晉城東河河道高層建筑地基處置技術分析

宋曉瓊

（晉城合為規劃設計集團有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

山西省晉城市為典型的山地型城市，其城區屬于典型的盆地型地貌，四周群山環繞，總體呈現“四周高、中間低”的地形形態。城區盆地內部亦不平坦，整體呈北高南低的緩傾狀；區內發育一系列的近南北向褶皺帶，經受長期侵蝕，以褶皺凹陷處為基座，形成了城區內部的河流分布格架。區內河流主體均呈近南北向，流向均為自北向南流，具有較大的水力坡度（平均約0.1）。河槽內覆蓋層以粉質黏土層、卵石、角礫等沖、洪積層為主，其相互之間交叉出現，越近河道中心，越顯雜亂無序，呈現典型的山間河道沖洪積堆積特征。投資者計劃在這樣的河道上建設高層建筑。本文在概述巖土環境的基礎上，對該高層建筑的地基處置技術進行分析。

1 高層建筑地基環境分析

該工程場地位于晉城市城區盆地北部邊緣東河褶曲帶。該片區東河呈北高南低的緩傾狀，自北向南穿行；東河向東為爬坡地形、過渡為山地，向西地形相對較平緩。該片區因煤礦開采及居住建筑的不斷擴張，致使東河水流量不斷減小，河道收縮，在城建歷史中被逐步自然填平；當前河水通過埋設于場地西側的地下涵洞導流。該片區內填土主要為鄰近居民生產生活產生的建筑垃圾與生活垃圾為主的雜填土。填土分布深厚，為新近自然堆填，堆填年代約5～20年，填料成分雜亂、疏松。

該場地內賦存地下水（潛水），水位埋藏較淺；水流主要賦存于上部填土及下伏地層中的角礫層中，因填土層與角礫層較高的滲透特性，場地內地下水與上游河水聯系緊密；跟隨河水的流面，場地地下水亦具有較大的水力坡度。

該場地東、北兩側均緊鄰現狀多層建筑，南側緊鄰市政道路，邊緣最大距離均不足10m；場地擬建設地下2層、地上32層的高層建筑。

2 高層建筑場地水文地質與工程地質

2.1 場地水文地質

勘察時段為7月份，屬于當地水文周期的豐水期。據調查，場區為東河原始河道，2018年城市黑臭水體治理時，采用地下涵洞對該河段河水進行引流，涵洞位于場地西側，場地段河流平水位約為718m左右，常年有水。場地地下分布一層地下水，屬于潛水，地下水穩定水位約為717.04～718.60m，受上游河水側向下滲及雨季降水垂直下滲補給。根據區域水文地質資料，該區域地下水水位年變化幅度在1.0m左右。

鉆孔提取水樣進行水質分析，結果顯示，該場地地下水在干濕交替和無干濕交替作用下對混凝土結構的腐蝕性等級均為微腐蝕。

2.2 場地地層分布

以2#孔為例，地面高程722.30m。

第（1）層雜填土(Q4ml)：新近人工堆積層，雜色，松散，稍濕，以磚塊等建筑垃圾及爐渣等生活垃圾為主，混雜少量的粉質黏土。厚度：6.70m；層底標高：715.60m。重型圓錐動力觸探試驗N63.5修正值2.9～7.1擊，平均4.9擊。滲透系數建議取0.05cm/s。

穩定地下水位718.10m。

第（2）層角礫(Q4al+pl)：第四紀全新統沖、洪積土層，雜色，稍密，稍濕，以砂頁巖碎屑為主，粉質黏土膠結。厚度：3.30m；層底標高：712.30m。重型圓錐動力觸探試驗N63.5修正值4.4～6.8擊，標準值4.9擊，天然地基承載力特征值fak建議值160kPa。滲透系數建議取0.05cm/s。

第（3）層粉質黏土(Q2al)：第四紀中更新統沖積土層，棕紅色，可塑，稍濕，含大量氧化鐵銹及少量鐵錳結核、鐵錳顆粒等，底部見少量砂頁巖碎屑等；切面較光滑，稍有光澤，韌性中等，干強度較高，無搖振反應；壓縮系數范圍值0.26～0.32，平均0.29，壓縮性中等。厚度：1.20m；層底標高：711.10m。標準貫入試驗N修正值11.9～14.0擊，標準值12.3擊，天然地基承載力特征值fak建議值180kPa。

第（4）層角礫(Q2al+pl)：第四紀中更新統沖、洪積土層，雜色，稍密-中密，稍濕，以砂頁巖碎屑為主，含少量的砂巖碎石顆粒，粉質黏土膠結。厚度：2.50m；層底標高：708.60m。重型圓錐動力觸探試驗N63.5修正值5.4～7.7擊，標準值6.0擊，天然地基承載力特征值fak建議值200kPa。滲透系數建議取0.05cm/s。

第（5）層頁巖(C3t)：石炭系上統太原組巖石層，灰黃色，強風化，具層理，巖體整體破碎，巖石遇水軟化，屬于極軟巖，巖體基本質量等級為V級。厚度：6.60m；層底標高：702.00m。飽和單軸抗壓強度標準值frk=2.45MPa。

第（6）層泥巖(C3t)：石炭系上統太原組巖石層，灰褐色，中等風化，巖體節理裂隙較發育，整體較破碎，巖石為軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。厚度：5.40m；層底標高：696.60m。飽和單軸抗壓強度標準值frk=3.11MPa。

第（7）層灰巖(C3t)：石炭系上統太原組巖石層，青灰色，中等風化，巖體較破碎，巖石屬于軟巖-較軟巖，巖體基本質量等級為V級。厚度：2.40m；層底標高：694.20m。飽和單軸抗壓強度標準值frk=11.23MPa。

第（8）層煤(C3t)：石炭系上統太原組巖石層，黑色，強風化-中等風化，巖體節理裂隙較發育，整體破碎-較破碎，巖石屬極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。厚度：0.70m；層底標高：693.50m。飽和單軸抗壓強度標準值frk=1.60MPa。

第（9）層砂質泥巖(C3t)：石炭系上統太原組巖石層，灰色、灰褐色，中等風化-微風化，巖體節理裂隙較發育，整體較破碎，巖石屬軟巖，失水易崩解，巖體基本質量等級為Ⅴ級。厚度：5.40m；層底標高：688.10m。飽和單軸抗壓強度標準值frk=4.33MPa。

第（9）-1層煤(C3t)：石炭系上統太原組巖石層，黑色，中等風化，巖體節理裂隙較發育，整體較破碎，巖石屬極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。厚度：0.70m；層底標高：687.40m。

第（10）層泥質砂巖(C3t)：石炭系上統太原組巖石層，灰黑色，中等風化-微風化，巖體層理及節理裂隙稍發育，整體較完整，巖石屬軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。厚度：4.50m；層底標高：682.90m。飽和單軸抗壓強度標準值frk=5.25MPa。

第（10）-1層煤(C3t)：石炭系上統太原組巖石層，黑色，中等風化，巖體節理裂隙較發育，整體較破碎，巖石屬極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。厚度：0.40m；層底標高：682.50m。

第（11）層砂質泥巖(C3t)：石炭系上統太原組巖石層，灰色、灰褐色，中等風化-微風化，巖體節理裂隙較發育，整體較破碎，巖石屬軟巖，失水易崩解，巖體基本質量等級為Ⅴ級。未穿透，揭露厚度為6.64m。飽和單軸抗壓強度標準值frk=6.27MPa。

3 高層建筑工程地理位置的特殊性分析

（1）場區位于老舊河道回填地段，屬于大面積填方地段，回填范圍廣、厚度大。填方為新近自然回填，填料含大量的磚塊、煤渣，未經分選、分層壓實，土質疏松，透水性強。

（2）場區位于丘陵區溝谷段，地勢整體北高南低、東高西低，屬于聚水區，雖用地下涵洞自場地西側引流，但是，場地雨季地表匯水的下滲及北側上游河水的側滲仍無法阻斷。

（3）場區位于密集居民區，場地東、北兩側均緊鄰現狀多層建筑，南側緊鄰市政道路，周邊環境復雜，影響因素多。

（4）擬建建筑為地下2層、地上32層建筑，基礎埋深大，基底壓力平均壓力約500kPa。淺層天然地基承載力特征值均不滿足設計要求，即使按深寬修正后承載力離設計要求也相差較遠。

4 勘察對高層建筑地基及基礎工程的建議

4.1 地基處理方案分析

該高層建筑工程設計±0.00為722.90m，地下室底板埋深為-8.60m（714.30m）。該高程處基礎持力層為第⑵層角礫層，基底以下土層厚度5.70m。

如采用淺層換填，換填如此厚的墊層，其成本高昂，且施工質量不易控制，而且根據以往的工程經驗，除采用混凝土剛性墊層整體換填外，其它材料的墊層承載力均難以達到設計要求的500kPa，因此，該工程淺層換填方案是不可行的。

按該建筑基底土層厚度5.70m計，根據《建筑地基處理技術規范》(JGJ79-2012)中的各種復合地基類型試算，復合地基承載力均達不到設計要求的500kPa。

4.2 基礎及基坑支護方案建議

對該工程而言，天然地基和地基處理不可行，基礎形式唯有采用樁基礎。根據場地地層的空間展布，并通過試算，該工程主樓樁端持力層宜選用第（9）層砂質泥巖或第（10）層泥質砂巖。樁基需穿越較厚的巖石層，因此，靜壓預制樁方案不可行；場地地處密集居民區，緊鄰現狀建筑，如采用帶震動的沖孔樁，擾民且不安全；考慮場地存在埋藏較淺的賦存于上部填土及下伏角礫層中的流動地下水，如采用人工挖孔灌注樁，在挖掘過程中，孔壁填土及角礫層容易在動水壓力下坍塌。綜合安全、成本等因素考慮，該工程樁基形式建議選用泥漿護壁鉆孔灌注樁。

泥漿護壁鉆孔灌注樁以機械成孔，可以在有地下水的條件下成孔成樁，不需降水就可以施工，而且對各地層均有較好的適應能力，但其費用較高，且孔底的沉渣清除和樁身質量較難控制，進而影響單樁承載力。鑒于場地復雜的地質環境，樁基成孔時樁底沉渣、樁側泥皮清除難以保證時，也可考慮采用后注漿灌注樁工藝。

基坑開挖建議采取樁錨結構支護后進行開挖，支護樁建議采用泥漿護壁鉆孔灌注樁。

樁基工程施工前，應在現場挖試樁，以核實施工條件，核實成樁孔的可能性，確定需采取的支護措施及防水措施，并根據試樁結果驗證單樁承載力及變形參數，必要時根據試驗結果作適當調整；樁基工程完工后，應進行樁基檢測及驗收，驗收合格后方可進行上部結構的施工。

5 設計基礎選型及施工階段的調整

5.1 設計基礎選型

基坑支護設計采用雙排樁支護體系；建筑地基設計采用大直徑疏樁（素混凝土樁）復合地基進行地基處理,樁端持力層為第（9）層砂質泥巖層，單樁承載力特征值要求不小于2800kN,復合地基承載力特征值要求不小于550kPa，基礎采用筏板基礎；樁型均為泥漿護壁鉆孔灌注樁，旋挖鉆機施工。

5.2 試樁施工中出現的問題

受限于狹小的場地環境，樁基施工時未設置專門的泥漿池進行泥漿調配，采用在樁基施工時直接向樁孔內傾倒素土、干水泥的方式進行施工，結果在支護樁施工過程中，樁基施工至角礫層后，角礫層浸水坍塌嚴重，長時間難以成樁，產生了比較大的安全風險；且因孔壁土層坍塌，樁孔中心發生偏移；而且土體坍塌破壞原有的土體結構，可能會降低對樁基的側向阻力，降低樁基承載力。因此，試樁暫停，在臨時回填后研究解決。

5.3 解決方案

按照以往的實踐，此類地質環境下，樁基施工采用鋼護筒護壁，施工是有保障的，但是，松散土層的坍塌及基底以下近6m厚的土層產生的大側阻力，致使鋼護壁在成樁后難以拔起后再次使用，成樁成本過高。

如何在盡可能控制成本的前提下解決成樁問題？經多方研討，決定按照當地工程經驗“在場地四周布置降水井降水試行人工挖孔樁”的方案：（1）采用鋼護筒護壁、旋挖鉆機成樁工藝施工降水井，確保地下水下降到場地完整巖石層下；（2）進行人工挖孔樁施工作業，挖孔過程中采用預制鋼筋混凝土管護壁（單節長度1m），類似于沉井基礎（護壁采用吊車起吊就位，人工掘進過程中在自重及旋挖鉆機輔助靜壓作用下下沉），施工至進入第⑸層頁巖完整巖石層中；（3）旋挖鉆機施工至設計樁長。另外，制定了“在成樁過程中如因孔壁坍塌導致樁間土破壞，則在成樁后對樁間土進行注漿加固”的預備方案。該方案在確保施工安全的同時也解決了因孔壁坍塌導致的樁位偏移問題，也加快了施工進度。

在制定可靠的安全施工方案及應急預案后，現場在場地四周先施工降水井，降水井采用定做的6m長鋼護筒護壁，旋挖鉆機成樁；成井較順利，井中抽水試驗，單井出水量約50m3/h；地下水得到控制后，開始試驗成樁，人工每掘進0.2～0.5m，旋挖鉆機輔助施以壓力，循環施工至進入完整巖石層，孔壁無大的坍塌。全部試樁安全可行之后大面積實施，直至順利完工。混凝土達到齡期后，經載荷試驗檢驗，單樁及復合地基承載力均滿足設計要求。

6 結束語

根據樁基規范條文說明第6.2.1條，人工挖孔樁在遇有流動性淤泥層、流砂層時，易引發安全和質量事故，不得選用此種工藝[1]。該工程考慮角礫層遇水坍塌，故在勘察階段，對基礎方案的建議中，自然排除了該樁型，可是，在該工程中又得到成功應用。成功實踐的原因在于在施工時，在場地外圍采用降水井進行了降水工作，且在地基處理樁土層施工時采用了預制鋼筋混凝土護壁，該工藝具有一定的沉井法的特性，在確保施工安全的同時也解決了因孔壁坍塌導致的樁位偏移問題。總之，該工程可作為一個復雜地質、復雜環境條件下高層建筑工程基礎處置的特殊案例，可為同類工程的地基處置及基礎設計提供參考。