～10m范围内采用搅拌桩进行地基加固处理，搅拌桩桩身材料为水泥砂浆，加固深度6～11.5m。因为施工锚索设置了混凝土围囹以及粉喷桩施工机械本身施工工艺的限制，加固体与支护桩不能衔接，所以在加固体与支护桩之间施工一排双管高压旋喷桩，以保证加固体与支护桩之间无软弱土层(泥炭质土)。

　　2)位于云南省昆明市西山区，南坝路，海埂路附近的某大型商业中心项目。在这一带也涉及到零星淤泥质土，但是该段地区泥炭质土的物理指标相对之前我们所说的软土有着更好的性质。支护单位是在建筑物较为密集、施工场地受到限制较大的区域内进行基坑开挖，基坑周边有道路、建筑物，基坑开挖深度变化大，从安全、经济和施工工期等因素综合考虑，经施工单位充分分析建议业主选用的总体支护方案为“双排止水桩”(外侧“三管高压旋喷止水桩”，内侧“三轴搅拌止水桩”)+“旋挖支护桩与冲孔支护桩”+“锚杆” +“预应力锚索”+“喷锚”+“冠梁、腰梁”+“坑内设碎石盲沟户集降(集)水井降低地下水位，排除坑内积水”等手段进行综合进行基坑支护。该方案已经通过专家论证且方案正在实施。自方案实施以来，由于软弱土层影响，局部地区出现了塌孔现象，通过监测，基坑变形在预估范围内。为确保桩的施工质量，做好清孔工作的同时，方案优化还需逐步在实践中逐步改进。

　　3)滇池路旅游渡假区项目，在基坑支护中同样涉及到泥炭质土，其空隙比e=1.51～7.99，平均值为5.10，有机质含量平均值为40%，为强泥炭质土，层顶埋深为4.0～8.0m，平均厚度为5.0m，灵敏度为2.6。本工程基坑开挖深度为6.5m，基底至于泥炭质土。该工程最初按经验采用钢筋混凝土悬臂桩与素混凝土桩相结合的挡土止水方案，经过计算设计桩径采用600mm，桩长为16m，收口截面尺寸为600×400mm，施工工艺为长螺旋钻孔灌注桩。在试验段施工开挖4m，不到15秒时间内，桩顶位移过大，缩口梁发生开裂。经过核算，发现土的力学指标安全储备不足，未能预先估测到该泥炭质土的不稳定性。后经再次测算，最终采用坑外打坚向锚杆连接刚性桩方式控制住基坑的变形过大。

　　4)昆明广福路天泽小区，地下存在很大范围的泥炭质土、泥炭，采用常规的方法施工，在居住2年左右的时候，地基突然间沉降，墙壁裂开有2-3mm宽，其中小区14栋下沉150mm左右，而7栋的垂直度变差在0.2mm～3cm之间。这个小区平均楼层数为7层。在勘探之时，发现了这种泥炭质土，由于层数较低，基坑较浅，在当时基坑支护作业时，采用桩锚体系满足了施工要求，未做其他加固处理。然而泥炭质土体的蠕变性对工程使用过程中却造成了相当大的影响。

　　5)北起昆安公路，南至广福路与西华路交叉口的草海隧道，基坑开挖深度为16m。之前对泥炭质土支护不理，未能充分预见该土质的不利因素，在修建过程中出现了较为严重的坍塌事故，后期经过设计院重新进行深化设计，尽可能的排除地质影响，采用基坑垂直支护开挖(钻孔桩+搅拌桩，砼支撑+钢支撑)的形式，以确保泥炭质土的稳定。该隧道于2010年3月，隧道实现通车。但经过不到2年的使用发现，所采取的加固措施并没有完全克服泥炭质土对其结构的影响，靠近广福路地段的草海隧道已经出现了较为明显的开裂。

　　此外，滇池周边，但凡超过3层的建筑，视觉就可以看出其歪斜程度。

　　在以上的一些现状中，不难发现，泥炭质土对结构的影响不仅仅存在于建筑基坑支护过程中。由于该土质蠕变性强，触变性高的特点，即使结构建成，对结构的侵蚀和改变依然不容小视。

　　3. 滇池地区泥炭土地质条件下的典型工程实例

　　3.1工程概况

　　拟在滇池路以北，船舫河以南，云南武警边防总队以东的区域内兴建项目。项目主要功能为公寓式酒店及写字楼。总占地面积为52950.7m2，总建筑面积为179230 m2，其中地上建筑面积为98588 m2，地下室建筑面积为80642m2，建筑物采用灌注桩基础。拟建建筑物分别为商住楼6-8层建筑，结构型式为钢结构，设有二层地下室，埋深约10.80m(第一层地下室底板面标高为-5.70m，第二层地下室面标高为-9.30m，底板及承台厚度1.50m)，考虑到承台开挖和1m厚的换填深度，基坑挖深按11.8m考虑。

　　基坑北东面为住宅小区，工程与住宅小区之间有一条公路，宽约15.0m左右，基坑边距住宅小区建筑物距离约25.0m;基坑南东侧为滇池路，基坑边线距道路边线约40.00m左右，基坑南西侧为云南武警边防总队(建筑物采用桩基础，地下室设置情况不详)，基坑边距该侧建筑物的距离约40.00m左右;基坑北西侧为船房河，距离基坑边35.00m左右，场区地层与之具有良好的水力联系。

　　3.2工程地质条件

　　拟建场地处于昆明滇池盆地边缘，地势较为平坦，场地内除存有软弱土层外,无其它不良地质现象，各地层主要指标如下：

　　3.3水文条件

　　现场测得水位埋深为现有地面以下1.50～2.40m。地下水为第四纪土层中的上层滞水及孔隙水两种类型。上层滞水主要存于人工填土及粘性土层中，孔隙水主要赋存于粉土层中。微具承压性，水量相对较大。地下水主要靠大气降水、生产、生活用水入渗补给。

　　3.4技术分析

　　(1)基坑开挖范围内从地表0.00～10.00m主要由人工填土①、粘土②、泥炭质土③、粉质粘土④、粉土④-1层组成，土层物理性质比较差，属于软弱土层，基坑侧壁土体为泥炭质土③，天然重力密度最小为12.5 kN/m。富含腐烂的有机物，夹层厚度6.60～8.20m,整个场地均有分布。呈软塑状态，属高压缩性土及欠固结土。层位相对稳定，层位不稳定，强度低, 具高灵敏度，自稳能力极差。

　　(2)物理特征为弱酸性，不与水泥发生物理、化学反应。这样的特性导致水泥搅拌桩中在该层的水泥土状态为不亲和、松散状，从而是该层的水泥土失效，不能止水，影响挡土作用的发挥。

　　(3)泥炭质土含水量大，由于其主要为有机物层，干缩比较严重。

　　3.5支护方案选择

　　在基坑支护设计方案研讨之初，支护单位给出的方案为常规的放坡+连续排桩+喷锚支护的方案，通过分析，得出了以下结论：

　　(1)泥炭质土距地面较近，放坡+锚杆必然会使泥炭土层扰动，天然面密度为1.25g/cm3的泥炭质土，坡面无法稳定，放坡不可行;

　　(2)在6.60～8.20m不等深度的泥炭土层中，由于该土体含水率大，具流塑性，触变性大，沉管灌注桩易移位、偏斜，甚至桩会直接被土体挤压上浮。考虑昆明市当地气候条件，需要采取钻孔灌注桩作为支护桩。同时，基坑侧壁泥炭质土层较厚，在设计时候需对基坑安全储备有充分的考虑，并在坑底标高位置对基坑土层采用多层喷浆加固的措施，提高整个支护体系刚度。

　　(3)水泥搅拌桩在成孔时，泥炭质土的流塑性会引起坍塌孔甚至堵孔现象，此外，泥炭质土不易于水泥发生物理、化学变化，该土层水泥土处于松散状，大大降低了桩的承载能力。出于以上几点原因考虑，在对止水桩设计时，采用置换桩，利用泥浆或水泥粘土浆对孔内的土进行置换，在与周边土体固结后，以达到止水目的。

　　(4)泥炭质土的可塑性大，粘聚力小，与打入的锚杆很难咬合，很难起到护坡挡土的作用。同时，泥炭质土过厚，锚索在改变倾角也无法避开周边泥炭土层。考虑采用内支撑来解决。

　　根据以上特点，该场地布锚条件差，放坡方案不可取，可供选择的方案有：支护桩+多层锚索;支护桩+多层内支撑(环形支撑);地下连续墙+多层内支撑;支护桩+临时支撑(逆作法)。各方案的优劣如下表：

　　通过以上对比可得：从工程造价来看，支护桩优于地下连续墙,环形支撑(或对撑)优于钢管内支撑(逆作法);从施工工期来看，支护桩+钢管内支撑(逆作法)优于支护桩+多层内支撑(圆环支撑或对撑)。

　　3.6 项目施工过程中需注意的问题

　　根据以上分析，在施工中，依然需要注意几点问题：

　　(1)周边环境较为特殊，工程处于一条明河(船房河)和一条暗河中间，水位和工程的地下水位连通，控制好工程降水量是本工程的另一个难点。

　　(2)土体开挖过程中，要避免泥炭土层扰动过大，可以考虑在每层土体开挖后及时对开挖面进行喷射水泥浆保护面层。

　　(3)止水桩施工中，应根据实际情况随时调整水泥浆的配比;在做旋挖支护成孔时，所要埋设钢护筒必要时需贯穿泥炭质土层，避免塌孔甚至堵孔现象。

　　(4)若在支护中采用预制桩，沉桩施工时避免采用捶击或震动的方式，以减少土体蠕动。

　　4.结论

　　由于泥炭质土比其他常见的粘土、粉土、砂土的有机质含量大，具有较大的含水量、可塑性较差、与水的容重差不多，干缩严重。土体具有一定的酸性，故在深基坑支护的设计上，需做慎重考虑和深入探讨，根据以上工程实例，我们可以进行相关分析，为类似工程做参考：

　　(1)深基坑支护设计中需充分考虑地质条件，详细勘探，尤其是对特殊土层基本参数的掌握，一定做到精确，以减少设计及施工风险;

　　(2)泥炭质土地质条件下，应根据实际情况，选用适合的支护方案。在这种特殊地质条件下，支护设计时应加大整个基坑的安全系数和支护桩刚度，特别注意对坑底位置周边土体进行固化处理。

　　(3)在泥炭土层较厚的情况下应尽量避免采用深搅、锚索作为支护方案，多采用高喷、长螺旋、三轴搅拌止水桩等手段来进行土体固化以及止水桩的施工，并考虑设置内支撑来稳定整个支护体系。在泥炭质土层较薄的情况下，可以考虑设置锚索，但是整个锚索锚固段需要避开泥炭土层，同时注浆压力与注浆量需要加大。

　　(4)泥炭质土地质条件下，支护桩设计尽量避免采用沉管灌注桩等容易偏移的做法，可以考虑采用旋挖桩、长螺旋等做法，以保证支护体系安全。

　　(5)泥炭质土开挖过程中必须严格控制每层开挖深度，并对每层开挖的与泥土层表面及时喷射水泥浆封闭，避免土体扰动过大影响支护安全。

　　(6)施工中，需注意随时取土样分析，以便继续对支护方式进行深化设计，选择最适宜的方法完成支护工作。

　　(7)在制定方案的同时，需做好基坑支护的安全应急预案，做好安全交底。

　　在对泥炭质土基坑支护过程中，需加强基坑变形的监测力度，若发现变形超出预计，立刻启用应急加过措施，以防止发生质量安全事故。

　　5.结束语

　　在这些基坑中，泥炭质土或多或少都对基坑支护造成了影响。在昆明，泥炭质土分布范围较广，厚度大，且具有不均匀性和不确定性。在开挖和支护过程中，又会使土体应力状态发生改变，地下水的变化和降雨都可能产生一系列的岩土问题。那么在动态设计，施工过程的检测等信息化施工措施显得尤为重要。一点疏忽，过程中的微小变化都有可能导致失败，造成重大损失。在这种特殊地质条件下，基坑设计施工是一个动态的风险控制工程。为处理安全性和工程投资上寻求平衡点还需要在未来进行深入的研究和探讨。

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