塊石回填淤泥基坑開(kāi)挖施工及支護(hù)技術(shù)研究

張滿紅

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

福州、莆田、寧德等地灘涂存在大量的第四紀(jì)全新統(tǒng)海相沉積淤泥層，這些軟土均具有含水率高、滲透性小、固結(jié)速度慢、壓縮性高、力學(xué)強(qiáng)度低、靈敏度高等特性[1-2]，這些地區(qū)進(jìn)行基坑開(kāi)挖常出現(xiàn)基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、坑底隆起等工程問(wèn)題，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。合理的選擇此類區(qū)域的基坑支護(hù)技術(shù)值得探討。本文以福鼎某實(shí)際基坑支護(hù)工程為例，針對(duì)在基坑支護(hù)設(shè)計(jì)中遇到流態(tài)淤泥、豐富的基坑涌水及臨近新建道路對(duì)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的影響等問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出有效的解決辦法，以供借鑒。

1 工程概況

福鼎某工程共分為5個(gè)地塊，分別為7#、8#、10#、11#、12#地塊，本文以8號(hào)地塊基坑支護(hù)為例。場(chǎng)地北側(cè)、南側(cè)為擬建規(guī)劃道路，西側(cè)為擬建7號(hào)地塊(原為養(yǎng)殖池塘)，兩地塊之間亦為擬建規(guī)劃道路，目前北側(cè)、南側(cè)紅線位置及紅線外分布有養(yǎng)殖池塘(塘深約1.0 m～1.5 m，水深約0.3～1.0 m)，東側(cè)為在建鐵鏘大道。地下室呈不規(guī)則方形。基坑周長(zhǎng)約1000 m，基坑面積約24 000 m2，基坑開(kāi)挖至底板墊層底約2.05 m～5.15 m，主樓承臺(tái)挖深最深達(dá)6.3m。基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。8號(hào)地塊包括7#、8#、9#、10#、12#、13#和15#，共8座擬建高層建筑。基坑支護(hù)總平圖及周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 基坑支護(hù)總平圖及周邊環(huán)境

2 工程地質(zhì)條件

2.1 場(chǎng)地地質(zhì)條件

場(chǎng)地內(nèi)原始地貌主要為海灣沖淤積灘涂(潮間帶)地貌，后因在場(chǎng)地外圍修筑海堤，形成場(chǎng)地內(nèi)水產(chǎn)養(yǎng)殖區(qū)，區(qū)內(nèi)地表水充沛。政府交地前，場(chǎng)地大部分用碎塊石(塊徑在5 cm～1 m間)回填整平，由于碎塊石級(jí)配不良，孔隙大，在孔隙間藏有大量的地下水。地勢(shì)總體較平坦、開(kāi)闊。

2.2 場(chǎng)地巖土層結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件

基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)的土層，自上而下分述如下：

①1素填土(Qml)，松散狀態(tài)，稍濕～濕，成分主要由粘性土等回填而成，局部含少量塊石、碎石。近期回填，屬欠固結(jié)土，層厚0.90 m～3.80 m。

①2碎石填土(Qml)：松散～稍密狀，稍濕～飽和，主要由碎塊石等回填而成，空隙間充填物主要為粘性土及礫石，下部夾少量淤泥。近期回填，屬欠固結(jié)土，層厚0.80 m～4.00 m。

②淤泥(Q4m)：飽和，流塑狀，主要由粉、粘粒組成，局部含少量石英砂粒及有機(jī)質(zhì)。該層土的天然含水量超過(guò)60%，孔隙比大于1.675，該層全場(chǎng)地均有分布，最厚達(dá)20.00 m。

③、⑥粉質(zhì)粘土(Q4al)：大多為可塑，成分主要由粉、粘粒組成，局部含少量石英砂粒。力學(xué)強(qiáng)度一般～偏低，層厚1.00 m～11.40 m。

④含泥細(xì)砂(Q4al)：稍密，飽和，含細(xì)粒石英顆粒及云母等，級(jí)配較差，局部含少量泥質(zhì)，層厚1.00 m～7.80 m。

⑤淤泥質(zhì)土(Q3al)：飽和，流塑～軟塑狀態(tài)，含少量貝殼有機(jī)物，該層主要在場(chǎng)地北側(cè)有分布，層厚1.20 m～7.10 m。

⑦卵石(Q3al+pl)：飽和，呈稍密～中密狀，卵石含量占55.9～70.2%(顆分結(jié)果)，粒徑一般在20 mm～90 mm，孔隙間充填物主要為粘性土及砂性土，層厚0.50 m～14.20 m。

場(chǎng)地的孔隙潛水賦存于素填土①1、碎石填土①2中，場(chǎng)地原為養(yǎng)殖魚(yú)、蝦塘，場(chǎng)地內(nèi)地下水混合穩(wěn)定水位埋深0.1 m～2.7 m，受海水、大氣降水的影響。因隔水層厚，含泥細(xì)砂、卵石孔隙中的承壓水對(duì)基坑支護(hù)影響不大。

2.3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，基坑支護(hù)相關(guān)土層的物理力學(xué)參數(shù)詳如表1所示。

表1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)相關(guān)土層的計(jì)算參數(shù)

3 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

寧德地區(qū)淤泥具有含水率高、孔隙比大、強(qiáng)度低、高壓縮性，觸變性強(qiáng)、靈敏度高、結(jié)構(gòu)性強(qiáng)等特性。在該地區(qū)進(jìn)行一層地下室開(kāi)挖，開(kāi)發(fā)商出于成本考慮，往往不重視一層地下室的基坑支護(hù)，導(dǎo)致很多工程問(wèn)題。

8號(hào)地塊原為養(yǎng)魚(yú)池塘，與周邊未回填的魚(yú)塘水力聯(lián)系緊密；政府局部回填碎石移交給開(kāi)發(fā)商，淤泥受擾動(dòng)程度不一樣，土層性質(zhì)差異大；東側(cè)為在建鐵鏘大道，需考慮基坑開(kāi)挖對(duì)道路的影響。因此該基坑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)、難點(diǎn)在于塊石填土中圍護(hù)樁成樁方法的選擇、地下水的控制、基坑側(cè)壁的止水及支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性控制、流態(tài)淤泥開(kāi)挖施工的坑底隆起和邊坡變形控制等。

若采用常規(guī)的雙軸水泥攪拌樁止水，因表層用大尺寸碎塊石回填，直接成樁困難，需先用鉆機(jī)引孔，引孔成本高且工期長(zhǎng)；若采用高壓旋噴樁，因碎石間空隙大、含水率高，水泥漿難以和碎石填土拌合凝固為新的固結(jié)體，止水效果不好[3]。根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，塊石回填土淤泥土層中采用鋼板樁施工時(shí)，鋼板樁能將塊石擠入到周邊的淤泥層中，具備成樁的可行性。綜合考慮選用可循環(huán)使用、施工便捷的拉森鋼板樁，環(huán)環(huán)相扣，沿基坑四周形成閉合止水帷幕。拉森鋼板樁與土釘墻通過(guò)用雙拼槽鋼腰梁連接，形成整體，起拉錨作用，這樣能達(dá)到擋土及止水的雙重效果[6,7]。采用理正深基坑7.0軟件進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，典型支護(hù)剖面如圖2所示。

圖2 基坑支護(hù)剖面圖一

東側(cè)緊鄰在建鐵鏘大道，長(zhǎng)約175 m。該側(cè)路面行車荷載較大，在深厚淤泥軟土層基坑，易產(chǎn)生坑底隆起及較大的側(cè)向變形。綜合考慮，采用坑內(nèi)被動(dòng)區(qū)加固來(lái)減少坑底隆起量，結(jié)合型鋼+預(yù)應(yīng)力錨索的支護(hù)形式來(lái)控制基坑側(cè)向變形。基坑支護(hù)剖面圖如圖3所示。

圖3 基坑支護(hù)剖面圖二

4 施工中遇到的問(wèn)題及原因分析

4.1 問(wèn)題1：15#樓基坑出現(xiàn)坑底隆起、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形大，基坑開(kāi)挖施工困難問(wèn)題

主要原因分析：現(xiàn)場(chǎng)未按圖紙施工，在開(kāi)挖前，未形成閉合止水帷幕，且沒(méi)有遵循分層、分段、均衡、對(duì)稱開(kāi)挖的原則。建設(shè)單位為了能盡早辦理預(yù)售許可證，等不及政府完成場(chǎng)地的三通一平，局部主樓先行開(kāi)挖。在開(kāi)挖15#樓前，沿基坑四周未形成閉合止水帷幕，而只在15#北側(cè)、西側(cè)做支護(hù)，其他位置均未支護(hù)。在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)現(xiàn)淤泥處于流態(tài)，無(wú)法成形，一挖就塌，造成地表開(kāi)裂，裂縫最寬處約200 mm，裂縫平行于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的邊線。分析其原因，首先該場(chǎng)地原為魚(yú)塘，淤泥長(zhǎng)期泡水，含水率高，強(qiáng)度低，其次15#主樓先行開(kāi)挖，該處土體的自重應(yīng)力釋放，使得土體發(fā)生回彈變形，開(kāi)挖場(chǎng)地周邊的淤泥，都往開(kāi)挖區(qū)域流動(dòng)。局部開(kāi)挖后，主動(dòng)土壓力和被動(dòng)區(qū)土壓力不平衡，使得該位置支護(hù)結(jié)構(gòu)變形大，拉森鋼板樁整體沉降，并向坑內(nèi)傾斜，擠壓土體，以致于出現(xiàn)坑底隆起現(xiàn)象[5]。

4.2 問(wèn)題2：13#樓基坑出現(xiàn)基坑涌水量大，開(kāi)挖施工困難問(wèn)題

主要原因分析：15#樓基坑先行施工完成后，工程部又把目標(biāo)鎖定在相鄰的13#樓。本以為有15#樓基坑開(kāi)挖的經(jīng)驗(yàn)，13#樓開(kāi)挖會(huì)順利，但遇到完全不同的情況——源源不斷的基坑涌水。在開(kāi)挖13#樓過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)施工反饋，用多臺(tái)大功率水泵聯(lián)合工作，仍然無(wú)法滿足基坑開(kāi)挖條件。分析其原因，該場(chǎng)地原為魚(yú)塘，后采用碎塊石回填，而碎石填土層孔隙度大，透水性強(qiáng)，且與周邊未回填的魚(yú)塘水的水力聯(lián)系緊密，地下水豐富。13#樓先開(kāi)挖，導(dǎo)致基坑底部地勢(shì)低，形成水力坡降，周邊大量的魚(yú)塘地表水對(duì)填土地下水的補(bǔ)給量大。通過(guò)觀測(cè)場(chǎng)地外北側(cè)養(yǎng)魚(yú)池塘水位，發(fā)現(xiàn)二者水位相近。在未設(shè)置鋼板樁止水帷幕的情況下，地勢(shì)低的基坑成為周邊場(chǎng)地匯水地區(qū)。

4.3 問(wèn)題3：9#樓、10#樓基坑淤泥處于流態(tài)，出現(xiàn)淤泥流土嚴(yán)重，存在土體位移大，坡頂出現(xiàn)開(kāi)裂、坑底出現(xiàn)隆起現(xiàn)象問(wèn)題

主要原因分析：北側(cè)13#、12#樓均無(wú)法先行開(kāi)挖，工程部又轉(zhuǎn)向南側(cè)10#、9#樓。政府交地時(shí)，因8號(hào)地塊僅北側(cè)部分有回填，為便于樁基施工，現(xiàn)場(chǎng)工程部決定自東向西用碎石填土回填整平8號(hào)地塊。而此時(shí)政府在8號(hào)地塊南側(cè)紅線外自南向北回填。在開(kāi)挖10#、9#樓基坑時(shí)，發(fā)現(xiàn)該范圍內(nèi)淤泥物理力學(xué)性質(zhì)更差，不僅處于流態(tài)，直接往坑內(nèi)涌動(dòng)。探究其原因，南北兩側(cè)同時(shí)回填堆載，導(dǎo)致土體產(chǎn)生剪切破壞，滑裂面一旦貫通，出現(xiàn)流土現(xiàn)象[4]。由于淤泥的滲透系數(shù)低，透水性差，土體中的孔隙水或孔隙氣來(lái)不及排出，產(chǎn)生超靜孔隙水應(yīng)力，水頭高度明顯高于場(chǎng)地內(nèi)靜止水位[8]。局部開(kāi)挖過(guò)程中，隨著回填土產(chǎn)生的淤泥超靜孔隙水應(yīng)力不斷往非回填處開(kāi)挖基坑的淤泥擴(kuò)散，形成擠壓淤泥帶，土體位移變形大。

4.4 問(wèn)題4：8號(hào)地塊基坑?xùn)|側(cè)邊坡出現(xiàn)變形過(guò)大問(wèn)題

主要原因分析：東側(cè)距離在建鐵鏘大道約20 m，基坑支護(hù)設(shè)計(jì)初期，鐵鏘大道處于建設(shè)中。工地因各種原因，停工8個(gè)月，再次復(fù)工時(shí)，鐵鏘大道已建成并通車。其路面標(biāo)高比基坑支護(hù)設(shè)計(jì)初期高出1.3 m～2.3 m,該范圍內(nèi)淤泥厚約15.8 m～16.5 m。前期采用臺(tái)階式放坡+型鋼(拉森鋼板樁)+土釘墻支護(hù)形式，由于周邊環(huán)境的改變已無(wú)法滿足新環(huán)境條件下基坑的變形控制要求，造成東側(cè)基坑邊坡變形過(guò)大。

5 應(yīng)急措施

現(xiàn)場(chǎng)未按圖施工，出現(xiàn)問(wèn)題后，施工單位迅速聯(lián)系設(shè)計(jì)單位求助，設(shè)計(jì)方到場(chǎng)了解情況后，給出了應(yīng)急措施，使得變形得到有效控制。目前8號(hào)地塊基坑已回填，主樓也已封頂，證明按圖施工，該支護(hù)方案可行。

(1)針對(duì)問(wèn)題1、問(wèn)題3，9#、10#樓、15#樓等基坑開(kāi)挖進(jìn)展舉步維艱，經(jīng)綜合分析，按圖2支護(hù)設(shè)計(jì)方進(jìn)行施工，同時(shí)采用坡頂卸土是經(jīng)濟(jì)有效的處理方式。施工時(shí)將坡頂3 m寬范圍內(nèi)土進(jìn)行卸土減荷，卸載高度大于1 m，最終順利完成基坑開(kāi)挖施工。

(2)針對(duì)基坑開(kāi)挖過(guò)程中問(wèn)題2，基坑地下水源源不斷受到補(bǔ)給的情況，結(jié)合地勘報(bào)告，場(chǎng)地含水層的性質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖實(shí)況，周邊魚(yú)塘水位的漲幅與場(chǎng)地內(nèi)水位標(biāo)高相對(duì)應(yīng)。基坑涌水源于周邊魚(yú)塘水補(bǔ)給及碎石填土埋藏的孔隙潛水，地下室開(kāi)挖前，設(shè)置止水帷幕隔斷坑內(nèi)地下水與周邊地表水體的水力聯(lián)系，并在坑內(nèi)采用集水明排是行之有效的措施。施工中通過(guò)設(shè)置拉森鋼板樁,形成閉合的止水帷幕，順利完成開(kāi)挖施工。

(3)針對(duì)問(wèn)題4，考慮到已建成的鐵鏘大道及已鋪設(shè)的管線，東側(cè)臨近道路現(xiàn)狀及支護(hù)環(huán)境條件的變化，該側(cè)基坑的支護(hù)形式改為型鋼+預(yù)應(yīng)力錨索，被動(dòng)區(qū)采用單軸水泥攪拌樁加固。因錨索在淤泥層中錨固效果較差，為保證有足夠的錨固力，控制邊坡變形，要求預(yù)應(yīng)力錨索穿透淤泥層，進(jìn)入卵石層不少于5.0 m，錨索軸向拉力標(biāo)準(zhǔn)值需通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)拉拔試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。典型支護(hù)剖面如圖3所示。實(shí)踐證明，該支護(hù)形式行之有效，較好地控制了邊坡變形。

6 結(jié)語(yǔ)

福鼎等地灘涂的含塊石淤泥具有高含水量、力學(xué)強(qiáng)度低、靈敏度高、滲透性小、固結(jié)慢等特點(diǎn)，此類軟土基坑開(kāi)挖易出現(xiàn)流泥、位移大、坑底隆起，基坑失穩(wěn)等事故。軟土基坑支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮周邊環(huán)境條件、水文地質(zhì)條件、工程地質(zhì)條件、施工工況等合理選擇適宜的基坑支護(hù)形式。當(dāng)支護(hù)環(huán)境條件產(chǎn)生變化時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案。在有塊石回填的灘涂淤泥一層基坑中開(kāi)挖，采用拉森式鋼板樁相此水泥攪拌樁具有較強(qiáng)的成樁可行性，且擋土、止水效果較好，結(jié)合淤泥被動(dòng)區(qū)加固及錨入較好地層的土層錨桿，能較好地控制基坑邊坡的側(cè)向變形。

灘涂淤泥場(chǎng)地的回填狀態(tài)對(duì)淤泥基坑開(kāi)挖土體的穩(wěn)定性影響較大，基坑開(kāi)挖宜在場(chǎng)地回填完成后一段時(shí)間，待淤泥固結(jié)度提高后再進(jìn)行，避免發(fā)生淤泥受擾動(dòng)后土體產(chǎn)生過(guò)大的塑性流動(dòng)或發(fā)生土體失穩(wěn)。