不同地基加固工艺对周边环境变形影响分析

▍摘 要

摘要：当施工场地周边环境较为复杂时，如邻近既有地铁盾构隧道或浅基础老旧建筑，地基加固对周边环境变形的影响应严格控制。结合现场监测数据和数值分析结果，对渠式切割水泥土地下连续墙（TRD）、全方位高压旋喷桩（MJS）和三轴水泥搅拌桩（SMW）等地基加固工艺对周边环境变形的影响规律进行了分析。3种工艺对周边环境变形的影响均可控制在毫米级，综合考虑其他因素后适用于对应复杂环境条件下的地基加固。研究结果显示周边土体变形随与加固位置的距离增大而变小，并可通过调整施工参数来减小。周边环境变形还与被加固土层性质、加固设备自重和机动性等因素有关。杭州地铁的多项工程已证实TRD和MJS对周边环境变形的影响较小。

关键词：地基加固；土体扰动；复杂环境；施工参数

▍0 引 言‍

随着城市化程度不断加深，岩土工程逐渐由稳定性控制转向变形控制。周边环境复杂时，如邻近既有轨道交通盾构隧道或浅基础老旧建筑，保护对象的变形须控制在毫米级，变形控制要从地基加固开始，地基加固工艺的选择十分重要。目前建筑行业常用的地基加固工艺有渠式切割水泥土地下连续墙（TRD）、全方位高压旋喷桩（MJS）和三轴水泥搅拌桩（SMW）等。地基加固对周边环境变形的影响程度除与自身工艺特点有关外，还与地基土体性质、周边环境特点等因素有关。基于工程需要，本文旨在归纳总结TRD、MJS和SMW这3种地基加固工艺的原理和对周边环境变形的影响程度，并提出减少影响的方法。

▍1 TRD成墙影响分析

TRD是采用锯链式切割箱垂直挖掘，水平推进搅拌，形成无缝连接的等厚度水泥土搅拌连续墙，是富水含砂地层深基坑的优良止水帷幕，近年在邻近地铁深基坑工程应用逐渐增多。

TRD成墙对周边环境的微扰动通过工程实践证实。图1和图2总结了上海3个试成墙的监测数据。上海地区地层相对均匀。成墙工艺均为“三步法”，即先行挖掘、回撤挖掘、成墙搅拌。TA试成墙深度52 m，长度8 m，厚度为800 mm，墙底进入砂质粉土层。TB试成墙深度50 m，长度12 m，厚度为700 mm，墙底进入黏土层不小于3 m。TC试成墙深度为56.73 m，长度为8 m，厚度为700 mm。

图1为TRD试成墙期间邻近地表沉降。施工期间，墙外地表沉降变形较小，属于毫米级。距离墙体越近，地表沉降值越大，且10 m范围内地表沉降变化较快，10 m范围外基本稳定，说明成墙主要影响范围约为10 m。图2为TRD试成墙期间周边土体深层水平位移，（a）、（b）、（c）分别为墙外2 m、4 m和6 m处土体测斜管的监测结果。成墙引起的土体深层水平位移朝向墙体，曲线形态与悬臂支护结构类似，最大值约5 mm。土体深层水平位移随深度增大呈减小趋势，最大值点处于地表以下3 m左右，40 m深度以下的土体基本无扰动。深度相同时，土体水平位移随与墙体水平距离的增大而减小。

相比监测周边土体的位移，对保护对象直接进行变形监测更加可靠。图3显示了杭州地铁1号线盾构隧道在邻近TRD施工完成后的竖向位移。

图3（a）所示的杭州彭埠某项目TRD厚度为700 mm，深度为21.0 m，与盾构隧道水平距离约10.0 m。TRD与盾构隧道和地铁车站的平行长度约200 m。地基土层以砂质粉土和粉砂为主。监测数据显示成墙施工对盾构隧道和地铁车站的影响以沉降为主，沉降量为1～2mm。

图3（b）所示的杭州下沙某项目TRD厚度为700 mm，深度为35.0 m，与盾构隧道水平距离约26.0 m，与盾构隧道的平行长度约120 m。地基土层以砂质粉土和粉砂为主。监测数据显示成墙施工对盾构隧道的影响以沉降为主，靠近基坑的上行线沉降量为1～2 mm，远离基坑的下行线沉降量约1 mm。

TRD成墙对周边环境的影响既与土层性质有关，也与施工工艺有关。为减少对周边环境变形的影响，可采取以下措施：

（1）施工场地应尽量保持平整，遇到较差地质条件时可采取适当方法进行地基加固；（2）施工前，现场应进行试成墙试验来确定合适施工参数；

（3）施工时，不断调整优化施工参数来控制槽段内外土体比重平衡；

（4）切割箱前进挖掘时，挖掘液注入量应控制到最小，可预先回填黏土，使混合泥浆保持高浓度和高黏度状态，以便应对急剧的地层变化；

（5）适当减小挖掘推进速度，做到慢速均匀搅拌，并控制开放长度，以此达到“少量多次”的原则。

▍2 MJS成桩影响分析

MJS采用前置装置和多孔管实现对地内泥浆压力的监测，从而有效控制泥浆压力。传统高压旋喷桩是按位移控制施工过程，喷出的浆液会对周边土体造成一定影响。而MJS按压力控制施工过程，并且保持泥浆持续排出，基本不会对周围土体造成不必要的挤压，工艺原理简单，成桩质量好，对周边环境的影响较小。MJS在地铁工程的地基加固应用较多。

图4所示曲线为采用动态跟踪监测手段获得的MJS成桩期间周边土体深层水平位移，水平位移普遍在5 mm以内，且在土体顶部和深度为12 m左右处较大，在12 m深度以下随着土层深度增加而减小。

MJS成桩对周边土体的影响也可用数值模拟进行分析。当扩孔成桩压力为1.2倍地应力、桩径为1.2 m且桩长为15.0 m时，单根MJS对桩侧地表水平位移的影响属于毫米级，且距桩体越近地表水平位移值越大，距桩体12 m外影响可忽略。地表沉降同样属于毫米级，离桩体越近地表沉降越大，在14 m外地表沉降接近于零。同一位置的地表沉降值略大于水平位移值。扩孔压力越大，桩周土体水平位移越大，以距桩体1 m处为例，扩孔压力为1.2倍地应力对应的地表水平位移为0.78 mm，2.0倍地应力对应的地表水平位移为2.83 mm。

杭州地铁的多个工程实践证明MJS用于盾构隧道侧壁和上方加固时具有扰动微小的优点。为减小拟建5号线隧道下方穿越对已运营1号线盾构隧道的影响，盾构前对1号线隧道两侧进行“L”形MJS加固，如图5所示。MJS的直径为2 800 mm，水泥掺量不小于40%，加固土28 d强度不小于1.0 MPa，与隧道外缘的水平距离仅1.0 m。隧道处于物理力学性质相对较差的淤泥及淤泥质土中。加固完成后隧道变形如图6所示，竖向变形表现为沉降，沉降量约1.5 mm；最大水平位移约0.5 mm；隧道最大水平收敛量约1.0 mm；MJS加固对盾构隧道变形影响微小，为后续下方穿越提供有利条件。

▍3 SMW成桩影响分析

SMW在我国软土地区应用广泛，是以多轴型钻掘搅拌机向一定深度的土体进行钻掘，同时钻头处喷射水泥强化剂与地基土进行反复搅拌，形成一道连续完整的地下墙体。施工时，中间的轴喷射高压空气，用于辅助切割搅拌，旁边两轴注入水泥浆。

图7为苏州某项目SMW成桩后监测到的土体水平位移曲线，水泥搅拌桩直径为850 mm，共涉及9幅，桩长15.0 m。测点1和测点2为布置在不同水泥搅拌桩外0.8 m处的土体测斜管，最大水平位移约5 mm。在桩体外4.8 m处也布置了3根土体测斜管，土体水平变形值为0.2～1.7 mm。成桩时场地布有分层沉降管，桩外4.8 m处最终沉降值为1～2 mm，桩外0.8 m处最终沉降值为4～6mm。

SMW成桩对周边环境的影响主要通过挤土产生。挤土的原因主要有2种，其一为喷浆压力和其他压力共同作用在软土上的附加应力，另一为浆液的注入使得桩体发生体积膨胀，进而使得周围土体受挤压而发生侧移。实践证明可通过控制水灰比、搅拌速度等施工参数效减小SMW成桩对周边土体的扰动。图8所示为依据现场试验资料整理的SMW水灰比和下钻速度对土体深层水平位移的影响规律。钻进速度为0.25 m/min时，水灰比越大，挤土效应越小，周边土体水平位移越小。钻进速度为0.5 m/min时，周边土体水平位移随水灰比的增大而先减小后增大。水灰比相同时，钻进速度较大的桩对周围土体变形值的影响明显更大。

▍4 其他因素

在复杂周边环境选择合适加固工艺时，加固设备的重量、高度、机动性等因素也应综合考虑。TRD和SMW的设备自重都超过100t，产生的地面超载较大，应谨慎用于盾构隧道上方加固。杭州市中心某项目采用SMW对盾构隧道进行门式加固，由于未采取措施分散设备超载，且连续施工，地基加固导致盾构隧道沉降在20 mm以上。相较而言，MJS设备自重轻，行走方便，用于盾构隧道上方加固有优势。但是MJS提升速度较慢，用于大面积加固时施工时间较长。邻近既有建筑进行加固还需考虑设备高度给居民导致的不良心理反应。TRD和MJS采用接杆加长，设备的地面高度保持不变，且小于10 m；而SMW在加固深度大时桩架高度巨大，且高压空气导致水泥浆飞溅，容易产生负面影响。TRD连续性好，但转弯不便，搭接施工困难，用于大面积地基加固需结合其他工艺。‍

▍5 结 论

（1）TRD、MJS和SMW对周边环境变形影响均可控制在毫米级，用于复杂周边环境地基加固时还应综合考虑设备体积、自重、机动性等因素。

（2）不同地基加固方式对周边环境变形影响的规律相似；距离桩体水平距离越大，加固深度越大，周边环境变形越小。

（3）地基加固对周边环境的变形影响可通过优化施工参数来减小，如增加泥浆比重、减少扩孔压力、控制水灰比和钻速等。

（4）杭州地铁的多项工程已证实TRD和MJS对周边环境变形的影响较小。

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