软土地区三轴水泥搅拌桩施工环境影响分析
王 伟
（上海建工四建集团有限公司，上海 201103)
三轴水泥搅拌桩常用于软土加固，在地基加固领域得到广泛应用。三轴水泥搅拌桩在施工中的下沉、喷浆等工序，会对周边环境产生挤土效应，引起周边土体位移。尤其是在三轴搅拌桩施工周边存在地铁隧道、历史保护建筑等敏感环境条件下，根据已有的施工经验，会对保护构/建筑物产生一定不利影响[1-4]。因此，在施工前非常有必要评估三轴搅拌桩施工的环境影响，从而调整施工参数，采取措施保护周边环境。
三轴搅拌桩施工的环境影响受地层条件、施工工艺等多因素影响。对环境影响的评估方法，目前有理论、数值计算和现场监测试验等方法[5-6]。但现有理论和数值计算方法都难以准确的模拟反映。现场试验监测则能准确反映该地层条件下，该工艺对周边环境的影响。因此，采用现场试验的方法有着重要施工指导意义。尤其对于类似的土层，这些现场试验监测结果对类似工程有重要的参考指导价值。
以上海某工程为例，该工程周边紧邻地铁隧道，采用了三轴水泥搅拌桩作为地下连续墙的槽壁加固。为了三轴搅拌桩施工减少对地铁隧道的影响，施工前对该地层条件下，进行了三轴搅拌桩施工对周边环境的现场监测试验，并根据试验调整施工参数，最终成功完成对地铁隧道的保护。该工程所在场地含�孝�3 层黏质粉土和⑤1层的黏土，在上海地区土层中非常具有代表性，通过对现场监测数据的分析，为类似软土场地提供工程经验。
上海某高层在建项目地处上海市虹口区，项目临近轨道交通10 号线隧道。项目主基坑在地铁50m 的保护区内，平面上基坑距隧道区间最小净距为13m。
主基坑面积约为2 万m2，为保护地铁隧道，采用分区施工，其中临近地铁侧为B区，普遍挖深为11.5m，A 区普遍开挖深度约24.1m，局部深坑31m。其中A 区的主要围护结构为50m 深1.2m 厚钢筋混凝土地下连续墙和6 道钢筋混凝土内支撑。B 区的主要围护结构为30m 深1.2m 厚钢筋混凝土地下连续墙、首道钢筋混凝土内支撑＋2 道钢支撑形式。为了保障地下连续墙施工时成槽时槽壁土体的稳定，对地连墙两侧进行等深度的槽壁加固，加固方法为?850mm的三轴搅拌桩。
项目主基坑临近轨道交通10 号线隧道，其中地下2 层、5 层基坑边线与区间隧道最小净距分别为13m 和29.6m。基坑边线平行地铁延长距离约160m，本段区间隧道顶覆土厚度约7.5～9.2m，处于②3 层黏质粉土层。具体地铁隧道与基坑位置关系，见图1 和图2。
图1 基坑整体平面图
图2 基坑与隧道关系剖面图
基坑所在场地为软土地区，主要影响的地层为②3 黏质粉土层和⑤1 的黏土层。其中场地内浅部②3 层厚度较大且土质不均埋深约5m 以浅以及埋深约9～11m，以及局部13～15m 土层相对较松散；
⑤1-1 层灰色黏土和⑤1-2 层灰色粉质黏土，软塑状态。
为保障地铁的运行安全，需满足三轴搅拌桩施工对周边土体（6m 处)的挤土影响小于2mm的变形控制要求。由于三轴搅拌桩施工对环境的影响，一般难以准确计算，为保证控制周边土体变形以及确定施工参数，进行现场试桩，并采用深层土体测斜对周边土体位移进行现场监测。
为了更好地反映三轴搅拌桩连续施工的影响，试桩采用“一”字形布设。根据基坑设计的三轴搅拌桩桩型，设置试桩数量为11组，分别为S1～S11，施工顺序为S1，S2...S11。其中S1～S3 试验桩为套打施工。为监测三轴搅拌桩施工对周边环境的影响，对应布置了12 根深层土体测斜管，监测施工造成的土体水平位移。具体的试桩布置位置和测斜管的位置见图3。其中，在试验桩西侧距搅拌桩中心外3m、6m、9m 处共布设7 个深层土体位移监测孔，孔深为50m（对应编号S1～S6)。在试验桩西侧距搅拌桩中心外3m、6m、9m 处共布设5 个深层土体位移监测孔，孔深为30m（对应编号S7～S10)。
图3 试桩及测斜孔布置图
三轴搅拌桩的施工参数：为满足加固单桩水泥掺量不小于20%的要求，试桩水灰比采用1.2和1.5，则推算得浆液比重为1.45 和1.37，预搅喷浆下沉速度：0.3～0.5m/min；
喷浆搅拌提升速度0.5～1m/min。注浆泵单个浆泵流量为180L/min，两台注浆泵流量合计为360L/min。
2020 年4 月24 日测定初始值，自4 月25 日开始正式监测，至2020 年5 月3 日完成，共监测了44 次。图4 给出了S1～S3 成桩前后监测时间内，对应的3 个测斜管的测斜变化曲线。从远近距离来看：3m 处测斜最大值约为32mm，6m 处2.3mm，9m 处2.0mm。可以看出测斜值随距离远去，而逐渐减少。从时间上来看：在成桩期间，周边土体的向外水平位移快速发展，并达到最大值；
在成桩完成后，水平位移有向会收缩的趋势，并最终稳定在一定数值。从深度上来看：中下部的土体水平位移要大于上部。在成桩完成并静置一段时间后，上部②3 黏质粉土层土体向内位移，而下部的⑤1 黏土层向外存在一定位移。
图4 深层土体测斜曲线
从试桩的现场监测结果来看，周边土体的水平位移除了受施工参数影响外，和时间、距离以及土层性质有关。尤其是对于土层性质，黏质粉土层和黏土层对水平变形的反映有明显差别。对于黏质粉土层来说，由于渗透系数大以及粉土松散等原因。一方面施工引起的附加孔压可以很快消散；
另一方面松散粉土在成桩过程中容易向搅拌桩方向位移。因此，②3 黏质粉土层在试桩完成后，水平位移向试桩方向。⑤1 黏土层与松散粉土不同，其渗透系数很小，孔压消散缓慢。因此，在施工中受到的影响较大。但在施工完成后，随着孔压的逐步消散，位移逐渐减少，最终水平位移方向为远离成桩方向。
从监测曲线的比较中，可以发现②3 黏质粉土和⑤1 黏土受三轴搅拌桩施工的影响较大，且表现出较大的区别，尤其是最终的水平变形。②3 黏质粉土层和⑤1 黏土层最终的水平变形方向相反，这需要在设计施工中引起关注。
实际三轴搅拌桩施工后对地铁隧道的影响，根据现场的监测评估实际施工后的变形情况。监测项目包括临近隧道环片的管径变化（即收敛变形)和沉降变形，以及周边土体的深层水平位移。图5 给出了现场监测点的平面布置图。
图5 监测布置平面图
3.1 地铁隧道变形监测
在保护区内槽壁加固的三轴搅拌桩完成时，通过地铁维护方的人工监测数据来判断三轴搅拌桩施工对地铁隧道的影响。图6 给出了紧邻地铁隧道区间的变形曲线。从曲线上可以看出，地铁变形有所增加。其中，隧道上行线沉降变形最大增加1mm 左右，收敛变形最大增加2～3mm。最大值出现位置均在隧道区间离基坑最近处附近。
图6 隧道变形曲线
从隧道环片的变形方向来看，收敛变形增大，说明三轴搅拌桩的施工造成隧道区间的管径增大。这与一般认识的三轴搅拌桩施工引起的挤土效应造成管径缩小不同。结合试桩结果来看，这与隧道所处的②3 黏质粉土层有关，说明密实度低的黏质粉土层在三轴搅拌桩施工后，土体向搅拌桩方向位移，从而造成隧道区间管径的增大。因此，对于密实度低的黏性粉土层和黏土，挤土效应的影响是不同的，需要在施工中引起重视。
3.2 周边土体测斜监测
通过现场布置的靠近地铁侧的测斜管，分析实际现场三轴搅拌桩加固土体后对土体的位移影响。图7 给出了三轴搅拌桩槽壁加固施工前后的土体中测斜变化曲线。
图7 周边土体测斜曲线
从曲线中可以发现，三轴搅拌桩施工完成后，上部土体向坑内方向变形，与地铁隧道的变形方向一致。最大水平位移值为2.0mm，位置在16m 深度上下，深度大约位于地铁隧道环片的底部。需要说明的是，由于现场测斜点并不是在地铁收敛变形的最大位置，说明在地铁变形的最大位置土体水平位移更大。下部土体向坑外方向变形，这与试桩期间的变形规律一致，与⑤1 黏土层的土体特性有关。
通过上述分析，周边土体水平位移和隧道的位移，监测的结果的规律一致，能相互印证。可以认为，地铁保护区内的三轴搅拌桩施工造成地铁隧道2～3mm 左右的收敛变形，以及1mm 左右的沉降变形。
本文基于上海某工程的三轴搅拌桩的施工，通过试桩的现场监测和施工后的现场实际监测数据对比分析，研究了三轴搅拌桩施工在上海地区典型的②3 黏质粉土层和⑤1 黏土层的挤土效应以及对周边隧道的变形影响。得到以下主要结论。
1)通过对三轴搅拌桩试桩的现场监测结果分析，三轴搅拌桩施工引起的挤土效应除了受施工参数影响外，还受时间、距离远近和深度的影响。其中，对于软黏土层有较大影响，但随着时间变化，水平位移恢复较快，最终水平位移方向为远离三轴搅拌桩。对于黏性粉土，由于渗透系数高、密实度低等原因，在施工完成后，会产生远离三轴搅拌桩方向的水平位移。
2)研究了现场实际三轴搅拌桩施工完成后的周边环境影响。发现密实度低的黏质粉土层在三轴搅拌桩施工后，土体向三轴搅拌桩方向位移，从而造成隧道区间管径的增大。因此，对于密实度低的黏性粉土层和黏土，挤土效应的影响是不同的，需要在施工中引起重视。
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