深厚砂層中深基坑支護設計及止水措施

趙志孟，王建強，劉慧芬

（1.深圳市勘察研究院有限公司，廣東 廣州 518026；2.廣東智云工程科技有限公司，廣東 佛山 528000；3. 佛山科學技術學院交通與土木建筑學院，廣東 佛山 528000）

0 引言

隨著社會經濟的飛速發展，國內基坑工程的數量也隨之增多，基坑逐漸向著大深度、大面積方向發展，由于地下土體性質、周邊環境的復雜性等，基坑開挖與支護的難度越來越大。基坑開挖過程中，常遇到基坑壁過量位移或滑移倒塌、坑底卸荷回彈（或隆起）、坑底滲流（或突涌）、基坑流砂等基坑穩定性問題，特別是在近水砂層的地質條件下，進行基礎開挖時，當基坑開挖至地下水位線以下時，從基坑中抽排水，由于滲流會產生動水壓力，出現流砂現象［1］；對于坑底以下存在承壓水的深基坑工程，當基坑開挖導致上覆不透水層過薄，承壓水將頂裂或沖破基坑底部，引發突涌事故［2］，而且基坑突涌是一種非常有害的地質作用，其發生時坑底發生流砂、噴水、冒砂等現象，嚴重時將會導致基坑失穩［3］。所以，止水問題在超深砂層下開挖基坑中是非常重要的。本文將通過一個具體深基坑支護工程的案例，來闡述深厚砂層地質條件下基坑支護設計［4］以及止水措施。

1 工程概況

1.1 基坑位置及技術特征

項目擬建場地位于北海市銀海區境內，基坑東北側和西北側均鄰近道路，西南面鄰近某住宅小區。本基坑開挖深度 4.4～12 m，存在坑中坑，基坑支護長度 626 m（長度為基坑頂邊線長度），主要支護方案為支護樁+攪拌樁+錨索，部分剖面輔以放坡的形式。支護樁長 10.5～20.5 m，止水樁長 13～21 m。

1.2 工程地質情況

根據野外鉆探揭露，擬建場地分布的地層有人工填土、第四系中更新統北海組沖洪積層和第四系下更新統湛江組沖洪積層。各地層野外特征自上而下分層如下：人工填土（Qml）①，褐灰色，新近堆填，結構松散；第四系中更新統北海組沖洪積層（Q2bal+pl）：含黏性土中砂②灰黃色，干硬濕軟，松散狀態，含黏性土礫砂③，褐黃雜褐紅，稍密狀態，粗礫砂④多色，級配較好，稍密狀態，黏土④1淺灰，可塑狀態；第四系下更新統湛江組沖洪積層（Q1zal+pl）：黏土⑤淺灰，硬塑態，粗礫砂⑥淺灰，飽和，中密狀，黏土⑥1淺灰夾淡紅色，可塑狀態，黏土⑦淺灰、淡紅色，硬塑態。其典型地質剖面圖如圖 1 所示。

本次研究為基坑北側的部位，即剖面 L-M 段、M-N 段、N-C 段、C-D 段、D-E 段，該部分剖面段基坑開挖深度為 9.7～12 m，基坑平面布置如圖 2 所示。基坑各土層基坑支護設計主要物理力學指標值如表 1 所示。

1.3 基坑場地水文特征

場地內未見地表水系。地下水主要分為二種類型：一類為孔隙潛水，另一類為孔隙承壓水。孔隙潛水主要賦存于場地的粗礫砂④中，場地黏土⑤和⑦層屬相對隔水層，受其影響，賦存于粗礫砂⑥層中的地下水應為孔隙承壓水。場地內的孔隙潛水穩定水位埋深為1.80～6.45 m，水位標高為 5.82～6.87 m；場地內的孔隙承壓水穩定水位埋深及其水位標高與孔隙潛水穩定水位大體相當，該孔隙承壓水局部具有一定的壓力水頭，水位高出粗礫砂⑥層頂部一般約為 5～10 m 不等。場地地下水位變化幅度為 1.0～3.0 m。

表1 各土層基坑支護設計主要物理力學指標值

1.4 基坑監測方案

本工程監測內容包括坑頂水平及沉降位移監測、基坑水位觀測、樁身深層水平位移觀測、錨索內力觀測，同時對施工中出現的滲水漏砂現象進行監控；其中，地下水位監測通過孔內設置水位管，采用水位計進行量測，潛水水位管在基坑施工前埋設。監測平面布置圖如圖 2 所示。

圖1 典型地質剖面圖（單位：m）

2 基坑支護設計方案及技術難點

圖2 監測平面布置圖

2.1 基坑支護設計方案

本 段 基 坑 采 用 8 0 m m 厚 掛網噴面放坡+φ8 0 0@6 0 0 攪拌 樁+φ8 0 0@1 2 0 0 支 護 樁+2 ×3φS15.2L 預應力錨索，錨索長度為 24.0 m 和 18.0 m。

坡面噴射混凝土原材料采用干凈的中粗砂和粒徑＜15 mm 的礫石，配合比為水泥∶砂∶碎石=1∶2∶2.5。噴料應攪拌均勻，隨攪隨用。噴射時，應控制好水灰比為 0.5～0.55，保存混凝土表面平整，呈濕潤光滑無干斑或流淌現象（水泥采用 P·O42.5 的普通硅酸鹽水泥）。噴射作業時，噴頭應與錨索墻面保持垂直，其距離宜為0.6～1.0 m。

錨索水泥漿液采用 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比為 0.5～ 0.55，第一次注漿壓力為 0.5～ 1.5 MPa，第二次注漿壓力為 2.0～ 3.0 MPa。

基坑支護剖面參數統計如下。

1）放 坡 段。坡 高 3.0 m，坡 比 1∶1.5，坡 面 8 0 m m 厚 掛 網 細 石混 凝 土，φ6.5@250×250 鋼筋網，并打短釘，短釘長度為 1.5 m，間距 1.5 m。

2）支護樁。φ800@1 200 灌注樁，樁長為 11.3 m。

3）錨索。錨索長度分別為 24.0 m 和 18.0 m，采用預應力錨索 3φS15.2L，水平@2 400，錨固長度分別為 17 m 和 12 m，入射角度為 30°。

4）止水樁。φ800@600 攪拌樁，樁長為 16.0 m。

基坑北側典型剖面大樣圖如圖 3 所示。

在剖面大樣圖 3 中可以看出：基坑底部以下均為砂層，支護樁底部位于第二層砂土（粗礫砂）中，本次設計的止水帷幕穿透粗礫砂層位于黏土層中。

2.2 技術難點

深厚砂性土層深基坑支護工程的關鍵問題在于基坑的變形控制和地下水的控制。對本工程而言，主要需解決的技術難度如下。

1）基坑上部砂層較厚，厚度達 15.9 m，并且地下水位較高，水量豐沛，錨索在鉆孔過程中容易發生涌水涌砂的現象，造成塌孔，不能夠有效成孔。

2）水泥攪拌樁初凝一般需要 3 d，由于場地砂層較厚且砂層透水性大，水泥漿液易被流動的地下水稀釋或流失導致不能成型，因此水泥攪拌樁在富水砂層中容易失效。

3）本基坑坑內降水采用降水井的形式，在施工過程中，需要對降水井抽水過程中的含砂量進行監控，預防涌砂現象。在開挖過程中，需加強基坑的巡查，發現周邊的漏水點，并采取有效措施進行止水。

3 止水遇到的問題及解決方案

根據 JGJ 120-2012《建筑基坑支護技術規程》，本基坑工程安全等級為一級，根據現場地質情況，采用直徑 550 mm 攪拌樁進行引孔，再施工直徑 800 mm 的攪拌樁進行止水并結合降水井進行坑內降水。按照：整平場地→施工支護樁→施工止水樁→施工錨索→施工冠梁→張拉錨索→第一層土方開挖→施工腰梁→施工錨索→土方開挖依次循環施工。

3.1 深厚砂層富水下成樁質量問題

水泥攪拌樁在施工前首先要進行成樁試驗，鉆孔抽芯檢測數量不少于總數的 1 %且不少于 5 根，由于地下水位較高，在水壓作用下可能會在成樁過程中，造成水泥漿被水流稀釋，出現抽芯不見水泥的現象，造成水泥攪拌樁無法成樁或者成樁質量低，止水帷幕失效。水泥攪拌樁作為止水帷幕失效的原因大致可以分為兩點。①樁搭接長度不夠、水泥摻入比不當等參數設計問題；②施工管理不到位，樁身垂直度偏差較大、打樁間隔過長、斷漿等。針對上述問題本工程采用工藝比選的測試方法來挑選適合本工程的施工工藝。

對基坑北側進行試樁工作，以驗證水泥土攪拌樁噴攪工藝效果，共設 9 處試樁點，3 處為一組，分為 A、B、C 組，分別對該三組試點進行一噴兩攪、兩噴兩攪、兩噴三攪的施工工藝，通過對測試樁進行抽芯、聲波透射檢測，結果顯示如下。

1）A 組一噴兩攪測試樁樁體完整性較差，3 根測試樁樁長均不足，且均勻性較差，耗時短。

2）B 組兩噴兩攪測試樁狀體完整性和均勻性均良好，樁長偏差小且符合規范要求，耗時較大。

3）C 組兩噴三攪測試樁樁體完整性較好，均勻性介于 A 組和 B 組之間，樁長偏差小，耗時最長。

對比 A、B、C 三組測試樁結果可知，成樁質量與噴漿量正相關，同時也與施工參數的設計息息相關［5］，因此，采取如下措施。

1）水泥攪拌樁應穿透砂層進入黏土層，阻斷基坑外側高水頭富水砂層中地下水在止水帷幕底端繞流，施工過程中若發現局部地段深攪拌成樁困難，可采用樁間高壓旋噴、花管注漿等方法替代深層攪拌樁形成止水帷幕，確保止水帷幕閉合。

2）為減小水泥攪拌樁水泥漿液稀釋程度，應嚴格保證每米水泥摻入量和采用低水灰比，控制噴漿漿液水灰比在 0.5～0.6，水泥摻量約為 170 kg/m，水泥摻量為 18 %，鉆進和提升速度≤1.5 m/min，同時摻入一定比例速凝劑，減少水泥漿液的初凝所需時間。

3）嚴格控制水泥攪拌樁的機械垂直度和搭接長度，避免因垂直度偏差過大造成止水帷幕漏縫，確保樁與樁之間搭接長度為 20 cm，樁身垂直度偏差≤1.0 %，樁位偏差≤2.0 cm。

3.2 錨索施工涌水涌砂問題

根據設計要求采用兩道錨索，第一道錨索位于 -3.2 m 處，第二道錨索位于 -6.8 m 處，兩道錨索均處于粗礫砂層中，地下水位位于 -5.82 m，第二排錨索開孔位置位于地下水位以下約 1.5 m，需在水下成孔，當錨索樁孔穿過止水帷幕時，在高水頭壓力作用下，由于砂層的黏聚力低，極易出現涌水涌砂的現象，本工程錨索各剖面均有分布，總錨索數 724 根，地下水位以下錨索 372 根；存在于地下水位以下中粗砂土層中的 372 根錨索在施工中存在風險。當進行大面積的錨索施工時，可能會使得止水樁坑外側的砂層大量流失，其累計效應可能會造成周圍地面沉降甚至塌陷，采取如下方法以應對施工過程中的涌水涌砂風險。

1）開孔。開孔直徑 160 mm，入射角度 30°，預先采用小型開孔鉆機進行開孔，對支護樁開孔時預留100 mm 的厚度，以避免直接開孔后跟管鉆進施工的間隙時的涌水涌砂。

2）成孔。錨索鉆機就位，對預先開孔部位跟管鉆進，同一步的后續施工物資及人員就位，當鉆機打破預留厚度時，壓入第一節套管，以鉆機鉆壓和自重平衡孔口水土壓力，隨后用堵漏材料封堵套管與孔口間隙。當第二節套管加管時，隨著滲流路徑的增大，涌水涌砂風險逐漸降低。

3）安放錨索及一次注漿。依據下料長度形成的成孔深度，對錨索自由端涂潤滑油和套塑料袋后放入孔內，注漿管隨桿體放入孔內，在錨索孔口外側綁扎止漿袋，并預留好注漿管。注射過程中時刻關注注漿量和注漿泵的工作壓力，待漿液從空口溢出時完成注漿。

4）封孔及二次注漿。一次注漿后拔出套管時孔口仍有涌水涌砂風險，以綁扎止漿袋解決該問題，在一次注漿拔出套管的瞬間，馬上向止漿袋內注入早凝水泥漿液，完成孔口封堵，在一次注漿完成后 4～6 h 進行二次注漿。止漿袋設置如圖 4 所示。

圖4 止漿袋設置示意圖

5）墻后注漿。盡管上述施工過程對砂土的流失進行了有效的控制，但仍不可避免地存在部分流失情況，因此通過對基坑外圍打入注漿花管進行注漿處理，以保證基坑周邊環境穩定。

4 施工效果評價

對現場本文研究區各剖面選取監測點對第二排錨索進行分析，MG-7 標準值 240 kN，鎖定值 170 kN；MG-10 標準值 205 kN，鎖定值 145 kN；MG-12 標準值250 kN，鎖定值 175 kN；MG-14 標準值 240 kN，鎖定值 165 kN。其錨索內力變化曲線如圖 5 所示。

可以看出，錨索工作后，其內力值整體出現一定的增長，并趨于穩定。MG-10 監測錨索前期出現了一定的應力損失，但并未低于設計值的 70 %，錨索正常工作。

采用上述方法有效的解決了預應力錨索在飽水砂層成孔施工過程中出現的涌水涌砂問題，完成了本工程飽和砂土中 372 根錨索的施工任務，同時采用墻后注漿的方式對施工中不可避免產生的砂土流失進行了處理，保證了基坑周邊環境的安全，降低了墻后土體沉降的風險。

圖5 錨索內力變化曲線

5 結語

在施工場地存在透水性較強的土層時，采用合理的止水措施是非常重要的，面對砂層深厚，水量豐沛的施工環境，采取好止水措施是該基坑支護的關鍵。

1）在深厚砂層采用“放坡+樁錨”的支護方案，采用坑內降水井的形式進行坑內降水是可行的、有效地解決了深厚砂層環境的深基坑支護難題，可為類似工程提供參考。

2）現有的錨索施工技術一般適用于黏土等不透水地層以及低水頭的砂層，采用改進后的錨索成孔技術可以有效解決在高水頭砂層成孔引起的涌砂現象。

3）基坑開挖過程中，若出現突涌水情況，應立即回填反壓，增加降水井及降水設備，在基坑內降水，并查明涌水原因及涌水范圍，在涌水周邊區域增設降水設施，有針對性地采用雙液注漿封堵。Q