復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下大型深基坑工程支護(hù)技術(shù)
——以泉州市公共文化中心工程項(xiàng)目為例

肖澤泓 黃端權(quán)

( 1.安徽建筑大學(xué) 安徽合肥 230601；2.福建省第五建筑工程公司 福建泉州 362000)

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)常用的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，主要有灌注樁排樁支護(hù)地下連續(xù)墻支護(hù)土釘墻等，并輔以內(nèi)支撐錨索等支撐形式，各自的適用條件及效果差異較大[1-5]，需要根據(jù)基坑尺寸及深度周邊環(huán)境地質(zhì)情況等具體條件，靈活選擇合理的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，以確保基坑工程安全。

泉州市公共文化中心，位于泉州東海新區(qū)，屬于沿海城市低海拔區(qū)域，地下水位高，雜填土及淤泥等軟土層較厚，孤石多，設(shè)計(jì)基坑面積大且深，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，可借鑒的工程案例少，支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇及施工難度大，不確定性風(fēng)險(xiǎn)高。因此，本文擬總結(jié)該項(xiàng)目的支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)，為類似環(huán)境下大型深基坑工程的支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇及施工提供借鑒。

1 基坑工程概況

泉州市公共文化中心，用地面積129 629m2，基坑近似360m×310m的矩形，項(xiàng)目設(shè)一至兩層連體地下室，地下室總建筑面積192 219m2，基坑開挖深度約10.94m～11.91m，整個(gè)基坑支護(hù)周長(zhǎng)約1500m，屬于超大型深基坑工程，基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)，重要性系數(shù)為1.10。

2 工程重難點(diǎn)分析及應(yīng)對(duì)措施

(1)周邊環(huán)境復(fù)雜

該項(xiàng)目施工場(chǎng)地，位于豐澤區(qū)東海片區(qū)綜合大道與景觀西路交匯處，場(chǎng)地四周均為新建道路，鄰近基坑西北側(cè)為景觀西路北側(cè)綜合大道(圖1)，綠化帶埋設(shè)有污水管電纜天然氣管道等地下設(shè)施，地下管線埋深1m～3m，與基坑最近距離約6m(處于基坑開挖深度范圍以內(nèi))，受基坑工程施工影響大，不具備采用放坡開挖的條件。

圖1 基坑及周邊道路平面圖

為了避免因基坑內(nèi)大面積降水而導(dǎo)致周邊土體沉降變形，進(jìn)而破壞周邊道路及市政管線設(shè)施，該項(xiàng)目工程宜采用灌注樁排樁支護(hù)+截水帷幕，并加強(qiáng)相關(guān)變形監(jiān)測(cè)，制定完善的基坑監(jiān)測(cè)方案。

(2)地質(zhì)條件差，開挖深度深，基坑面積大

圖2 工程地質(zhì)典型剖面圖

根據(jù)地勘結(jié)果(圖2)，該項(xiàng)目工程擬建地下室基坑開挖范圍內(nèi)土層，主要為素填土①淤泥②粉質(zhì)粘土及中砂③殘積砂質(zhì)粘性土④全風(fēng)化花崗巖⑤層，基坑側(cè)壁穩(wěn)定性差。 基坑底土層主要主要為殘積砂質(zhì)粘性土④，個(gè)別區(qū)域?yàn)榉圪|(zhì)粘土及中砂③ 全風(fēng)化花崗巖⑤及碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖⑦，其中，殘積砂質(zhì)粘性土④和全風(fēng)化花崗巖⑤，具有遇水易軟化易坍塌強(qiáng)度較低等特性,抗剪強(qiáng)度較差，且基坑開挖時(shí)在局部區(qū)域存在突涌等不良影響。開挖土層處于雜填土淤泥等軟土層厚度較深(超10m)，上部土體承載力低，整體穩(wěn)定性差，且基坑開挖深度深，采用單一的灌注樁排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)懸臂端過長(zhǎng)，在土側(cè)壓力作用下易出現(xiàn)過大變形而傾覆，故基坑支護(hù)需要增加支撐。

但由于基坑面積大，且需分區(qū)施工，不適合采用內(nèi)支撐體系，因而選擇多道預(yù)應(yīng)力錨索來約束排樁支護(hù)變形的拉錨形式，以確保基坑側(cè)壁安全穩(wěn)定。此外，由于地質(zhì)條件差，部分預(yù)應(yīng)力錨索位于雜填土及淤泥等軟土層中，土體與錨固體極限摩阻力低(10～20kPa)，采用普通的預(yù)應(yīng)力錨索施工效果極差，錨固力低，故需設(shè)計(jì)為擴(kuò)孔錨索以提高錨固效果，確保施工質(zhì)量。同時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮周邊淺部埋有地下管線的情況，適當(dāng)調(diào)整了錨索間距及深度。

(3)孤石多，施工難度大

基坑范圍內(nèi)除表層覆蓋較厚的雜填土淤泥等軟土外，還存在大量的孤石(圖2)，給支護(hù)結(jié)構(gòu)施工帶來很大的困難。因此，針對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索擴(kuò)孔施工時(shí)，需金剛鉆頭和擴(kuò)孔鉆頭配合使用，先采用金剛鉆頭取孔鉆進(jìn)孤石，再換擴(kuò)孔鉆頭施工擴(kuò)孔，方可確保錨孔施工質(zhì)量及效率。

(4)地下水位高

該項(xiàng)目工程場(chǎng)地的地下水，主要為賦存于填砂孔隙中的潛水，以及花崗巖風(fēng)化巖層孔隙～裂隙中的承壓水。場(chǎng)地地下水混合水位標(biāo)高4.20m～4.50m，在基坑開挖深度范圍內(nèi)，對(duì)地下室施工影響較大；在二層地下室基坑開挖部位，當(dāng)含水層上覆的相對(duì)隔水層厚度較小時(shí)，基坑開挖時(shí)場(chǎng)地內(nèi)的承壓水有可能產(chǎn)生突涌現(xiàn)象，必須采用止水或降水方案并加強(qiáng)水位監(jiān)測(cè)管理。

①基坑降水

主要采用高壓旋噴樁止水與井點(diǎn)降水法相結(jié)合，沿排樁外圍施工高壓旋噴樁形成懸掛式止水帷幕，并在基坑內(nèi)布置降水井，共計(jì)153個(gè)，井深13m(土方開挖至-7m左右開始打井)，采用負(fù)壓降水。同時(shí)，應(yīng)對(duì)止水帷幕質(zhì)量嚴(yán)格控制，如控制樁的垂直度兩樁搭接排樁與旋噴樁間距等。土方開挖前，需對(duì)坑內(nèi)進(jìn)行試降水，檢查止水效果，以確保開挖后不出現(xiàn)大面積漏水。

②基坑排水

坡頂四周應(yīng)設(shè)排水溝和集水井，以排除地表滯水，四角直線邊間隔20m～40m設(shè)集水井，集水井比溝底深0.5m，根據(jù)地形采用泵排水或自然排除。所以，在開挖過程中，設(shè)置臨時(shí)排水溝(或盲溝)，并酌情在坑底(間隔20m～40m)設(shè)若干集水井，采用污水泵抽水，明溝和集水井隨開挖深度加深，抽水排到坑外明溝，經(jīng)集水井沉淀后排入市政下水道。排水溝布置如圖3所示。

圖3 排水溝布置示意圖

圖4 基坑分區(qū)及支護(hù)剖面范圍示意圖

(5)基坑工程工作量大，工期短

基坑規(guī)模大，周邊環(huán)境及地質(zhì)情況變化大，且工作量大工期短，故需要分區(qū)域進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并分區(qū)組織流水施工。根據(jù)上部建筑情況，將基坑分為6個(gè)區(qū)14種剖面類型施工(圖4)，先進(jìn)行1區(qū)2區(qū)5區(qū)6區(qū)施工(上部有主樓)，再進(jìn)行3區(qū)和4區(qū)施工，并根據(jù)開挖深度及周邊環(huán)境條件進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。典型區(qū)段的支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖5所示：上部采用放坡加土釘支護(hù)(2道錨管)，局部剖面坡頂增加豎向錨管加固土體，下部采用灌注樁排樁支護(hù)，樁徑1000mm，間距1300mm，樁間采用雙重高壓旋噴樁止水，并根據(jù)不同區(qū)段地質(zhì)情況和開挖深度，設(shè)計(jì)2～3道預(yù)應(yīng)力錨索，部分區(qū)段(位于厚軟土層中時(shí))錨索采用擴(kuò)孔錨索；一層和兩層地下室交接部位(剖面14)采用3道錨管+木樁組合支護(hù)系統(tǒng)；除了整個(gè)基坑四周采用排樁支護(hù)+預(yù)應(yīng)力錨索支撐外，場(chǎng)內(nèi)前后施工的兩個(gè)區(qū)之間(1區(qū)與3區(qū)，5區(qū)與3區(qū)，2區(qū)與4區(qū)，6區(qū)與4區(qū))采用放坡開挖，分層分段，交接部位留設(shè)臨時(shí)施工道路三級(jí)退土，并沿3區(qū)向4區(qū)退土，完成整個(gè)基坑開挖及支護(hù)工作。

圖5 典型區(qū)段的支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

3 工藝流程及施工技術(shù)要點(diǎn)

3.1 工藝流程

測(cè)量放樣→灌注樁排樁施工→雙重管高壓旋噴樁施工→第一級(jí)土方開挖至灌注樁冠梁墊層底標(biāo)高→上部放坡加土釘施工(2道錨管)→下部第一道預(yù)應(yīng)力錨索施工(部分剖面為擴(kuò)孔錨索)→第二級(jí)土方開挖至第一道腰梁墊層底設(shè)計(jì)標(biāo)高→第二道預(yù)應(yīng)力錨索施工→繼續(xù)開挖土方，施工錨索→土方開挖至地下室底板墊層底設(shè)計(jì)標(biāo)高。

其中第一級(jí)土方開挖細(xì)化工藝流程如下：

坡頂豎向錨管施工→挖至第一道錨管設(shè)計(jì)標(biāo)高，按要求放坡→施工第一道錨管→布鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)筋→噴射C20素砼，厚度按設(shè)計(jì)要求→挖至第二道錨管設(shè)計(jì)標(biāo)高，按要求放坡→施工第二道錨管→布鋼筋網(wǎng)加強(qiáng)筋→噴射C20素砼，厚度按設(shè)計(jì)要求→挖至冠梁墊層底標(biāo)高→施工第一道預(yù)應(yīng)力錨索→施工冠梁。

3.2 施工技術(shù)要點(diǎn)

由于周邊環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)條件差，地下水位高，基坑周邊市政道路管線多而近，基坑內(nèi)雜填土淤泥等軟土層厚孤石多，季節(jié)性降水量大，施工情況復(fù)雜，因此在施工中要隨時(shí)關(guān)注施工技術(shù)要點(diǎn)。如：在軟土層中采用普通的預(yù)應(yīng)力錨索錨時(shí)，易出現(xiàn)嚴(yán)重的孔洞涌水涌沙塌孔等現(xiàn)象，導(dǎo)致第一次注漿易被返水流走；采用封堵辦法注漿時(shí)，水泥漿會(huì)從外側(cè)邊坡返出，錨索無法成孔，而第二次壓力注漿雖不返漿但無壓力，且在超出設(shè)計(jì)注漿量的情況下會(huì)出現(xiàn)從邊坡上冒漿，并導(dǎo)致邊坡開裂。

(1)在淤泥層上打樁施工時(shí)，應(yīng)保證機(jī)器設(shè)備安放的穩(wěn)定性，護(hù)筒埋設(shè)需準(zhǔn)確，周圍用粘土回填夯實(shí)，避免孔斜。如果必要，采取局部換填或鋪設(shè)周轉(zhuǎn)性鋼板的方式進(jìn)行場(chǎng)地平整加固。

(2)由于基坑上部多為雜填土及淤泥，土體承載力低，因此采用機(jī)械開挖分層放坡時(shí)，計(jì)劃安排可靠合理的車輛行走道路，對(duì)表層土體無法滿足行車要求的區(qū)域，采用換填或鋪設(shè)鋼板的措施，避免支護(hù)樁及工程樁由于土體擠壓擾動(dòng)而產(chǎn)生偏移等現(xiàn)象。

(3)錨索施工前，應(yīng)先核實(shí)周邊市政管線深度，并建議采用BIM技術(shù)進(jìn)行激光掃描和實(shí)體建模，通過碰撞分析局部調(diào)整錨索布置，避開地下管線。

(4)軟土層較厚的區(qū)域，采用擴(kuò)孔式預(yù)應(yīng)力錨索施工工藝，錨固段擴(kuò)孔孔徑500mm，自由段成孔直徑150mm；預(yù)應(yīng)力錨索拉桿采用4根直徑15.2鋼絞線制作，每根鋼絞線由7根直徑5mm的鋼絲組成，拉桿鋼絞線采用隔離架隔開，隔離架綁扎間距端部為1000mm，中部及頂部為2000mm，隔離架采用厚度3mm鐵板制作，提高錨固效果。

(5)采用擴(kuò)孔錨索替代普通錨索施工時(shí)，先用鉆機(jī)帶水泥漿(水灰比0.7)引180mm口徑孔到設(shè)計(jì)深度+50mm，再用旋噴鉆頭鉆桿下錨索至設(shè)計(jì)深度，最后按設(shè)計(jì)要求旋噴錨索錨固段。

(6)普通錨索施工時(shí)，在易塌孔區(qū)段，宜采用水泥漿護(hù)壁成孔，注漿時(shí)統(tǒng)一按3次注漿方式(采用3根注漿管)，一次常壓注漿，二三次為高壓注漿，以提高錨固力。

(7)由于地下水位較高，在鉆進(jìn)的過程中，若遇到大量涌砂涌泥現(xiàn)象時(shí)，加大錨孔傾角，在自由段加設(shè)鋼套管并適當(dāng)向外延伸，提高套管外端口標(biāo)高，以平衡水壓。

(8)遇到孤石時(shí)，先采用金剛鉆頭取孔，套管跟進(jìn)，穿過孤石后，取出金剛鉆頭，換上擴(kuò)孔鉆頭繼續(xù)施工，一次擴(kuò)孔成型率高，確保了擴(kuò)孔效率及質(zhì)量。

(9)錨索施工結(jié)束后，進(jìn)行拉拔力試驗(yàn)檢測(cè)，合格后進(jìn)行下一道工序施工。

4 基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果

項(xiàng)目開工前，即根據(jù)基坑開挖深度支護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)所處周邊環(huán)境條件相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)圖紙要求等，編制相應(yīng)的基坑監(jiān)測(cè)方案，并采取儀器監(jiān)測(cè)與巡視檢查相結(jié)合的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法，確保施工安全，重點(diǎn)進(jìn)行支護(hù)樁水平及豎向位移錨索內(nèi)力變化周邊建筑物沉降等監(jiān)測(cè)。

該工程基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果匯總

表1的基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：該基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)效果良好，支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建筑的位移變形均在監(jiān)測(cè)預(yù)警值范圍內(nèi)，錨索內(nèi)力變化較小，基坑側(cè)壁安全穩(wěn)定。

5 結(jié)語

(1)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境(高地下水位厚軟土層多孤石)的大型深基坑工程，采用灌注樁排樁支護(hù)+高壓旋噴樁截水帷幕+預(yù)應(yīng)力錨索(局部擴(kuò)孔)的支護(hù)體系，該工程實(shí)踐表明，基坑側(cè)壁安全穩(wěn)定，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形小，對(duì)周邊建筑物道路管線影響小。

(2)在高地下水位及厚軟土層區(qū)，采用擴(kuò)孔錨索代替普通預(yù)應(yīng)力錨索水泥漿護(hù)壁加設(shè)鋼套管并提高套管外端口標(biāo)高等措施，可有效避免出現(xiàn)孔洞涌水涌沙塌孔跑漿等現(xiàn)象，確保施工質(zhì)量，錨固效果好。

(3)遇到孤石時(shí)，采用金剛鉆頭和擴(kuò)孔鉆頭結(jié)合施工，可確保擴(kuò)孔效率及質(zhì)量。

(4)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下，相關(guān)支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選型及所采用的施工技術(shù)措施，該工程實(shí)踐驗(yàn)證是合理可行的，可為類似環(huán)境條件下大型深基坑工程支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇及施工提供借鑒，具有一定的指導(dǎo)意義及參考價(jià)值。