“承压水富水砂层深基坑突涌机理与施工控制技术研究”项目于2015年12月立项，2018年12月完成并通过北京市住房和城乡建设委员会的项目成果鉴定。该项目由北京市政建设集团有限责任公司、北京交通大学承担。该项目成果获中国市政工程协会2018年度“全国市政行业市政工程科学技术奖”一等奖，其成果适用于承压水富水砂层深基坑工程建设。
泰州市永定路西段快速化改造工程第2标段示意图
项目技术研究概况
由于SMW桩具有止水和支护双重作用，因此承压水富水砂层深基坑一般采用SMW桩作为围护结构，但基坑SMW工法通常忽略了“基坑底下SMW桩的水泥土强度可能不满足H型钢之间水泥土局部抗剪要求”，随着开挖深度的不断加深，SMW桩围护结构的内外压力差逐渐增大，在内外压力差作用下，易造成坑外土体可能从H型钢之间流入基坑内，从而导致基坑失稳。
因此，承压水富水砂层深基坑如果采用SMW桩作为围护结构，应充分考虑到“基坑底下SMW桩的水泥土强度可能不满足H型钢之间水泥土局部抗剪要求”，易造成基坑突涌的缺点。在进行SMW桩设计时，应将MW桩插入坑底深度和坑底被动区土体加固措施二者统筹考虑，并对二者进行研究。
该项目基于承压水富水砂层深基坑突涌机理与施工控制技术，首次明确提出了“SMW桩临界嵌固深度”和“坑底土体临界加固深度”的概念，可用于基坑围护结构设计和坑底加固设计。该项目研究成果已成功应用于江苏省泰州市永定路西段快速化改造工程第2标段隧道深基坑工程，经济和社会效益显著，达到了国际先进水平，具有创新性、实用性和适用性，可推广到类似的富水地层深基坑支护施工。
周边建筑环境俯视图
项目主要技术内容
该工程第2标段长约1.5km，其中明挖隧道全长1.04km，基坑围护结构为SMW桩。由于基坑开挖深度较深，逼近承压水层顶板，开挖范围还以富水砂层为主，因此基坑极易出现突涌事故。针对该工程存在的“高水位、承压水、深基坑、砂层”4个突出特点，该项目综合运用渗流场和应力场的流固耦合理论，对基坑SMW桩不同的嵌固深度方案及不同的坑底加固方案进行了分析，在“突涌破坏机理、突涌临界条件、防止坑底突涌的措施”等方面开展了研究，主要包括以下3个方面：
1)承压水富水砂层深基坑SMW桩嵌固深度
①随着围护结构嵌固深度的增加，坑底隆起和围护结构水平位移逐渐减小，提高了基坑稳定性，起到了抗突涌的作用;
②在围护结构嵌固深度6.5m工况下，坑底采取的加固措施对于减小坑底变形和塑性区分布效果显著，随着坑底加固深度的增大，坑底隆起及坑底塑性区分布范围则相应减小;
③当围护结构嵌固深度达到一定数值后，坑底土体是否加固对改善坑底抗隆起的效果并不明显;
④提出“基坑围护结构临界嵌固深度”的概念，基坑SMW桩围护结构临界嵌固深度设定为9.5m，并取消坑底注浆加固。
基坑工程围护结构俯视图
2)深基坑止水帷幕嵌固深度、坑底加固深度及加固方式对基坑抗突涌的影响
①止水帷幕隔断承压水层才能充分发挥其抗突涌效果，为此增加止水帷幕嵌固深度(插入坑底深度)，坑底隆起和塑性区分布会明显减小，有效提高了基坑稳定性，具有明显的抗突涌作用;
②单纯通过增加止水帷幕嵌固深度难以提升基坑抗突涌效果，需要考虑采取坑底加固措施来提高坑底稳定性;
③坑底加固深度超过一定数值后，单纯增加坑底加固深度对减小坑底变形和塑性区分布效果不明显，为此提出“基坑坑底临界加固深度”的概念。
3)型钢拔出后改善地下结构防水性能的方法
基坑内部主体结构施工完成后，水泥土桩体将作为止水帷幕，型钢便可拔出并回收利用。工程实践表明，型钢拔出后的空隙会成为贮水空间和渗水通道，极易导致水泥土桩体局部出现渗水，影响坑内侧墙的防水效果;由于存在型钢插入误差，导致型钢与地下主体结构外侧防水卷材之间的水泥土保护层厚薄不均，在型钢拔出过程中极易损坏防水卷材。为此，提出了一种基坑SMW桩体内型钢拔出后地下结构防水性能的改善方法，有效提高了基坑内主体结构侧墙的防水效果。
基坑工程围护结构近景
项目关键技术及创新点
该项目针对依托工程的突出特点，取得了以下创新成果。
1)基于流固耦合理论，揭示了承压水软土地层SMW桩深基坑变形特征及影响因素;
2)首次明确提出了承压水富水砂层深基坑“SMW桩临界嵌固深度”的概念，并应用于基坑围护结构施工，确定该项目依托工程的深基坑SMW桩临界嵌固深度为9.5m;
3)首次明确提出了承压水富水砂层深基坑“坑底土体临界加固深度”的概念，并应用于基坑坑底加固;
4)创建了一种SMW桩型钢拔出后地下隧道结构防水的方法，有效提高了结构整体防水性能。
SMW桩现场施工图
与国内外同类技术的比较
关于基坑围护桩(支护桩)嵌固深度的研究，检索到的文献报道了：支护桩嵌固深度对基坑稳定性的影响分析、软土地区深窄基坑支护桩嵌固深度优化设计、渗流作用对多支点地下连续墙嵌固深度的影响分析、马来西亚Cochrane车站基坑开挖支护研究、新加坡基钦纳路“城市广场购物中心”基坑开挖围护研究、软土条件下挡土墙围护基坑的主动压力和临界高度研究等内容。对比上述文献，该项目针对基坑SMW桩围护结构的受力特点，提出了承压水富水砂层深基坑SMW桩的临界嵌固深度。
关于坑底加固研究，检索到的文献报道了：不同坑底加固方式对深基坑变形影响的研究、深厚淤泥土基坑工程坑底多孔板加固抗隆起技术、承压水作用下条形基坑坑底整体加固厚度研究、基坑坑底加固方式研究等内容。对比上述文献，该项目将SMW桩嵌固深度和基坑坑底措施统筹考虑，提出了承压水富水砂层深基坑坑底土体临界加固深度。
SMW工法桩现场施工图
项目应用成果与效益
成果应用 永定路西段快速化改造工程第2标段隧道深基坑工程存在开挖深度较深，逼近承压水层顶板，开挖范围以富水砂层为主;施工现场周边为城市道路和重要建筑物，管线密布，环境控制要求较高;基坑不具备降水条件等施工难点。因此，基坑发生突涌和坑底出现大幅度隆起的可能性较大，存在基坑坍塌、人员伤亡等安全隐患。该项目提出的承压水富水砂层深基坑抗突涌控制措施应用效果良好，坑底隆起及围护结构变形均未超过控制值。同时，该项目提出的一整套关于承压水富水砂层深基坑突涌机理与控制技术，确保了基坑围护结构体系的安全和周边环境的安全。
项目效益 该项目产生的经济效益主要由“节省基坑围护结构SMW桩嵌固深度”和“取消标准段基坑坑底加固措施”2部分组成。
1)承压水富水砂层深基坑SMW桩围护结构施工，嵌固深度一般为基坑深度的1.1倍，考虑到该工程基坑坑底不采取加固措施，其嵌固深度一般至少为基坑深度的1.4倍。该工程标准段基坑深度为11.5m，因此围护桩嵌固深度应为16.1m。根据本课题确定的SMW桩嵌固深度为9.5m的研究成果，每根桩的嵌固深度减少了6.6m，基坑共设计1153根桩，合计减少桩长7610m。
2)该工程原设计需要对标准段深基坑采用坑底加固措施，该项目研究成果取消了对标准段基坑坑底加固措施，节省了工期和加固费用。
应用前景 针对富水砂层地质特点，该项目提出的深基坑抗突涌控制措施以及一整套突涌机理与控制技术，有效解决了承压水富水砂层深基坑围护结构安全问题，社会效益显著，，具有很好的推广应用前景。
(北京市政建设集团有限责任公司 供稿)
注：本文刊载于《市政技术》2020年第6期，第1--3页