飽和砂性土層中的深基坑施工

上海公路橋梁（集團）有限公司 上海 200023

1 工程概況

1.1 泵站深基坑概況

背景工程泵房基坑位于常州市城北污水處理廠區內，基坑尺寸31.45 m×27.2 m，采用排樁+內支撐形式，外側設置三軸水泥土攪拌樁止水帷幕，基坑深14 m。施工1 排鉆孔灌注樁，樁身長24.8 m（圖1）。

施工區域內地質主要為：①雜填土，③1黏土，③2粉質黏土，⑤1粉砂，⑤2粉砂，⑤3粉砂夾粉土，⑧2粉砂夾粉土。

1.2 泵站深基坑施工難點

1.2.1 砂性土層

本工程泵站圍護樁樁身長24.8 m，排樁深入地下⑤1、⑤2粉砂層，含砂量大。

1.2.2 地下不明管線、障礙物眾多

泵站基坑施工區域內存在較多未探明的管線，由于基坑已抵近污水處理池結構物及φ1 220 mm管道，東西向管道改遷工作存在較大困難。

圖1 泵站基坑平面示意

1.2.3 地上建（構）筑物限制施工

本工程基坑尺寸為31.45 m×27.2 m，業主移交的場地尺寸為45 m×54 m，基坑施工區域內及周邊存在配電間、廠區污水處理池、改遷管道及污水井、運行中的污水處理格柵等構筑物。

2 針對砂性土層的改進措施

2.1 砂性土層分析

砂性土屬典型的多孔介質，其滲透性強，膠結作用弱。由于多孔介質的顆粒和孔隙都具有不規則性、自相似性、模糊性和非線性等特點，且整體結構表現出復雜性，因此傳統方法對多孔介質的結構及滲流過程的直觀定量描述難以有更大的進展。

根據目前的研究成果，我們引入分形幾何及分形維數2 個概念，利用分形幾何原理用于巖土力學領域。研究表明，砂礫類土的分布具有分形分布特征，且粗粒土粒間孔隙的分布及細顆粒充填到粗顆粒孔隙之間的方式也表現出分形規律。通過研究其顆粒級配分維值D與不均勻系數Cu及滲透系數K之間的關系，我們能夠通過顆粒級配分維來反映砂性土的顆粒大小及級配規律，比較直觀定量地描述砂性土滲透系數的大小，從而為在施工中改善砂性土層土質，保證施工質量提供理論依據（圖2）。

圖2 級配分形維數的物理意義示意

2.1.1 土層顆粒分析

砂性土的顆粒級配是影響滲透系數的重要因素。通過顆粒分析法得出砂性土的顆粒級配曲線，可以求出顆粒的不均勻系數Cu；在級配曲線上對小于某粒徑的顆粒百分含量依次對半分割，然后在顆粒粒徑與百分含量的雙對數坐標中進行線性回歸分析，其擬合的直線斜率絕對值即為級配分形維數D。然后對分形維數與滲透系數進行線性回歸分析，從而分析滲透系數K與級配分維值D的相關關系。顆粒級配曲線如圖3所示。我們由此得知，顆粒級配越好，大顆粒之間的孔隙被細小顆粒充填，不均勻系數Cu越大，直線斜率即分維D越小。

圖3 顆粒級配曲線

2.1.2 顆粒級配與土層滲透系數的相關性

砂性土的滲透性較好，主要表現在它具有較大的孔隙度。砂性土的滲透性主要受粒徑大小與級配、孔隙度、礦物成分、土的結構以及飽和度的影響。因此，土的級配好壞直接影響著土的顆粒組成、結構以及孔隙度的大小，對滲透系數的大小起著決定性的作用。根據滲透試驗所測定的各試件滲透系數K，將分維值D和滲透系數K進行線性回歸分析（圖4）。

圖4 滲透系數與分維值D的相關性

分維值D與滲透系數K之間呈正相關關系，且相關度較好。土的級配越好，不均勻系數Cu越大，分維值D越小。反之，級配越差，顆粒均勻程度越高，分維值D也越大，顆粒間的堆積排列方式較疏松，此時孔隙度n增大，過水面積增大，滲透系數K也越大。

2.2 砂性土施工針對性措施

砂性土的顆粒及孔隙分布具有分形特征，由于砂性土的滲透性及含泥量較少，膠結作用不明顯，鉆孔灌注樁施工過程中使用的自然造漿易形成坍孔、頸縮等現象。

1）改進措施：針對自然造漿無法滿足土體及洞口穩定，采取膨潤土人工造漿，改善砂性土層的顆粒級配，以細小顆粒填充，產生膠結作用，以達到穩固土體的目的。

2）膨潤土泥漿：膨潤土是以鉀、鈣、鈉蒙脫石為主要成分（含量一般大于65%）的黏土礦物， 具有膨脹性和觸變性。膨潤土具有觸變性，經攪拌的具有黏性及流動性的液體膨潤土泥漿能有效地填充于砂性土層中，改善了其顆粒級配，達到土質改良的目的，同時，處于靜止狀態的膨潤土泥漿將具備良好的膠凝特性，成孔質量得到了提高。

3）施工要點如下：

（1）泥漿相對密度為1.2～1.45，黏度為19～28 Pa·s，含砂率為4%～8%，膠體率≥96%，失水率≤15%，30 min泥皮厚度≤2 mm， 靜切力3～5 Pa，pH值為8～10。

（2）施工過程中對泥漿進行過程中檢測，檢測內容包括含砂率、黏度等。

（3）在實際施工中，由于土層的含砂量較大，為了進一步防止在施工中出現頸縮現象，在鉆孔完畢后需進行1～2 次自上而下的掃孔。

3 穿越障礙物的施工措施

工程區域內，地下沉井蓄水池、管道、管線、障礙物眾多，且距離較近，施工難度較大。施工措施為：

1）事先進行管線探摸，排除施工隱患。

2）采用小型挖機進行前期溝槽開挖，避免出現安全事故。

3）鉆機調整鉆機參數，當鉆進地層遇到明顯障礙物時采取反復鉆進，若地下廢棄管道口徑較大、質地堅硬，則更換鉆頭后再次進行試鉆。若遇無法清除的障礙物，經現場確認無法施工時，采用補樁措施，補樁與原設計樁徑、樁長、水泥含量等同。

4 排樁穿越建筑（構）物狹長走廊的施工

4.1 W4#污水井及污水處理格柵（狹長走廊）

采用現代Hyundai R215-7C與現代Hyundai R60-7兩種挖掘機進行作業。R215-7C型挖掘機自重為20 700 kg，R60-7型挖掘機自重為5 850 kg。

W4#污水井為磚砌結構，污水處理格柵為地下沉井，地下埋深約14 m（圖5）。鉆孔灌注樁溝槽開挖后，表層覆土被清除，土體無法提供側向支撐，井位結構受力不均勻，機械自重易對土體造成擠壓，導致土體發生側向移動，危及構筑物安全。因此施工前需對W4#臨時污水井及污水處理格柵區域2 座構筑物進行保護處理，確保其施工期間的穩固后，方可進行下道工序施工。

施工時使用現代Hyundai R60-7挖機在內部開挖溝槽，使用現代Hyundai R215-7C挖機外部等待出土+槽鋼支撐。

圖5 W4#污水井及污水處理格柵

4.2 施工特點難點

1）機械自重較大，盲目進入將危及井室安全。

2）施工面積狹小，大型機械無法進入。

3）W4#污水井為磚砌結構，且淺埋于地表以下。

4）W4#臨時污水井、污水處理格柵為正常使用設備，停止運轉將造成市區污水上涌地面等后果，上層覆土進入污水井后吸入泵機將造成設備損壞，污水無法處理。

4.3 施工措施

4.3.1 技術措施

1）采用槽鋼支撐，W4#污水井與污水處理格柵形成相互的側向支撐；

2）沿井壁外側施打鋼板樁，保證其井位結構穩固；

3）沿井壁內側制作鋼支撐圍檁，以防止土的側向應力對井壁造成破壞；

4）采取井位外壁注漿進行土體加固，井位南側處于卸荷狀態，通過支撐使力達到平衡，通過北側土體注漿，使井外壁土體處于穩固狀態。

4.3.2 施工管理措施

1）合理計劃施工順序。

2）合理劃分施工區域。施工場地對機械的選型要求較高，合理劃分施工區域對完成工作有積極作用。

3）多機械協同配合施工。吊裝、開挖、支撐、注漿、型鋼拼接等工序協同配合。多機械的協調配合施工需要現場組織管理人員科學合理地對機械進行調配，以免造成擁堵及混亂。

4）合理組織材料人員。考慮到井位的特殊的重要性，一旦施工，應當盡快保證材料的及時性，保證設備運行安全。

5 結語

砂性土層作為地下工程施工中常見的一種土層，其本身具有的特性，對地下工程產生了不利的影響。為改善土體特性，針對砂性土的顆粒及孔隙分布的分形特征、砂性土的滲透性及含泥量較少，膠結作用不明顯等特點，在樁基施工過程中采用人工造漿方法，改善土體的顆粒級配，增加膠結作用，減少砂性土體的滲透性，同時通過強化管理措施，不斷修正施工參數，建立長效監控機制，以達到保證施工質量的目的[1-5]。

在市區環境下進行狹小范圍內的深基坑施工，涉及到對現有建（構）筑物及地下重要管線的保護，在施工中應根據現場情況，做到“情況清楚、統籌兼顧、保障安全”，堅持“大半徑、小區域、輕重結合、隨挖隨撐”的構筑物開挖保護原則，強化施工管理，合理調配機械、材料、人員，重視建立建筑物突發應急搶修機制及施工管理長效化信息管理制度。