曹妃甸地區基坑支護降水方案選擇及設計建議

劉來新

(北京愛地地質勘察基礎工程公司，北京 100144)

曹妃甸地區基坑支護降水方案選擇及設計建議

劉來新

(北京愛地地質勘察基礎工程公司，北京 100144)

首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司是一個在曹妃甸島上吹填砂造地形成的場地上新建的大型現代化精品鋼鐵基地。分析了該建筑場地的地質環境情況和常用的基坑支護、降水方法，對該建筑場地上的建(構)筑物的基坑支護、降水設計及方案選擇提出建議。

基坑支護;基坑降水;吹填造地;曹妃甸地區

1 工程概況

首鋼鋼鐵生產能力從2003年起陸續向外搬遷，首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司為首鋼搬遷項目之一，一期工程總用地面積約為1200萬m2，全為吹填區，位于曹妃甸島西北角，擬建現代化鋼鐵精品基地，項目總投資388億元。

現一期場地已經過吹填，吹填厚度4～9 m，高出海平面約5.5 m，場地基本平坦。

根據設計院提出的地質勘測任務書，以基礎形式和基礎埋深為主要特點將建(構)筑物大體上分為6類，詳見表1。

表1 建(構)筑物基礎形式及埋深

2 工程地質條件

2.1 地層巖性

根據初勘及試樁試驗詳勘資料，地層巖性由上而下分為人工吹填土層(Q)、第四紀全新世海相沉積層(Q)和第四紀晚更新世海陸交互沉積層(Q)。

2.2 地下水

場地地下水為海水，地下水的變化幅度受潮汐的影響，變化幅度1.0～2.0 m。水位埋深較淺或接近地表，局部大于1.70 m。

2.3 地層主要指標

場地地層主要物理性質指標見表2。

表2 地層主要物理性質指標

該場地在試樁試驗時選取了4個區，分別用不同的能級(1500～4000 kN·m)進行了強夯試驗，試驗前后地層主要力學指標變化見表3。

表3 強夯前后地層主要力學指標變化

3 設計方案

3.1 基坑支護設計

確定支護結構形式是進行建筑基坑支護設計的重要環節。支護結構類型選擇是否恰當直接關系到基坑支護工程的安全可靠性、技術可行性以及經濟合理性。基坑支護結構形式的選擇通常必須首先考慮以下幾個主要方面:一是基坑開挖深度和范圍;二是基坑周邊場地條件;三是工程與水文地質條件及其隨工程進展而變化的情況;四是地區經驗、設備情況和施工技術水平等。

本工程場區可采用的基坑支護方法有:

(1)放坡開挖。通過控制邊坡坡度和坡高來維持基坑的整體穩定性，具有造價低、施工速度快等特點。適用于基坑周圍場地開闊，鄰近基坑邊無重要建(構)筑物或地下管線的工程。

(2)土釘墻及復合土釘墻。土釘墻技術最大限度的利用了土體自身的強度，將土體加固成為能自穩的重力式擋土墻結構。一般護坡深度可達10多米，當深度更大時需要增加部分預應力錨桿，即形成復合土釘墻。雖然土釘墻技術較以前的護坡方法有較大進步，但仍存在一些局限性。首先土釘的設置是將開挖面處的局部土體和深層穩定土體聯為一體，坡體越高滑裂面之內的不穩定土體越厚，土釘的長度就越大，造成了一些浪費;其次由于土釘護坡不施加預應力，因此水平變形量較大且不易控制;再次土釘護坡深度不能太大，一般不超過12 m;再次由于開挖過程中分步過多，不易與開挖土方配合。

(3)短土釘連續墻。該方法是利用土釘墻技術發明的一種短土釘連續墻，替代鋼筋混凝土連續墻，通過設置預應力錨桿或長土釘，控制基坑變形，達到護坡的目的，節省施工費用，減少開挖分步。其缺點同土釘墻，優點是作用機理明確，護坡深度大，控制變形能力好。

(4)排樁+預應力錨桿或內支撐體系。基坑開挖前在周邊按一定距離和深度設置鋼筋混凝土樁，樁頂之上用混凝土連梁連成整體，根據基坑深度、地層和相鄰建筑荷載情況，可在一定深度設置預應力錨桿或內支撐。其優點是可使施工機械化，速度快，開挖深度大，可垂直開挖，占地小，但場地狹小時施工不便，成本高。

(5)雙排樁體系。通過設置前后間隔一定距離的兩排樁和樁頂的剛性連梁形成一個框架結構，其較單排樁具有剛度大的優點，適合于場地狹小、開挖范圍較大，不宜設置預應力錨桿或內支撐的工程。

(6)水泥土墻或勁性水泥土樁。通過設置格柵狀水泥土樁或旋噴樁形成一道重力式擋土墻。多用于深度不大、地下水位淺的軟土地區，通過插入型鋼形成勁性水泥土樁，支護深度可達10 m以上。

(7)淺埋暗挖工藝。根據基坑開挖斷面尺寸，將鋼格柵分段加工成榀，開挖后，設置鋼格柵，掛網噴射混凝土進行支護。適用于開挖斷面較規則的工程，也可結合預應力錨桿或內支撐形成體系。

(8)沉井、沉箱或地下連續墻。對旋流井等一些地下深埋結構，可采用在地面分節澆注成型，井內挖土下沉，到設計深度后封底形成完整結構。當采用不降水下沉時，應注意上浮問題。

3.2 基坑降水設計

在工程實踐中有許多種控制地下水的方法，但大致可以歸納為3大類:一類是明排法，此法有時又稱集水坑抽水，因為它是將流入挖方內的地下水，通過明溝匯集于集水坑，再用泵將水排出基坑;另一類是預排水法，即在挖方工程開始前，先在一定范圍內集中布置若干個抽水井(點)，形成干擾降水系統，在短期內集中抽水，將水位降低并控制在要求的深度之下;還有一類是堵截法，即通過堵、截、排等手段，將地下水對工程的影響降到最低程度［1］。

本工程場地可采用的基坑降水方法有:

(1)輕型井點降水。輕型井點抽水系真空作用抽水。由真空泵、射流泵或隔膜泵在井點周圍一定范圍形成一個真空區，真空區通過砂井擴展到一定范圍。在真空力的作用下，井點附近的地下水通過砂井，經過過濾器被強制吸入井點系統內抽走，使井點附近的地下水位降低。

(2)管井降水。管井降水方法即利用鉆孔成井，多采用單井單泵(淺水泵或深水泵)抽取地下水。當管井深度＞15 m時，也稱為深井井點降水。管井降水是用于地下水來源比較豐富的地層，具有排水量大和降水深度大以及地面設施簡單的特點。

(3)止水。即由伸入基坑底一定深度的密排水泥土樁或旋噴樁組成的帷幕結構。適用于淤泥、淤泥質土等滲透性小、開挖深度不大的軟土地區，對于降水深度大，可能對相鄰建筑造成不均勻沉降的滲透性較大的地區，可與鋼筋混凝土排樁聯合使用，并采用抽水與回灌相結合的方法。

4 設計建議

4.1 參數選取

考慮降水和強夯的影響，設計參數的選取見表4。

表4 基坑支護降水設計參數建議

4.2 計算案例

一圓形基坑，直徑35 m，深10 m，各土層參數如表4，進行基坑支護及降水設計。

(1)放坡開挖或簡單噴護支護。根據理論計算，當砂土的內摩擦角等于坡角時，邊坡處于極限平衡狀態。土體抗剪強度完全發揮，下滑力等于抗滑力，安全系數為1。此時，放坡坡度為30°～35°，且根據《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007－2002)中有關壓實填土邊坡允許值的條款，10 m左右邊坡允許值為1∶1.5，即34°(此邊坡允許值中已含安全系數)。一般開挖深度超過4～6 m的土質基坑，宜采用分級放坡，在6 m處留2～3 m寬的平臺。

若基礎工程施工周期較長，宜對坡面進行有效覆蓋，可采用在坡面插鋼筋釘，掛鐵絲網噴射砼工藝，并在坡面上插塑料管排水。

(2)土釘墻支護。坡比按1∶0.5～1∶0.6考慮，土釘采用人工洛陽鏟或螺旋鉆機成孔，成孔直徑100～130 mm，下傾角5°～10°，土釘間距1.2～1.5 m，矩形或梅花形布設，土釘桿件上焊對中支架，下入孔后注水泥漿，端部做90°彎鉤與面墻縱橫向加強筋焊接，掛6 mm鋼筋網片，噴射細石砼。若場地條件小，可與其它擋土結構物聯合使用，形成直立邊坡。若邊坡對變形控制較嚴格，根據以往經驗，可在上部增加1～2道預應力錨桿，改被動受力為主動加力，將能有效的控制變形。圖1是典型的土釘墻支護設計剖面圖。

圖1 土釘墻支護設計剖面圖

(3)淺埋暗挖工藝。由于該基坑呈圓形，圍巖有一定的自穩能力，壁上只有切向力，無徑向力。采用鋼格柵噴射砼支護方案，可以利用圓形基坑的特點，充分發揮砼的抗壓性能，避免使用大量的土釘、錨桿，從而降低工程造價。施工時分層開挖土體(每步1.5 m左右)，然后安裝鋼格柵、掛設鋼筋網并噴射砼，當完成護壁擋土結構以后，進行基坑下一步土方開挖。另外，可以設置幾道短土釘，替代鋼格柵來平衡土壓力，將大大減小鋼格柵的設置密度。

(4)對于本工程，由于結構外形規則，也可采用沉井法施工，節省基坑支護費用。但應考慮四周土的不均勻性，防止傾斜及下沉過快過大。

(5)管井降水。考慮在基坑外1.0～1.5 m布設井點，潛水含水層厚22 m，降深10 m，滲透系數5 m/ d，影響半徑60 m，基坑涌水量 2000 m3d，采用600 mm管井，深14 m，共8口，單井出水量300 m3d，下15～20 m3h、揚程15～18 m泵可滿足要求。

5 結論建議

5.1 關于基坑支護

基坑支護將是繼地基處理之后的又一難點。一是國內外尚無類似場地下的案例，二是場地內建(構)筑物眾多，基礎埋深、尺寸大小各異、相對關系復雜，特別是到了工程建設的中后期，基坑開挖往往會受到相鄰基礎的影響。因此，基坑支護設計應注意以下方面。

(1)全局觀。距離過近的相鄰基坑宜同期開挖;深基坑宜較淺基坑先期開挖;考慮支護結構對后期基坑開挖和支護形式的影響;減少反復挖填和重復降排水;避免基坑開挖對相鄰建筑地基的破壞。

(2)局部觀。針對不同的基坑開挖深度、形狀和尺寸、并結合建筑物結構和基礎形式，采取經濟有效的支護形式。

(3)所有涉及土釘和錨桿的結構均受土層與錨固體的摩阻力大小的影響問題，未進行可靠的土釘拉拔試驗，不可采用以土釘墻和錨桿為主要受力結構的支護體系。

(4)基坑側壁主要為土層時，建議采用水泥土墻或土釘墻或兩者的聯合支護體系，必要時采用勁性水泥土樁和設置錨桿。

(5)基坑側壁主要為砂層時，建議采用土釘墻或排樁+錨桿(內支撐)或雙排樁體系護坡。

(6)當基坑較規則且范圍不大卻深度較大時，建議采用淺埋暗挖工藝或與內支撐相結合的方案，當設計有要求時，也可采用沉井或沉箱方案。

5.2 關于基坑降水

(1)止水法和坑內集水坑明排法在本場區的適用性不強。因地下水位高，若基坑開挖深度＞4 m，將有近4 m的動水頭，流沙現象將非常嚴重。但某些地段②層淤泥質粉質粘土厚度較大、③④層砂局部缺失或厚度極小，地表下6～8 m即出現⑤層粉質粘土，采用止水帷幕與基坑支護結構相結合、坑內抽水的方法仍是不錯的選擇。

(2)輕型井點和管井法在該場區有較大的優勢。降水深度在6 m以下的，可采用輕型井點或管井降水;降水深度大時，一般以管井為主，若場地條件允許，亦可采用多級井點法。

5.3 關于強夯

(1)強夯對地基的影響:提高地基承載力，減小變形;消除液化。對于淺基礎，若對地基強度要求不高，強夯不失為一種經濟有效的地基處理方法。

(2)強夯對邊坡的影響:強夯能有效提高吹填砂土和③層松砂的密實度，進而提高邊坡土抗剪強度。

(3)建議對場區吹填砂進行普遍強夯。根據已做的強夯試驗結果，對道路、料場、輕型建筑、淺基礎等天然地基，宜選擇不同能級進行強夯;另外，對于有大面積深埋基礎的地區，宜采用低能級進行滿夯，對擬開挖基坑的周邊應進行高能級的強夯。

5.4 關于試驗

(1)抽水試驗。利用單井及干擾井群進行抽水試驗，評價單井出水量，估算基坑涌水量;計算含水層滲透系數、降水影響半徑;獲取降深數據，為基坑降水設計及施工提供必要的參考數據。

(2)土釘錨桿拉拔試驗。對吹填砂、③層砂、④層砂，選擇有代表性的點，分別進行強夯前和強夯后的試驗，包括成孔試驗、拉拔試驗，綜合評價場地錨桿及土釘墻支護的適宜性。

(3)水泥土樁。對水泥土攪拌樁(包括加筋水泥土攪拌樁)、高壓噴射注漿樁的成樁可能性，與錨桿及土釘墻支護聯合使用的可行性進行評價。

5.5 關于專家論證

曹妃甸工程是一超大型的建設工程，建設前期的場地適宜性、地基方案、基礎方案、基坑支護降水方案論證及試驗工作顯得尤為重要。工程的成敗、投資的大小無不取決于正確的決策，一切試驗工作均應在論證可行的基礎上方可實施。

［1］沈敏子.國外工程降水的新方法及其應用［J］.工程勘察，1995，(3).

［2］趙江紅.強夯法在處理吹填土地基工程中的應用［J］.勘察科學技術，2008，(4).

［3］李強.短土釘連續墻基坑支護法［J］.工程勘察，2007，(6).

［4］譚孟云.濱海地區深基坑支護出現的問題及對策［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(9).

［5］賀啟鑫.大連臨海超大深基坑旋噴樁止水帷幕施工技術［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程).2010，37(12).

［6］劉來新.淺埋暗挖法在首鋼搬遷工程豎井支護中的應用［J］.施工技術，2009，(1).

Selection and the Design Suggestion of Protecting and Dewatering for Foundation Excavation Scheme in Caofeidian

LIU Lai-xin(Beijing Aidi Geotechnical Investigation and Foundation Engineering Company，Beijing 100144，China)

Shougang Jingtan Co.is a large modernization outstanding quality iron and steel base in Caofeidian Island，which was newly built on a ground developed by hydraulic fill sand.Analysis was made on the geological conditions and commonly used methods of foundation pit support and dewatering in construction site;and the suggestions were also put forward to the foundation pit support and dewatering design for the existing buildings in construction site as well as the scheme selection.

foundation pit support;foundation pit dewatering;ground developing by hydraulic fill sand;Caofeidian area

TU473.2

A

1672－7428(2012)03－0044－04

2011－08－18

劉來新(1980－)，男(漢族)，浙江安吉人，北京愛地地質勘察基礎工程公司工程師，巖土工程專業，從事工程勘察、巖土設計與施工工作，北京市石景山區晉元莊路23號，ph99453@163.com。