超深超大基坑支護(hù)的施工控制

李五星

中鐵建工集團(tuán)有限公司 山東 青島 266100

近些年來(lái)，建筑工程逐步向超高層發(fā)展，超深超大基坑也相應(yīng)地層出不窮。深基坑支護(hù)技術(shù)是保證深基坑工程質(zhì)量完好，提高建筑穩(wěn)定性和安全可靠性的重要手段，對(duì)超深超大基坑支護(hù)的研究，已成為工程建設(shè)行業(yè)的重點(diǎn)領(lǐng)域[1-11]。

本文依托青島市信息與金融產(chǎn)業(yè)示范區(qū)一地塊的基坑支護(hù)工程，著重對(duì)超深超大基坑的工程重難點(diǎn)、施工控制措施進(jìn)行研究，以期為類似超深超大基坑施工提供依據(jù)及參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

信息與金融產(chǎn)業(yè)示范區(qū)一地塊（李滄區(qū)東李商圈改造二期9-2-2地塊）基坑支護(hù)工程擬建場(chǎng)區(qū)位于青島市李滄區(qū)南嶗路南側(cè)，巨峰路西側(cè)，大嶗路北側(cè)，基坑開挖深度25.20～26.27 m，基坑周長(zhǎng)約924 m，屬于超深超大基坑。基坑安全等級(jí)為一級(jí)，基坑設(shè)計(jì)使用年限為12個(gè)月，屬于山東省2018年新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換重點(diǎn)項(xiàng)目。

1.2 地質(zhì)條件及周邊環(huán)境

場(chǎng)區(qū)內(nèi)地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，層序清晰，第四系主要由全新統(tǒng)人工填土層（Q4ml）及上更新統(tǒng)洪沖積層（Q3al＋pl）構(gòu)成，場(chǎng)區(qū)基巖主要為燕山晚期花崗巖（Y53），其中穿插分布著煌斑巖巖脈（X53）、細(xì)粒花崗巖巖脈，局部受地質(zhì)構(gòu)造作用，形成構(gòu)造破碎帶，本工程共揭示了5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)層、6個(gè)亞層。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘，基坑周邊建筑物較多，基坑北側(cè)為萬(wàn)達(dá)廣場(chǎng)，基坑南側(cè)為東李花園、百通星園住宅小區(qū)，基坑西側(cè)為茶葉批發(fā)市場(chǎng)、國(guó)稅局。

基坑西側(cè)鄰近黑龍江路，用地紅線距離黑龍江路車行道約25 m，黑龍江路下埋設(shè)有各種管線，與基坑頂距離均在25 m以外。

基坑北側(cè)為南嶗路，坡頂線距離人行道邊線約16.10 m，道路下也埋設(shè)有各種管線。

基坑?xùn)|側(cè)為巨峰路，坡頂線距離綠化帶邊線約7.40 m，道路下埋設(shè)有污水、雨水等管線。

基坑南側(cè)為近期修建成的大嶗路，坡頂線與人行道邊線的距離為3.80～7.10 m，道路下埋設(shè)有污水、雨水、給水等市政管線。

2 圍護(hù)體系及工程難點(diǎn)

2.1 圍護(hù)體系

基坑1、2單元靠近南嶗路，5單元靠近大嶗路，該側(cè)上部采用復(fù)合土釘墻支護(hù)體系，按照1∶0.68放坡，設(shè)置土釘和預(yù)應(yīng)力錨索，成孔直徑130 mm；下部采用鋼管樁與預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)體系，鋼管樁成孔直徑180 mm，樁間距1 000 mm，采用φ127 mm×6 mm鋼管，錨索成孔直徑130 mm，采用3φ15.2 mm鋼絞線。

基坑3、4、6單元采用復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)，上部采用排樁與預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)體系，下部采用鋼管樁與預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)體系。樁錨支護(hù)體系中灌注樁直徑800 mm，樁間距1 500 mm，灌注樁樁間設(shè)置φ1 200 mm高壓旋噴樁，間距1 500 mm，入巖1.0 m，水泥用量不小于600 kg/m，設(shè)置5層預(yù)應(yīng)力錨索，成孔直徑130 mm，均為3φ15.2 mm鋼絞線；下部采用鋼管樁與預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，鋼管樁成孔直徑180 mm，樁間距1 000 mm，采用φ127 mm ×6 mm鋼管；設(shè)置4層預(yù)應(yīng)力錨索，成孔直徑130 mm。

2.2 止水帷幕

考慮到3、4、5、6單元分布有粗砂，為確保土方開挖及周邊環(huán)境的安全，本工程采用φ1 200 mm、樁間距900 mm的單排三重管高壓旋噴樁止水帷幕，有效樁長(zhǎng)約15 m，水泥用量不少于500 kg/m。

2.3 難點(diǎn)分析

本工程集合了樁錨支護(hù)體系、復(fù)合土釘墻支護(hù)體系，各體系轉(zhuǎn)換存有較大的安全隱患。因此，在基坑開挖支護(hù)過程中，應(yīng)根據(jù)支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)、地層變化情況及基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，強(qiáng)化支護(hù)體系轉(zhuǎn)換的施工控制。

1）灌注樁成孔難度大。本基坑主要為松散素填土、粉質(zhì)黏土、砂層、風(fēng)化花崗巖等，由于砂層中富含地下水，容易坍孔，故采用泥漿護(hù)壁。該項(xiàng)目部分灌注樁采用長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)鉆至設(shè)計(jì)深度后灌注混凝土，然后振動(dòng)插放鋼筋籠的工藝，局部灌注樁入巖不足的部位，采用內(nèi)側(cè)增加鋼管樁及護(hù)腳錨桿，保證嵌固深度。

2）錨索施工成孔難度大。基坑上層部分錨索既要穿過回填土層、黏土層、砂層，又要進(jìn)入巖層。基坑上部周邊回填土中埋有大量的市政管線，成孔難度大；砂層中蓄水開孔后易出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象，普通鉆機(jī)難以實(shí)現(xiàn)。為克服上述難點(diǎn)，選用套管跟進(jìn)工藝進(jìn)行施工，確保按設(shè)計(jì)要求成孔。

3）現(xiàn)場(chǎng)止水難度大。本工程地層中存在大量粗礫砂層，鄰近李村河，蓄有大量地下水，因此高壓旋噴樁對(duì)止水起到了至關(guān)重要的作用。止水關(guān)鍵主要體現(xiàn)在巖石與砂層接觸位置，該部位施工時(shí)必須嚴(yán)格控制提升速度、噴射參數(shù)。

4）周邊環(huán)境復(fù)雜。周邊建筑物較多，基礎(chǔ)形式復(fù)雜，變形控制要求高。通過每天進(jìn)行基坑巡檢，觀察管線有無(wú)異常；通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可直觀地了解管線的變形情況，并根據(jù)變形情況，決定施工時(shí)是否對(duì)方案進(jìn)行調(diào)整和對(duì)管線采取進(jìn)一步的加固措施。

3 施工過程控制措施

3.1 樁基施工

基坑3、4、5、6單元分布有粗砂，先進(jìn)行灌注樁施工，然后進(jìn)行三重管高壓旋噴樁止水帷幕施工。該基坑支護(hù)灌注樁樁徑為800 mm，高壓旋噴樁樁徑1 200 mm。為加快施工進(jìn)度，選擇采用旋挖鉆機(jī)及長(zhǎng)螺旋鉆機(jī)進(jìn)行施工，但由于現(xiàn)場(chǎng)存在較厚砂層，滲透系數(shù)較大，且地下水位較高，故采用5 m加長(zhǎng)護(hù)筒進(jìn)行施工，采用泥漿護(hù)壁，有效地避免了坍孔。

3.2 止水帷幕施工

該基坑周長(zhǎng)逾900 m，基坑四面需進(jìn)行三重管高壓旋噴樁施工，應(yīng)采用合理的水灰比及噴射參數(shù)，控制水泥用量，以達(dá)到良好的止水效果。經(jīng)過試驗(yàn)，通過控制水灰比及調(diào)節(jié)施工參數(shù)，對(duì)不同地層的施工進(jìn)行指導(dǎo)。通過對(duì)施工參數(shù)的控制，止水帷幕累計(jì)節(jié)省水泥800 t。

3.3 承壓水地層錨索施工

該項(xiàng)目地層上部為素填土、粉質(zhì)黏土、粗礫砂、含碎石礫砂，下部為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化巖石。錨索需要穿過粉質(zhì)黏土、含碎石礫砂，錨入微風(fēng)化花崗巖。本基坑在應(yīng)用設(shè)計(jì)的套管跟進(jìn)工藝，更換鉆桿期間出現(xiàn)涌水涌砂等問題，由于止水帷幕位于灌注樁以外，灌注樁之間砂層沒有水泥固結(jié)，加大了涌砂處理難度，很多常規(guī)治理方法難以解決，致使該部位工程一度停滯。經(jīng)多方討論、比對(duì)、試驗(yàn)后，在傳統(tǒng)套管跟進(jìn)工藝基礎(chǔ)上，采用增加外套管、填充棉絮狀物及注漿袋等方法，有效地解決了錨索涌水涌砂的問題，并且保障了工程進(jìn)度。

承壓水地層錨索涌砂治理方法為：采用雙套管水循環(huán)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行錨索施工，鉆進(jìn)到位后，拔出內(nèi)鉆桿，在外套管內(nèi)注滿水泥漿，安裝錨索束。錨索束綁扎一根通長(zhǎng)注漿管（錨固段設(shè)劈裂孔眼并用膠帶封閉），靠近止水帷幕以外位置綁扎一根封孔注漿袋，錨索束放入套管內(nèi)后，逐節(jié)拔外套管，并不斷在套管內(nèi)補(bǔ)注水泥漿。剩最后一根時(shí)，將錨索束向外拔出一定長(zhǎng)度，在止水帷幕位置緊靠注漿袋綁扎棉絮狀填充物，直徑以恰好能從外套管內(nèi)壁穿過即可。

利用鉆機(jī)鉆桿配合人工將錨索束連同棉絮狀填充物壓入套管內(nèi)，同時(shí)外拔套管，將棉絮填充物和注漿袋準(zhǔn)確安放在帷幕和帷幕以外位置，將砂土層堵在孔內(nèi)，然后對(duì)封孔注漿袋進(jìn)行壓力注漿（早強(qiáng)）封孔。待封孔強(qiáng)度上來(lái)后，對(duì)留置孔內(nèi)的通長(zhǎng)注漿管進(jìn)行二次壓力劈裂注漿，保證錨固段注漿質(zhì)量。

3.4 土方開挖

本基坑開挖深度25.20～26.27 m，基坑周長(zhǎng)約924 m，土方量約700 000 m3，石方量約750 000 m3，選擇合理的出土坡道尤為重要。

本基坑大嶗路側(cè)先放坡后垂直開挖，基坑水平位移較大，不宜作為出土通道；黑龍江路側(cè)為高架橋，無(wú)法出土；南嶗路對(duì)面為商場(chǎng)，車行及人流較多，不宜作為出土通道。因此，選擇南嶗路與巨峰路交叉口作為出土通道，既保證出土方便，又利于基坑內(nèi)土方開挖。

土方開挖劃分為3個(gè)施工區(qū)，每個(gè)施工區(qū)分成幾個(gè)施工段，進(jìn)行流水作業(yè)施工。每個(gè)區(qū)段支護(hù)作業(yè)時(shí)，開挖其他區(qū)段的土石方，從而減少同區(qū)域支護(hù)與土石方開挖的互相干擾。

3.5 基坑監(jiān)測(cè)

本項(xiàng)目基坑除支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平、豎向位移，錨桿軸力監(jiān)測(cè)外，尤其加強(qiáng)基坑1、2單元南嶗路側(cè)的監(jiān)測(cè)以及5單元大嶗路側(cè)的監(jiān)測(cè)。基坑1、2、5單元上部采用復(fù)合土釘墻放坡支護(hù)體系，下部垂直開挖。

2018年12月，大嶗路側(cè)、南嶗路側(cè)泵車通行較多，基坑水平位移較大。后期減少泵車通行后，采用地表壓力注漿，增強(qiáng)土體的黏聚力，基坑水平位移的控制效果比較理想。

3.6 BIM技術(shù)指導(dǎo)錨索施工

基坑錨索數(shù)量多，長(zhǎng)度為12～29 m。基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑形狀不規(guī)則，周邊既有建筑物較多，預(yù)應(yīng)力錨索容易與周邊建筑物基礎(chǔ)及管線碰撞，危害結(jié)構(gòu)安全。

項(xiàng)目成立BIM小組，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙、勘察報(bào)告，結(jié)合基坑周邊地下管網(wǎng)環(huán)境、周邊建筑物基礎(chǔ)，進(jìn)行基坑樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)與環(huán)境BIM模擬，指導(dǎo)預(yù)應(yīng)力錨索的施工作業(yè)，實(shí)現(xiàn)基坑與周邊基礎(chǔ)空間一體化。

BIM小組根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索每一個(gè)有效碰撞點(diǎn)進(jìn)行鉆孔角度的調(diào)整，并實(shí)時(shí)更新模型，再利用 Navisworks進(jìn)行施工碰撞檢查模擬驗(yàn)證，形成預(yù)應(yīng)力錨索施工前期問題報(bào)告匯總表，在表中提出針對(duì)地下管線及周邊建筑物基礎(chǔ)碰撞點(diǎn)的優(yōu)化方案，反饋至設(shè)計(jì)單位，經(jīng)設(shè)計(jì)單位優(yōu)化，調(diào)整錨索鉆孔角度，優(yōu)化錨索自由段與錨固段的長(zhǎng)度。

3.7 微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

該基坑巖層需爆破施工，周邊建筑物較多，與青島理工大學(xué)合作引入“微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”，對(duì)基坑監(jiān)測(cè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè)。

采用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、三維激光掃描、孔隙水壓力計(jì)、三維土壓力計(jì)、測(cè)斜儀，與第三方監(jiān)測(cè)已有的措施形成互補(bǔ)。研發(fā)了一套利用微震、應(yīng)力、位移、地下水位等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判定超深基坑開挖失穩(wěn)的智能監(jiān)測(cè)預(yù)警分析系統(tǒng)，結(jié)合了基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的數(shù)據(jù)處理方法，得出基坑破壞危險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定針對(duì)的不同危險(xiǎn)等級(jí)的危險(xiǎn)警報(bào)閾值。

使用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)損傷發(fā)生的位置，實(shí)時(shí)進(jìn)行危險(xiǎn)性評(píng)估和預(yù)警。微震監(jiān)測(cè)可以反演巖體損傷破壞的全過程，通過相應(yīng)的地震學(xué)參數(shù)分析，能夠揭露巖體內(nèi)部復(fù)雜的力學(xué)環(huán)境，通過應(yīng)力、應(yīng)變的突變，模擬巖體的穩(wěn)定狀況。

4 結(jié)語(yǔ)

該工程為超深超大巖石基坑，鄰近商業(yè)及住宅區(qū)，通過合理的施工技術(shù)控制措施，有效地加快施工進(jìn)度，確保了工程質(zhì)量。從設(shè)計(jì)階段即統(tǒng)一規(guī)劃今后可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)、工期、成本、施工難度等因素，優(yōu)化圍護(hù)設(shè)計(jì)方案，降低成本。僅止水帷幕一項(xiàng)通過優(yōu)化施工參數(shù)，便有效節(jié)約水泥量達(dá)800 t，為類似項(xiàng)目的低成本運(yùn)營(yíng)提供了借鑒。

該基坑深度較深，錨索軸力監(jiān)測(cè)不便于開展，2018年雨季期間，因天氣因素，影響基坑監(jiān)測(cè)長(zhǎng)達(dá)15 d。該類基坑宜采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，隨時(shí)掌握監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于該類超深超大基坑的施工具有重要意義。