厚填石層大型基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

李吉林，孫 旭

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

1 工程概況

鹽田國際行政辦公大樓場地位于鹽田國際集裝箱碼頭北側(cè)三期工程場地內(nèi)，占地約20000 m2。大樓建筑面積約33292 m2，主樓25層，高度122.7 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架，地下室2層，深10 m，局部14.1 m，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。大樓基坑平面尺寸不小于125.775 m×121.35 m，基坑開挖深度一般不小于8.7 m，局部14.4 m。

大樓樁基與基坑工程技術(shù)要求：在地基工程施工期間，基坑開挖和降水產(chǎn)生的土體位移及沉降不得引起周圍建(構(gòu))筑物、路面和管線的變形和損壞，對此提出預(yù)測和防止對策，且對周邊場地的位移和沉降進(jìn)行監(jiān)測；基坑支護(hù)施工、土方開挖可分為無支護(hù)與有支護(hù)開挖方法；基坑工程要求安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工便利、保證工期，還應(yīng)結(jié)合主體工程設(shè)計(jì)進(jìn)行基坑總體方案設(shè)計(jì)。

2 地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

場地原始地貌為濱海地貌，地勢較低，經(jīng)人工填海處理后地形開闊平坦。

地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為：人工填石層、第四系海相沉積層、第四系海陸交互相沉積層、第四系殘積層，下伏基巖為侏羅系凝灰?guī)r及燕山期侵入的花崗巖。各巖土層特性分述如下：

①人工填石層(Qml)：主要為微風(fēng)化凝灰?guī)r及微風(fēng)化花崗巖的碎塊石組成，填石直徑一般20 cm～80 cm，夾有少量粘性土，填石經(jīng)強(qiáng)夯處理，呈中密～密實(shí)狀態(tài)；

②第四系海相沉積層(Qm)：為灰黑色含有機(jī)質(zhì)粉土，局部以粉砂為主，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)平均擊數(shù)3.8擊。一般厚度0.5 m～6.6 m，層底標(biāo)高-7.17 m～-12.39 m；

③第四系海陸交互相沉積層(Qmc)：主要為黃灰色含砂粉質(zhì)粘土和含粘性土粉細(xì)砂。前者呈飽和、可塑狀態(tài)，后者呈飽和、松散狀態(tài)。該層中均含有砂、礫石、小卵石等，局部含少量有機(jī)質(zhì)。層底標(biāo)高-9.22 m～-14.30 m；

④第四系殘積層(Qel)：由凝灰?guī)r及花崗巖風(fēng)化殘積而成，可塑狀態(tài)，下部呈硬塑狀態(tài)，局部呈全風(fēng)化夾層，層頂標(biāo)高-7.71 m～-14.30 m；

⑤基巖：從上往下依次為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化，層頂埋深16.7 m～38.7 m，層頂標(biāo)高-12.6 m～-34.35 m。

2.2 水文地質(zhì)條件

2.2.1 含水層的分布和特征

地下水位受海水潮汐的影響而漲落。最高地下水位埋深約2.6 m，標(biāo)高約1.6 m；最低地下水位埋深約4.0 m，標(biāo)高約0.2 m。地下水屬孔隙潛水及基巖裂隙水。孔隙潛水與海水聯(lián)系緊密，主要受海水補(bǔ)給；基巖裂隙水主要賦存于強(qiáng)、中風(fēng)化基巖裂隙中，屬微承壓水。

2.2.2 地下水的侵蝕性

地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在長期浸水條件下具有弱腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具中等腐蝕性。

2.3 不良地質(zhì)條件

填石層厚度較大，填石的粒徑較大且經(jīng)強(qiáng)夯處理，對基坑開挖和樁基施工帶來困難；地下水與海水緊密相連，海水補(bǔ)給充分，填石層為強(qiáng)透水層，要保持基坑內(nèi)干燥施工，場地需做好止水和降水措施；花崗巖和凝灰?guī)r的侵入接觸帶巖層破碎，在巖層頂部，有微承壓裂隙水。

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

3.1 方案比選

根據(jù)本工程填石層結(jié)構(gòu)和工程結(jié)構(gòu)特征，初步選擇地下連續(xù)墻方案、排樁方案、放坡開挖加封水帷幕方案進(jìn)行比較：

(1)地下連續(xù)墻支護(hù)方案：結(jié)構(gòu)質(zhì)量和安全性方面是可以保障的，具有整體剛度大、施工噪音小、就地澆筑的地連墻接頭止水效果好等優(yōu)點(diǎn)。但泥漿處理、水下鋼筋混凝土澆筑施工工藝復(fù)雜、造價(jià)高，特別是填石層中成槽較困難，施工設(shè)備多、速度慢，相互干擾大，難以滿足要求。

(2)排樁支護(hù)方案：排樁結(jié)構(gòu)剛度較大、施工工藝和設(shè)備相對簡單、對周邊環(huán)境影響較小。但樁間接頭止水要作好，本工程在填石層成孔較困難，需要較大數(shù)量的沖擊式鉆機(jī)方可滿足工期要求，還存在與樁基施工干擾大，廢漿排放困難等不利因素。

(3)放坡開挖加封水帷幕方案：本工程周邊場地相對開闊，無大型建(構(gòu))筑物，填石層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)φ值較大，有放坡條件，而且放坡開挖施工簡單，相互干擾少，施工速度快，造價(jià)低。

經(jīng)過綜合分析比較，結(jié)合場地條件，本工程基坑支護(hù)采用放坡開挖加封水帷幕方案。

3.2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

充分利用淺層填石的特性和周邊環(huán)境條件，采用放坡開挖形成基坑，同時(shí)為了確?；釉跇痘A(chǔ)施工時(shí)形成干地作業(yè)條件，需在基坑周邊設(shè)置一道封水帷幕墻，相對隔斷基坑內(nèi)外填石層等透水地層的地下水，并在基坑內(nèi)布置一定的降水管井，降低基坑內(nèi)地下水位在其基底2.0 m以下。該工程關(guān)鍵技術(shù)是如何在深厚填石層中形成封水帷幕。根據(jù)以往十多個(gè)特大型基坑堆石體圍堰工程隔水防滲帷幕實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用專用塊石灌漿施工工藝穿過填石體形成可控灌噴樁封水帷幕，灌注膏狀穩(wěn)定漿液，特別適合塊體填石層，不僅施工方便、技術(shù)成熟、造價(jià)低，且施工速度快，干擾少。

(1)基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：基坑平面尺寸上坡開口線125.775 m×121.35 m、下坡腳線106.2 m×99.6 m；基坑開挖深度一般為8.7 m，局部14.4 m；開挖一般放坡1:1.25，斜坡段長度10.875 m，對于因地下管線等影響或局部場地布置窄小地段，在采取噴錨支護(hù)或坡頂削方減載等工程措施后，開挖邊坡坡比變陡為1:1。施工開挖便道坡比1∶10，寬度8.0 m。

(2)封水帷幕設(shè)計(jì)要點(diǎn)：在上坡開口線外3.0 m處，由單個(gè)可控灌噴樁搭接而成整體，樁間距1.0 m，直徑1.2 m。樁在填石層中主要采用灌入膏狀穩(wěn)定漿液形成樁體并用高壓噴射灌漿工藝予以加強(qiáng)，在粉質(zhì)粘土等土層中采用高壓噴射灌漿工藝形成旋噴樁體。樁端控制進(jìn)入至殘積土內(nèi)1.0 m。根據(jù)地層條件，平均樁長為13.7 m(填石層頂部2.5 m可不處理)，其中在填石層中的樁體平均長度約為7.7 m，在土層中的樁體平均長度約為6.0 m。

(3)降水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：為了控制基坑內(nèi)地下水位在施工作業(yè)面2.0 m以下，需要在坑內(nèi)布置一定數(shù)量的降水井。降水井平面間距30 m一個(gè)，共計(jì)16個(gè)。降水井施工可先施工周邊井，封水帷幕作好后，先行降低坑內(nèi)地下水位，以方便開挖，再根據(jù)現(xiàn)場情況逐步施工中間部位降水井。

3.3 可控灌噴樁設(shè)計(jì)

塊石中灌漿工藝在漿體材料選擇上很重要。采用析水率小于5%，有一定塑性屈服強(qiáng)度和塑性粘度的穩(wěn)定漿液的塑性灌漿技術(shù)，適用于有效粒徑d10大于0.5 mm、滲透系數(shù)k大于10～1 cm/s的粗顆粒土，包括灌注大孔隙塊石和碎石層、不均勻土層中的大孔洞等。只需采用1～2種漿液配比，孔內(nèi)循環(huán)，自下而上灌漿；或采用純壓式自上而下灌漿方法，工藝簡單，漿液有較大的塑性屈服強(qiáng)度，在強(qiáng)透水區(qū)達(dá)到一定范圍即停止擴(kuò)散，既可形成完整防滲體，又可以避免漿液過分流失。由于析水率小，省去排除漿液多余水份的灌漿時(shí)間，并且不會(huì)因灌漿后的漿液繼續(xù)析水而留下未充填的孔隙，灌漿質(zhì)量較有保證。形成的結(jié)石體強(qiáng)度高、防滲性好，抗化學(xué)溶蝕能力強(qiáng)。漿液塑性屈服強(qiáng)度大于20 Pa，必須用螺桿泵壓送的塑性漿液、膏狀穩(wěn)定漿液和可控制膠凝時(shí)間的水泥化學(xué)漿液。

3.4 基坑邊坡穩(wěn)定計(jì)算

基坑開挖主要在填石層內(nèi)，對于臨時(shí)開挖邊坡和穩(wěn)定計(jì)算可采用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算。

(1)計(jì)算公式為：

式中：k為整個(gè)滑體剩余下滑力計(jì)算的安全系數(shù)；l為單個(gè)土條的滑動(dòng)面長度(m)；W為條塊重力(kN)，浸潤線以上取重度，以下取飽和重度；β為條塊的重力線與通過此條塊底面中點(diǎn)半徑之間的夾角(度)；cu，φu為土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。采用總應(yīng)力法時(shí)，取總應(yīng)力指標(biāo)；采用有效應(yīng)力法時(shí)，取有效應(yīng)力指標(biāo)。

(2)計(jì)算簡圖：

邊坡坡比1∶1.25，邊坡高度8.7 m。計(jì)算簡圖如圖1。

圖1 邊坡圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算簡圖

(3)計(jì)算成果：通過圓弧滑動(dòng)法計(jì)算，當(dāng)邊坡采用1∶1.25時(shí)，搜索最小安全系數(shù)K=1.19；對爆破石渣料回填層采用直線法計(jì)算安全系數(shù)K=1.10，能滿足臨時(shí)邊坡穩(wěn)定要求。

3.5 基坑降水計(jì)算

(1)未設(shè)置封水帷幕基坑降水計(jì)算

計(jì)算模型采用均質(zhì)含水層潛水完整井、基坑遠(yuǎn)離水源邊界模型，見圖2。

圖2 潛水完整井模型

計(jì)算公式采用均質(zhì)含水層潛水完整井、基坑遠(yuǎn)離水源邊界模型公式：

式中：Q為基坑涌水量(m3/d)；k為滲透系數(shù)(m/d)；H為潛水含水層厚度(m)；S為基坑(降水井壁外側(cè))水位降深(m)；R為降水影響半徑(m)；r0為基坑等效半徑(m)。主要土層計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 主要土層計(jì)算參數(shù)

在無封水帷幕條件下，在基坑周邊設(shè)置管井抽水，經(jīng)計(jì)算基坑每日抽水量將超過88518 m3/d，并會(huì)引起周邊地面沉降。

(2)設(shè)置封水帷幕后的基坑涌水量計(jì)算

計(jì)算采用均質(zhì)含水層潛水非完整井、基坑遠(yuǎn)離邊界模型，計(jì)算公式為：

式中：l為過濾器有效工作部分的長度(m)；hm為潛水含水層厚度與動(dòng)水位以下的含水層厚度的平均值(m)；

式中：h為為動(dòng)水位(井壁外側(cè)水位)以下的含水層厚度(m)；其它符號同上。經(jīng)計(jì)算基坑涌水量Q=3860 m3/d。

3.6 封水帷幕計(jì)算

封水帷幕方案關(guān)鍵在于帷幕位置、帷幕體厚度以及帷幕在坑內(nèi)降水后產(chǎn)生應(yīng)力計(jì)算。

(1)位置確定：計(jì)算方法采用庫侖土壓力定理和散粒體力學(xué)理論。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 土壓力影響范圍

根據(jù)計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)際情況，確定在距離基坑上開口邊線3 m設(shè)置封水帷幕，既減少了大部分水壓力的影響，又使工程量相對經(jīng)濟(jì)，并且不影響工期。

(2)厚度確定：根據(jù)實(shí)際水頭差和容許水力坡降，確定封水帷幕厚度為40 cm。

(3)防滲帷幕應(yīng)力驗(yàn)算：在封水帷幕兩側(cè)存在約6 m水頭差，封水帷幕受到一定的彎矩、剪力，并產(chǎn)生位移。經(jīng)計(jì)算，坑外側(cè)彎矩為37.9 kN· m，帷幕最大位移為5.8 mm。封水帷幕為柔性結(jié)構(gòu)，根據(jù)摩爾—庫侖定理驗(yàn)算，墻體可以滿足強(qiáng)度和變形要求。

4 基坑監(jiān)測設(shè)計(jì)

根據(jù)基坑的具體情況及地質(zhì)條件，監(jiān)測內(nèi)容主要包括地面沉降觀測、邊坡穩(wěn)定觀測、地下水位觀測等，有針對性的布設(shè)各類監(jiān)測點(diǎn)，并兼顧驗(yàn)證設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工的需要，做到少而精。

4.1 地下水位監(jiān)測

在基坑四邊封水帷幕內(nèi)側(cè)各布置1個(gè)水位觀測孔，基坑中央布設(shè)1個(gè)水位觀測孔。這樣既能觀測基坑每側(cè)地下水位變化情況，也能形成地下水位觀測斷面，有利于分析水位變化情況。

4.2 地面沉降監(jiān)測

在基坑封水帷幕外側(cè)三邊3 m～5 m位置各設(shè)置1個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，另外一邊3 m、8 m、15 m位置各設(shè)置1個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，并在距基坑較遠(yuǎn)且穩(wěn)定安全的位置設(shè)置1組垂直位移工作基點(diǎn)。

4.3 邊坡穩(wěn)定監(jiān)測

基坑采用放坡開挖形式，開挖主要在填石層中進(jìn)行。邊坡穩(wěn)定監(jiān)測主要在基坑四周上坡開口邊線附近各設(shè)置測斜管1套，對基坑施工期和維護(hù)期進(jìn)行邊坡變形穩(wěn)定監(jiān)測。

5 結(jié)論

(1)本工程需開挖大型基坑，且淺層為厚填石層，基坑支護(hù)防滲難度較大，選擇合適的支護(hù)和防滲方案非常關(guān)鍵。

(2)通過方案比選，本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工便利的原則，本工程最終選定了放坡開挖加封水帷幕的基坑支護(hù)方案。

(3)通過灌噴樁、基坑邊坡、基坑降水、封水帷幕等各種計(jì)算，得出了基坑支護(hù)各種設(shè)計(jì)參數(shù)，在技術(shù)上是可行的。

(4)通過現(xiàn)場實(shí)施，證明基坑支護(hù)防滲設(shè)計(jì)方案可行，可控灌噴樁在厚填石層中應(yīng)用防滲效果較好。

(5)通過現(xiàn)場監(jiān)測，降水井布設(shè)合理，地下水水位控制良好，確保干地作業(yè)施工條件，地面沉降很小，邊坡在施工期間處于穩(wěn)定狀態(tài)。

[1]李茂芳，孫釗，大壩基礎(chǔ)灌漿(第二版)[M]，北京：水利電力出版社，1987．

[2]DL/T5148—2001，水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范[S]．

[3]曾凡杜．壩面帷幕灌漿技術(shù)在竹銀水庫主壩壩基處理中的應(yīng)用[J]．水利水電科技進(jìn)展，2011，31(6)．

[4]彭第，王偉．中梁一級電站庫區(qū)防滲帷幕灌漿試驗(yàn)效果分析[J]．水利水電科技進(jìn)展，2011，31(5)．

[5]李吉林．水布埡面板堆石壩基礎(chǔ)灌漿試驗(yàn)[J]．水利水電科技進(jìn)展，2012，32(5)．

[6]李吉林．山東某大型電廠樁基混凝土防腐蝕性試驗(yàn)[J]．水利水電科技進(jìn)展，2013，33(6)．

[7]林華虎，邊建峰．固結(jié)灌漿試驗(yàn)變形觀測方法研究與應(yīng)用[C]//水工建筑物水泥灌漿與邊坡支護(hù)技術(shù)——第9次水利水電地基與基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集．北京：中國水利水電出版社，2007．