基于精細(xì)化理念的卵石砂巖地層超深基坑施工成套技術(shù)

彭 真

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加速推進(jìn)，土地資源稀缺的問(wèn)題越來(lái)越突出，對(duì)超高層建筑的需求也越來(lái)越迫切。目前，我國(guó)超高層建筑主要集中在東部沿海地區(qū)，在西北部地區(qū)還相對(duì)較少。隨著我國(guó)東部地區(qū)超高層建筑建設(shè)的日趨飽和，越來(lái)越多的超高層建筑將出現(xiàn)在我國(guó)的中西部地區(qū)，工程建設(shè)面臨的水文地質(zhì)條件將大不相同，為大面積超深基坑的建設(shè)帶來(lái)全新的挑戰(zhàn)[1-5]。

本文以蘭州鴻運(yùn)金茂綜合體一期工程為背景，立足富水卵石砂巖地層特性，從精細(xì)化理念出發(fā)，探討我國(guó)西北地區(qū)典型雙層土特性下的超深基坑全過(guò)程精細(xì)化施工解決方案。

1 工程背景

蘭州鴻運(yùn)金茂綜合體一期工程位于我國(guó)甘肅省蘭州市，工程主要包括2棟超高層辦公塔樓、大型綜合商業(yè)裙樓及配套地下設(shè)施等，兩塔樓建筑高度分別為249.8 m和149.8 m，商業(yè)裙樓建筑高度為43.8 m；項(xiàng)目共設(shè)地下室4層，局部區(qū)域設(shè)5層地下室；基坑開挖面積約2萬(wàn) m2，周長(zhǎng)約560 m，其中塔樓區(qū)域基坑最大開挖深度為23.6 m，裙樓區(qū)域基坑最大開挖深度為21.6 m，曾是我國(guó)蘭州地區(qū)房建領(lǐng)域的最深開挖基坑。

本工程基坑支護(hù)形式采用“地下連續(xù)墻結(jié)合圓形內(nèi)支撐體系”，其中圍護(hù)形式為：東、西、南三側(cè)采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻，北側(cè)考慮綜合體二期工程階段性開發(fā)，采用臨時(shí)隔斷地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻均厚800 mm；水平支撐形式為：普遍區(qū)域采用“2道圓環(huán)支撐＋桁架支撐”，局部近接深層區(qū)域設(shè)置3道混凝土角撐，南、北及東側(cè)支撐圓環(huán)距離基坑邊較近區(qū)域設(shè)置混凝土臨時(shí)加強(qiáng)封板，由于施工場(chǎng)地嚴(yán)重受限，為了方便施工場(chǎng)地布置，在場(chǎng)地西南角、東北角分別設(shè)置施工棧橋平臺(tái)及坡道（坡度不大于1/10）1處。豎向支撐形式為：鉆孔灌注樁內(nèi)插角鋼格構(gòu)柱結(jié)合樁端后注漿。基坑支護(hù)形式詳見圖1。

圖1 基坑支護(hù)形式

2 工程難點(diǎn)

本工程地處我國(guó)西北地區(qū)黃土高原的腹部—蘭州，工程所處區(qū)域地表覆蓋著第四系沖擊層，其下廣泛分布著第三系巨厚風(fēng)化砂巖，又稱紅砂巖，由上至下依次為人工填土（層厚0.5～5.4 m）、粉砂層（層厚0.3～2.8 m）、卵石層（層厚1.8～10.6 m）及砂巖層（層厚大于55 m）；其中卵石含水層透水性較好，水量較大，滲透系數(shù)高達(dá)27 m/d，主要受上游和高階地潛水、河水補(bǔ)給，以側(cè)向徑流為主；砂巖含水層滲透性較差，水量較弱，滲透系數(shù)為4 m/d，與上覆卵石層互聯(lián)互通，形成統(tǒng)一潛水含水體系。受限于工程水文地質(zhì)條件及周邊環(huán)境，本工程施工主要面臨以下2個(gè)方面的難題：

1）本工程基坑開挖深度范圍內(nèi)水文地質(zhì)條件極為復(fù)雜，呈現(xiàn)較為典型的雙層土特性，即卵石層存在卵石粒徑分布范圍較廣（粒徑分布范圍2～20 cm）、粒間填充物較少、含水量豐富且滲透性較強(qiáng)等特點(diǎn)；砂巖層存在厚度較大、遇水易軟化、含水?dāng)_動(dòng)后強(qiáng)度急劇降低、滲透性弱等特點(diǎn)。上述土體的不良特性為鉆孔灌注樁成樁、地下連續(xù)墻成墻、大面積超深土體高效開挖等提出了諸多難題，如成孔（墻）難度大、易發(fā)生塌方、工藝參數(shù)調(diào)節(jié)難度高、砂巖原基保護(hù)要求高等。

2）本工程地處蘭州市中心城區(qū)，具有人口密度較高、交通流量較大、市政生命管線錯(cuò)綜復(fù)雜、周邊建（構(gòu)）筑物眾多等難題；其中東側(cè)及南側(cè)信息管線距離基坑最近1.3 m，西側(cè)甘肅省信息中心大樓（地上14層，地下2層，埋深約7 m）距離基坑邊線最近6.2 m，北側(cè)居民樓（地上5—6層磚混結(jié)構(gòu)）距離基坑邊線最近8.5 m；均在2倍基坑開挖深度范圍之內(nèi)，環(huán)境保護(hù)及文明施工要求較高。

3 精細(xì)化施工成套技術(shù)

3.1 精細(xì)化選型

大面積超深基坑工程支護(hù)方案的選型至關(guān)重要，不同的支護(hù)方案工期、造價(jià)以及施工便利性差異很大。如何在滿足基坑安全的前提下，合理選擇基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，以最大限度滿足工程工期、經(jīng)濟(jì)性以及施工便捷等多方面的要求是超深基坑工程選型的關(guān)鍵因素。

本工程在多方面比較“地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐”及“地下連續(xù)墻＋預(yù)應(yīng)力錨索”方案優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上確定了地下連續(xù)墻結(jié)合2道圓形支撐的支護(hù)形式：

1）若采用“地下連續(xù)墻＋預(yù)應(yīng)力錨索”支護(hù)形式，首先考慮到錨索錨固力以及支錨剛度較小，為控制基坑圍護(hù)體的受力和變形，基坑裙樓普遍區(qū)域沿豎向須設(shè)置6道預(yù)應(yīng)力錨索，塔樓區(qū)域沿豎向須設(shè)置7道預(yù)應(yīng)力錨索，錨索的數(shù)量偏多；其次，錨索在卵石層內(nèi)的成孔難度大，卵石粒徑的不均勻性極易導(dǎo)致成孔受阻或成孔偏斜的情況，影響最終的錨固效果；再次，錨索成孔完成后，須用清水沖孔，如在砂巖層內(nèi)，將導(dǎo)致孔壁周邊砂巖軟化，強(qiáng)度喪失，嚴(yán)重影響最終的錨固效果。若采用“地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐”的支護(hù)形式，則不受場(chǎng)地特殊地質(zhì)條件的影響，整個(gè)基坑只須設(shè)置2道圓環(huán)支撐，整體基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工工期較短。

2）若采用“地下連續(xù)墻＋預(yù)應(yīng)力錨索”的支護(hù)形式，預(yù)應(yīng)力錨索施工容易對(duì)周邊已有市政設(shè)施及建（構(gòu)）筑物地下空間等造成破壞，增加后期緊鄰工程建設(shè)的清障工作量。

因此，雖然“地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐”支護(hù)形式的經(jīng)濟(jì)性不如“地下連續(xù)墻＋預(yù)應(yīng)力錨索”有優(yōu)勢(shì)，但是從滿足基坑安全及文明施工的角度出發(fā)，采用地下連續(xù)墻結(jié)合內(nèi)支撐的支護(hù)形式優(yōu)于地下連續(xù)墻結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)形式。

3.2 精細(xì)化成墻

本工程地下連續(xù)墻施工面臨的最大問(wèn)題是：如何在上部是堅(jiān)硬卵石層、下部是遇水強(qiáng)度急劇衰減的砂巖層進(jìn)行高質(zhì)量（無(wú)泥漿流失、槽壁穩(wěn)定性好、槽底沉渣少、成槽垂直性高等）、高效率成槽作業(yè)。

為此，本工程在地下連續(xù)墻正式施工前，分階段進(jìn)行了有針對(duì)性的2次成槽試驗(yàn)，每次成槽深度均根據(jù)不同地層特性進(jìn)行精細(xì)劃分，并對(duì)設(shè)備參數(shù)、沉渣厚度、泥漿性能指標(biāo)等進(jìn)行了詳細(xì)記錄和檢測(cè)。

通過(guò)2次試成槽，對(duì)泥漿性能進(jìn)行了全面優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了不同土性不同深度情況下泥漿比重、黏度、含砂率等技術(shù)指標(biāo)的精細(xì)化調(diào)控，大幅提高了成墻過(guò)程中的墻壁穩(wěn)定性，降低了塌方、縮頸等質(zhì)量事故發(fā)生的概率，該項(xiàng)技術(shù)也在鉆孔灌注樁成孔工藝中得到了大幅應(yīng)用，實(shí)際效果顯著。

3.3 精細(xì)化成樁

由于本工程水文地質(zhì)條件特殊，卵石砂巖2種土體特性差異巨大的土層呈上下疊層分布，為鉆孔灌注樁施工帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。首先，超厚大粒徑卵石層的成孔作業(yè)不僅對(duì)鉆進(jìn)設(shè)備功率、鉆機(jī)鉆速等要求較高，同時(shí)對(duì)設(shè)備的清障能力（如大直徑漂石等）提出了更高要求；其次，傳統(tǒng)鉆孔灌注樁施工工藝不能適應(yīng)新型卵石砂巖雙層土地基，需根據(jù)試成孔全過(guò)程的精細(xì)化檢測(cè)對(duì)鉆頭選型、工藝參數(shù)等進(jìn)行逐項(xiàng)優(yōu)化。

如針對(duì)不同地質(zhì)條件采取不同類別的旋挖鉆機(jī)鉆頭進(jìn)行施工：填土層采用挖土鉆頭鉆進(jìn)，粉細(xì)砂層采用雙底板撈砂鉆頭鉆進(jìn)；卵石層中先用螺旋鉆頭鉆進(jìn)，再用旋挖筒取渣；砂巖采用嵌巖短螺旋鉆頭鉆進(jìn)，配合用雙底板撈砂鉆斗清渣，成孔后，更換專用清底鉆頭對(duì)樁端沉渣進(jìn)行清理；當(dāng)鉆孔中遇到大漂石時(shí)，采用特制的大漂石抓取鉆對(duì)漂石進(jìn)行處理。

同時(shí)，在格構(gòu)柱垂直度控制方面，本工程研發(fā)了特制格構(gòu)柱調(diào)垂架，結(jié)合輔助調(diào)垂裝置，通過(guò)全站儀和內(nèi)置在調(diào)垂架上的手動(dòng)調(diào)垂機(jī)構(gòu)（圖2）可實(shí)現(xiàn)格構(gòu)柱的高效精準(zhǔn)就位。

圖2 格構(gòu)柱調(diào)垂架示意

3.4 精細(xì)化開挖

得益于原始砂巖層承載力較高的特性，本工程采用筏板基礎(chǔ)，以砂巖層作為上部建筑的持力層，但由于該地區(qū)上部卵石層含水量較大、地下水位較高，且紅砂巖具有遇水軟化、含水?dāng)_動(dòng)后強(qiáng)度急劇降低的特性，為基坑工程土方開挖造成了巨大困難。

因此，如何在保證不擾動(dòng)紅砂巖地基承載力的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)上部富水卵石砂巖地層的精細(xì)化降水、大面積超深基坑土體高效安全精細(xì)化卸載成為制約本工程施工的重大技術(shù)難題。

在精細(xì)化降水方面，本工程卵石層中地下水由于受上游和高階地潛水/河水補(bǔ)給，以側(cè)向徑流為主，水量較大，如何將卵石層地下水充分抽排疏干，確保下部砂巖層不受上部卵石層潛水的影響成為基坑降水的重點(diǎn)。為此，本工程開挖前進(jìn)行了卵石層預(yù)降水，并在開挖至卵石層后，沿地下水徑流方向布置截水明溝進(jìn)行二次降水。同時(shí)，考慮到對(duì)砂巖層的保護(hù)，本工程砂巖層采用了“多級(jí)分層按需降水”方案，即通過(guò)在基坑內(nèi)設(shè)置3道抽水線，根據(jù)砂巖層含水量變化情況，并結(jié)合土方開挖進(jìn)度實(shí)時(shí)調(diào)整井點(diǎn)布置方案，以達(dá)到精細(xì)化降水目的。

在精細(xì)化土方卸載方面，本工程土方開挖量約43萬(wàn) m3，如何在施工場(chǎng)地嚴(yán)重受限、砂巖層原基保護(hù)要求高、降水工藝煩瑣的情況下實(shí)現(xiàn)大面積超深基坑土體高效安全卸載成為基坑開挖的重點(diǎn)。為此，本工程提出了“島盆結(jié)合、精準(zhǔn)分層”的開挖方案，即總體流程為“島→島→島→島→盆”5批次分層開挖，并通過(guò)在兩側(cè)斜向棧橋平臺(tái)延伸設(shè)置臨時(shí)上下坡道，控制連續(xù)放坡坡度、開挖面高差、開挖與支撐施工工序等的合理籌劃，解決了空間受限條件下的超大面積土方卸載難題。

同時(shí)，為了減少大型設(shè)備開挖對(duì)下部砂巖層的擾動(dòng)，臨近基礎(chǔ)標(biāo)高800 mm左右時(shí)，采用小型機(jī)械進(jìn)行土體開挖，并結(jié)合人工清底，盡量減少對(duì)砂巖層原基的擾動(dòng)影響。

4 工程施工效果

1）本工程鉆孔灌注樁共計(jì)194根、地下連續(xù)墻共計(jì)97幅。在施工過(guò)程中均未出現(xiàn)坍孔、縮頸、槽壁失穩(wěn)、樁身傾斜等質(zhì)量缺陷，所有受檢樁基及地下連續(xù)墻均未發(fā)現(xiàn)缺陷，墻深完整性較好，均判定為Ⅰ類，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

2）通過(guò)對(duì)基坑開挖階段周邊管線、市政道路及建筑物的沉降及變形監(jiān)測(cè)，最大沉降33 mm，距離基坑最近的信息中心大樓最大沉降1 mm；地下連續(xù)墻最大側(cè)向位移47 mm。上述數(shù)據(jù)表明：本工程采用“地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐”的支護(hù)方案，結(jié)合精細(xì)化降水及開挖方案，有效控制了圍護(hù)樁自身變形，保證了基坑整體安全，降低了工程施工對(duì)周邊環(huán)境的擾動(dòng)影響。

5 結(jié)語(yǔ)

西北地區(qū)典型的富水卵石砂巖土特性為傳統(tǒng)基坑工程施工帶來(lái)了全新的技術(shù)挑戰(zhàn)，本工程圍繞基坑支護(hù)方案選型、地下連續(xù)墻成墻、鉆孔灌注樁成樁、大體量土方開挖及降水施工等面臨的技術(shù)難題，從精細(xì)化管控的理念出發(fā)，有針對(duì)性地對(duì)相關(guān)施工工藝及主要參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，在西北富水卵石砂巖地層中成功施作了地下連續(xù)墻及鉆孔灌注樁，解決了超深基坑大面積土方卸載難題，為后續(xù)該地區(qū)類似工程設(shè)計(jì)及施工提供了參考。