厚填石層大型基坑支護設計

李吉林，孫 旭

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 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三期工程場地內，占地約20000 m2。大樓建筑面積約33292 m2，主樓25層，高度122.7 m，結構形式為鋼筋混凝土框架，地下室2層，深10 m，局部14.1 m，基礎采用樁基礎。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)筑物、路面和管線的變形和損壞，對此提出預測和防止對策，且對周邊場地的位移和沉降進行監(jiān)測；基坑支護施工、土方開挖可分為無支護與有支護開挖方法；基坑工程要求安全可靠、經(jīng)濟合理、施工便利、保證工期，還應結合主體工程設計進行基坑總體方案設計。

2 地質條件

2.1 工程地質條件

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。

地層結構自上而下依次為：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)：主要為微風化凝灰?guī)r及微風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)強夯處理，呈中密～密實狀態(tài)；

②第四系海相沉積層(Qm)：為灰黑色含有機質粉土，局部以粉砂為主，標準貫入試驗平均擊數(shù)3.8擊。一般厚度0.5 m～6.6 m，層底標高-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粘土和含粘性土粉細砂。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，局部含少量有機質。層底標高-9.22 m～-14.30 m；

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

⑤基巖：從上往下依次為全風化、強風化、中風化、微風化，層頂埋深16.7 m～38.7 m，層頂標高-12.6 m～-34.35 m。

2.2 水文地質條件

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，標高約1.6 m；最低地下水位埋深約4.0 m，標高約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，主要受海水補給；基巖裂隙水主要賦存于強、中風化基巖裂隙中，屬微承壓水。

2.2.2 地下水的侵蝕性

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

2.3 不良地質條件

填石層厚度較大，填石的粒徑較大且經(jīng)強夯處理，對基坑開挖和樁基施工帶來困難；地下水與海水緊密相連，海水補給充分，填石層為強透水層，要保持基坑內干燥施工，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 基坑支護設計

3.1 方案比選

根據(jù)本工程填石層結構和工程結構特征，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行比較：

(1)地下連續(xù)墻支護方案：結構質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。但泥漿處理、水下鋼筋混凝土澆筑施工工藝復雜、造價高，特別是填石層中成槽較困難，施工設備多、速度慢，相互干擾大，難以滿足要求。

(2)排樁支護方案：排樁結構剛度較大、施工工藝和設備相對簡單、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)筑物，填石層抗剪強度指標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，造價低。

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

3.2 設計要點

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，同時為了確保基坑在樁基礎施工時形成干地作業(yè)條件，需在基坑周邊設置一道封水帷幕墻，相對隔斷基坑內外填石層等透水地層的地下水，并在基坑內布置一定的降水管井，降低基坑內地下水位在其基底2.0 m以下。該工程關鍵技術是如何在深厚填石層中形成封水帷幕。根據(jù)以往十多個特大型基坑堆石體圍堰工程隔水防滲帷幕實踐經(jīng)驗，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、技術成熟、造價低，且施工速度快，干擾少。

(1)基坑結構設計要點：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)封水帷幕設計要點：在上坡開口線外3.0 m處，由單個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，在粉質粘土等土層中采用高壓噴射灌漿工藝形成旋噴樁體。樁端控制進入至殘積土內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)設計要點：為了控制基坑內地下水位在施工作業(yè)面2.0 m以下，需要在坑內布置一定數(shù)量的降水井。降水井平面間距30 m一個，共計16個。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 可控灌噴樁設計

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%，有一定塑性屈服強度和塑性粘度的穩(wěn)定漿液的塑性灌漿技術，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度，在強透水區(qū)達到一定范圍即停止擴散，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間，并且不會因灌漿后的漿液繼續(xù)析水而留下未充填的孔隙，灌漿質量較有保證。形成的結石體強度高、防滲性好，抗化學溶蝕能力強。漿液塑性屈服強度大于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間的水泥化學漿液。

3.4 基坑邊坡穩(wěn)定計算

基坑開挖主要在填石層內，對于臨時開挖邊坡和穩(wěn)定計算可采用圓弧滑動法計算。

(1)計算公式為：

式中：k為整個滑體剩余下滑力計算的安全系數(shù)；l為單個土條的滑動面長度(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半徑之間的夾角(度)；cu，φu為土的抗剪強度指標。采用總應力法時，取總應力指標；采用有效應力法時，取有效應力指標。

(2)計算簡圖：

邊坡坡比1∶1.25，邊坡高度8.7 m。計算簡圖如圖1。

圖1 邊坡圓弧滑動穩(wěn)定計算簡圖

(3)計算成果：通過圓弧滑動法計算，當邊坡采用1∶1.25時，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算安全系數(shù)K=1.10，能滿足臨時邊坡穩(wěn)定要求。

3.5 基坑降水計算

(1)未設置封水帷幕基坑降水計算

計算模型采用均質含水層潛水完整井、基坑遠離水源邊界模型，見圖2。

圖2 潛水完整井模型

計算公式采用均質含水層潛水完整井、基坑遠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)水位降深(m)；R為降水影響半徑(m)；r0為基坑等效半徑(m)。主要土層計算參數(shù)見表1。

表1 主要土層計算參數(shù)

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

(2)設置封水帷幕后的基坑涌水量計算

計算采用均質含水層潛水非完整井、基坑遠離邊界模型，計算公式為：

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水位以下的含水層厚度的平均值(m)；

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

3.6 封水帷幕計算

封水帷幕方案關鍵在于帷幕位置、帷幕體厚度以及帷幕在坑內降水后產(chǎn)生應力計算。

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

表2 土壓力影響范圍

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

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

(3)防滲帷幕應力驗算：在封水帷幕兩側存在約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)計算，坑外側彎矩為37.9 kN· m，帷幕最大位移為5.8 mm。封水帷幕為柔性結構，根據(jù)摩爾—庫侖定理驗算，墻體可以滿足強度和變形要求。

4 基坑監(jiān)測設計

根據(jù)基坑的具體情況及地質條件，監(jiān)測內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，有針對性的布設各類監(jiān)測點，并兼顧驗證設計和指導施工的需要，做到少而精。

4.1 地下水位監(jiān)測

在基坑四邊封水帷幕內側各布置1個水位觀測孔，基坑中央布設1個水位觀測孔。這樣既能觀測基坑每側地下水位變化情況，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三邊3 m～5 m位置各設置1個水準點，另外一邊3 m、8 m、15 m位置各設置1個水準點，并在距基坑較遠且穩(wěn)定安全的位置設置1組垂直位移工作基點。

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置測斜管1套，對基坑施工期和維護期進行邊坡變形穩(wěn)定監(jiān)測。

5 結論

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

(2)通過方案比選，本著安全可靠、經(jīng)濟合理、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方案。

(3)通過灌噴樁、基坑邊坡、基坑降水、封水帷幕等各種計算，得出了基坑支護各種設計參數(shù)，在技術上是可行的。

(4)通過現(xiàn)場實施，證明基坑支護防滲設計方案可行，可控灌噴樁在厚填石層中應用防滲效果較好。

(5)通過現(xiàn)場監(jiān)測，降水井布設合理，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規(guī)范[S]．

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

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

[5]李吉林．水布埡面板堆石壩基礎灌漿試驗[J]．水利水電科技進展，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[J]．水利水電科技進展，2013，33(6)．

[7]林華虎，邊建峰．固結灌漿試驗變形觀測方法研究與應用[C]//水工建筑物水泥灌漿與邊坡支護技術——第9次水利水電地基與基礎工程學術會議論文集．北京：中國水利水電出版社，2007．