復(fù)雜地質(zhì)條件下圍堰內(nèi)深基坑施工技術(shù)

劉 垚， 張文新

(中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 511458)

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，大直徑盾構(gòu)隧道廣泛應(yīng)用于越江過河隧道的建設(shè)，富水基坑的位置和地質(zhì)條件，使得施工難度大大增加，基坑開挖到臨界深度后，就會形成突涌等嚴(yán)重事故[1]，深基坑順利施工成為長距離大型越江過海隧道建設(shè)成功的前提。前人對基坑開挖已有大量研究：文獻(xiàn)[2]基坑工程中,采用中間設(shè)置臨時(shí)隔斷地下連續(xù)墻將基坑一分為二、"分區(qū)順作"的設(shè)計(jì)方法,確保基坑本身及鄰近地鐵區(qū)間隧道安全。文獻(xiàn)[3]介紹了采用護(hù)坡樁增設(shè)錨索的方案進(jìn)行延深基坑的預(yù)加固。文獻(xiàn)[4-5]介紹了臨近江河富水超深基坑支護(hù)、水下開挖和水下混凝土灌注等基坑施工技術(shù)。文獻(xiàn)[6]探討了人工島筑島，隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)施工等關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[7-8]介紹了橋梁施工中錨定和水中基坑開挖及圍堰施工技術(shù)。文獻(xiàn)[9]介紹了通過開展多工序平行交叉作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了深基坑長隧道的快速施工。文獻(xiàn)[10-12]介紹了淤泥底層條件下的基坑施工開挖方法。文獻(xiàn)[13-15]介紹了臨近地鐵、建筑和既有鐵路的基坑施工方法，施工加強(qiáng)監(jiān)測確保了施工安全。以上研究地層情況相對單一，也沒有對施工中防水和地層內(nèi)的孤石處理進(jìn)行描述。

本文以汕頭市蘇埃通道工程盾構(gòu)始發(fā)井施工為背景，闡述在海域段混合復(fù)雜地層中的基坑施工技術(shù)，并對基坑開挖防水施工和基坑開挖中的孤石與基巖處理進(jìn)行了介紹，為后續(xù)工程積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 工程概況

蘇埃通道工程盾構(gòu)始發(fā)井基坑采用1.2 m、1.0 m厚地連墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐體系始發(fā)井為6層混凝土腰梁+混凝土斜撐，后配套段為兩層混凝土米字撐+4層?800 mm鋼支撐，剩余段為一層混凝土米字撐+2～4層?609 mm鋼支撐，由始發(fā)井向南分段、分層流水開挖。淤泥、砂層、全風(fēng)化花崗巖層采用碼頭吊抓取，基巖及孤石需爆破后用吊斗吊出。盾構(gòu)始發(fā)井為長方形，深×長×寬為28.9 m×49.9 m×25.0 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐體系結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

標(biāo)準(zhǔn)斷面主體結(jié)構(gòu)施工采用盤扣式滿堂腳手架+木膠板(鋼板)體系，最大層高16.125 m，最大板厚1.4 m。敞開段為單側(cè)支模體系，最大層高5.3 m。

1.2 工程水文地質(zhì)條件

蘇埃通道處于8度地震區(qū)，地層以海積、海陸交互相沉積和沖積類型為主，主要穿越淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、黏土、粉細(xì)砂、中粗砂、礫石以及花崗巖層，砂層為孔隙承壓水層。

盾構(gòu)始發(fā)井開挖深度28.90 m，且基坑范圍內(nèi)多為回填淤泥質(zhì)土、淤泥混砂、粉質(zhì)粘土及中粗砂層。其中淤泥、淤泥質(zhì)土厚度達(dá)24 m，具高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強(qiáng)度的工程特性，開挖易發(fā)生“蠕動”，可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)、基坑變形、塌陷，發(fā)生剪切破壞。

區(qū)域內(nèi)地下水的補(bǔ)給，主要為大氣降水和海水滲入補(bǔ)給。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)查圍堰內(nèi)地下水水位埋

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面示意圖(單位：m)

圖2 內(nèi)支撐體系結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

深約3 m。

1.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

始發(fā)井處頂面整平標(biāo)高為 2.8 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂(冠梁)標(biāo)高為 1.7 m，高差采用 1.6 m高擋墻，擋水墻高度為 0.4 m。始發(fā)井(EK6+837.5～EK6+862.5)開挖階段采用連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系，連續(xù)墻厚 1.2 m，采用6道鋼筋混凝土支撐：第1、2、5、6道混凝土支撐長×寬為 1 300 mm×1 000 mm，第3、4道混凝土支撐長×寬為 1 300 mm×1 200 mm。后配套基坑(EK6+837.5～EK7+050)地連墻墻厚1 m，樁頂設(shè)1 m×1 m鋼筋混凝土冠梁；EK6+862.5～EK7+050第1、2道為1 300 mm×1 000 mm的混凝土支撐+4道鋼支撐。

1.4 施工難點(diǎn)

(1)地下水源豐富，并且基坑開挖深度較深，基坑較寬，造成基坑開挖難度較大，基坑安全系數(shù)要求較高。

(2)圍護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求高，保證基坑開挖施工過程中不出現(xiàn)涌水現(xiàn)象以及后續(xù)最終接頭施工過程中施工安全，這就要求圍護(hù)結(jié)構(gòu)接頭施工要求高，不能漏水。

(3)基坑開挖深度深，支撐較多，施工難度大，基坑穩(wěn)定與施工安全要求高。

(4)基坑內(nèi)軟弱地層夾雜有基巖及孤石情況，不利于開挖出渣。

2 基坑開挖施工

2.1 始發(fā)井開挖機(jī)械布置

始發(fā)井土方分7次開挖，每層土方開挖深度最高為5.8 m，最淺為2.5 m。施工機(jī)械布置如圖3和圖4所示。

圖3 淺層土方開挖示意圖(單位：mm)

圖4 深層土方開挖示意圖(單位：mm)

2.2 基坑開挖方法

(1)土方開挖前按設(shè)計(jì)要求，將坑內(nèi)地下水位降至開挖面以下 1 m。采用反鏟挖掘機(jī)配合其他設(shè)備進(jìn)行分層開挖。

(2)淺層土開挖采用基坑內(nèi)挖機(jī)倒運(yùn)，基坑外挖機(jī)反鏟出土。基坑內(nèi)4臺挖機(jī)挖土，一臺挖機(jī)在北端頭處反鏟挖土出土。

(3)深層土方開挖采用坑內(nèi)挖機(jī)倒運(yùn)，基坑外抓斗抓土。支撐梁施工完成強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后先進(jìn)行支撐梁中間部位挖土，待中間部位挖土完成后，對支撐梁下土方進(jìn)行挖除；支撐梁下土方挖出后，對腰梁或環(huán)框梁下土方進(jìn)行挖除。為提高土方開挖效率，每臺抓斗旁放置一個長×寬×高為6 m×5 m×2 m的開口裝土箱，并配一臺挖機(jī)裝土。

2.3 基坑降水施工

(1)采用降水管井將水抽排出基坑，降水井實(shí)際深度為25 m。真空管井采用真空壓力與大氣壓差吸收淤泥質(zhì)土層中的地下水，深度為20 m。

(2)在砂層以及淤泥層降水井管徑250 mm；在基巖突起段，深度至強(qiáng)風(fēng)化巖層，降水井管徑168 mm。

(3)坑內(nèi)降水管井布置在基坑內(nèi)離地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)約 5 m處，始發(fā)井基坑內(nèi)設(shè)置9口降水井。

(4)為使基坑開挖過程中保持良好的干施工條件，每層土方開挖前，通過設(shè)在坑內(nèi)的9口降水管井降低基坑內(nèi)的地下水位。降水過程中要注意觀察坑內(nèi)水位，確保每次水位降深在開挖面以下 1 m。

(5)在粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，因土的滲透系數(shù)較小，為加快該層的降水速度和改善降水效果，雨季在坑內(nèi)用反鏟開挖若干排水溝和集水坑，利用小型潛水泵及時(shí)抽排坑內(nèi)積水。

2.4 基坑內(nèi)孤石和基巖施工

基坑內(nèi)孤石和基巖采用機(jī)械或弱爆破方法處理(揭露孤石與基巖如圖5所示)。對于軟石和強(qiáng)風(fēng)化巖石，直接由挖掘機(jī)或液壓鎬頭機(jī)配合自卸汽車挖裝運(yùn)，不爆破。

圖5 孤石與基巖示意圖

無法用機(jī)械開挖和不適用機(jī)械的土石方地段，按弱爆破的原則進(jìn)行小藥量淺孔臺階松動爆，控制飛石和爆破振動，對靠近連續(xù)墻的巖石進(jìn)行爆破時(shí)要預(yù)留足夠的保護(hù)層以保護(hù)連續(xù)墻，在靠近鋼支撐立柱的地方進(jìn)行巖石爆破時(shí)要注意留有足夠厚度的巖石保護(hù)層，巖石臨空面近處有鋼支撐立柱時(shí)要使爆破抵抗線方向避開鋼支撐立柱，以保護(hù)鋼支撐立柱的安全；同時(shí)控制每層爆破深度(臺階高度)及開挖深度，及時(shí)進(jìn)行支撐架設(shè)，確保開挖基坑的整體穩(wěn)定。

開挖按照“先中間、后兩邊”的原則。先開槽爆破，淺孔爆破采用梅花型布孔，孔距1.0～1.5 m，排距b=0.8～1.2 m，創(chuàng)造出適合爆破施工的臨空面，在爆破方向不面朝立柱樁、地連墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況下可適當(dāng)調(diào)整爆破順序。開槽爆破寬度根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況而定，爆破順序如圖6所示。

爆破參數(shù)的確定：臺階高度H=(1～3)m，抵抗線W=(0.6～0.9)H，孔距a=(1.0～1.3)W，

圖6 起爆開挖示意圖

排距b=(0.9～1.1)W，堵塞長度l=(20～30)D(D為鉆孔直徑)，單孔裝藥量Q=qabH(炸藥單耗q取0.4 kg/m)。現(xiàn)場布孔按照實(shí)際情況做調(diào)整，布孔示意圖見圖7，參數(shù)如表1所示。

圖7 淺孔臺階爆破布孔示意圖

表 1 淺孔爆破參數(shù)

2.5 防水工程施工

基坑工程處于海域內(nèi)，結(jié)構(gòu)防水等級要求高，結(jié)構(gòu)防水施工流程如圖8所示。

圖8 防水結(jié)構(gòu)施工流程

(1)基面處理：對基面的不平整處進(jìn)行找平處理，清除凸起物，采用1∶2.5水泥砂漿圓順地覆蓋處理，處理后的基面平整度應(yīng)滿足D/L≤1/6的條件，使凹凸起伏的部位應(yīng)圓滑平緩。陰角順成半徑不小于5 cm的圓弧形，陽角做成2 cm×2 cm的鈍角。

(2)側(cè)墻防水：始發(fā)井側(cè)墻采用單面粘結(jié)防水卷材和爬焊機(jī)焊接，搭接寬度≮5 cm，側(cè)墻防水在腰梁、環(huán)框梁處需斷開，斷開處采用雙組分聚硫密封膠，封堵長度為垂直面80 mm、梁底70 mm。

(3)底板防水：底板與側(cè)墻連接部位陰角處用砂漿抹成50 mm×50 mm的倒角，集水井與底板陽角處施作墊層時(shí)棱角處修復(fù)成20 mm×20 mm的倒角，使防水卷材在陰陽角處與基面密貼。陰陽角處需增加一道附加層，附加層為雙面粘結(jié)防水卷材，寬度為500 mm，兩側(cè)各250 mm。

(4)格構(gòu)柱防水：底板格構(gòu)柱處用3 mm鋼板止水帶止水，位置為板中，鋼邊止水帶與格構(gòu)柱之間滿焊，中間部位預(yù)先施工留150 mm圓孔，確保止水鋼板下混凝土密實(shí)。格構(gòu)柱處防水如圖9所示。

圖9 格構(gòu)柱止水鋼板焊接(單位：mm)

(5)施工縫防水：始發(fā)井施工縫分為兩種，梁底施工縫設(shè)置為遇水膨脹止水條+可重復(fù)注漿管+遇水膨脹止水條+注漿管+混凝土界面劑；梁頂施工縫設(shè)置為鍍鋅鋼板止水帶+注漿管+遇水膨脹止水條+混凝土界面劑。鍍鋅鋼板止水帶采用中埋式安裝，止水帶開口朝向背水側(cè)，鍍鋅鋼板止水帶連接采用焊接，接頭搭接長度≥50 mm，并且一圈滿焊。

2.6 圍護(hù)結(jié)構(gòu)梁施工

始發(fā)井共有6層支撐，環(huán)框梁和支撐按照土方開挖、施作墊層、鋼筋綁扎、安設(shè)模板和澆筑混凝土順序施工。腰梁施工流程如圖10所示。

圖10 腰梁施工流程

3 基坑施工穩(wěn)定性分析

監(jiān)測項(xiàng)目及相關(guān)控制值見表2。

基坑從2017年4月開始開挖到2017年11月盾構(gòu)機(jī)下井組裝完成始發(fā)，期間墻體深層水平位移最大累計(jì)向基坑內(nèi)偏移變形21 mm左右，小于設(shè)計(jì)值30 mm的控制值，總體日平均變形小于1 mm/d；第5道混凝土支撐軸力受力最大達(dá)到15 705 kN，小于設(shè)計(jì)控制值19 283 kN；地表沉降因回填土層軟弱，密實(shí)度差，以及基坑周邊重型設(shè)備作業(yè)等導(dǎo)致地表沉降測點(diǎn)數(shù)值偏大，在施工中初期日變形達(dá)到3～5 mm/d，后期變形1～2 mm/d，過程中沒有突變，地表累計(jì)沉降最終達(dá)到-359.6 mm，趨于穩(wěn)定；其它監(jiān)測項(xiàng)目監(jiān)測結(jié)果遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)控制值。因此，基坑施工期間總體變形情況小于設(shè)計(jì)控制值，滿足基坑施工保持穩(wěn)定安全的要求。

表2 基坑施工主要監(jiān)測項(xiàng)目及控制值

結(jié)合監(jiān)測情況和施工工況分析，基坑施工過程處于穩(wěn)定安全狀態(tài)，保證了施工安全，為盾構(gòu)機(jī)下井組裝順利始發(fā)奠定了有利的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論與討論

(1)基坑開挖前，首先要確保基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系牢固性、安全性，以確保后期操作的順利實(shí)施。

(2)以良好的支護(hù)體系為支撐，采用管井降水提前固結(jié)軟土地層，為基坑挖掘機(jī)開挖提供條件。

(3)在基坑開挖與支護(hù)施工階段，分層開挖，隨挖隨撐，同時(shí)結(jié)合基坑監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握基坑變形情況，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整施工工藝，保證基坑安全。

(4)通過方案不斷優(yōu)化，施工合理組織，嚴(yán)控工序轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)循環(huán)作業(yè)，為基坑快速施工奠定了基礎(chǔ)。