劉來新

(北京愛地地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司，北京 100144)

曹妃甸地區(qū)基坑支護降水方案選擇及設(shè)計建議

劉來新

(北京愛地地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司，北京 100144)

首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司是一個在曹妃甸島上吹填砂造地形成的場地上新建的大型現(xiàn)代化精品鋼鐵基地。分析了該建筑場地的地質(zhì)環(huán)境情況和常用的基坑支護、降水方法，對該建筑場地上的建(構(gòu))筑物的基坑支護、降水設(shè)計及方案選擇提出建議。

基坑支護;基坑降水;吹填造地;曹妃甸地區(qū)

1 工程概況

首鋼鋼鐵生產(chǎn)能力從2003年起陸續(xù)向外搬遷，首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司為首鋼搬遷項目之一，一期工程總用地面積約為1200萬m2，全為吹填區(qū)，位于曹妃甸島西北角，擬建現(xiàn)代化鋼鐵精品基地，項目總投資388億元。

現(xiàn)一期場地已經(jīng)過吹填，吹填厚度4～9 m，高出海平面約5.5 m，場地基本平坦。

根據(jù)設(shè)計院提出的地質(zhì)勘測任務(wù)書，以基礎(chǔ)形式和基礎(chǔ)埋深為主要特點將建(構(gòu))筑物大體上分為6類，詳見表1。

表1 建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)形式及埋深

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

根據(jù)初勘及試樁試驗詳勘資料，地層巖性由上而下分為人工吹填土層(Q)、第四紀全新世海相沉積層(Q)和第四紀晚更新世海陸交互沉積層(Q)。

2.2 地下水

場地地下水為海水，地下水的變化幅度受潮汐的影響，變化幅度1.0～2.0 m。水位埋深較淺或接近地表，局部大于1.70 m。

2.3 地層主要指標(biāo)

場地地層主要物理性質(zhì)指標(biāo)見表2。

表2 地層主要物理性質(zhì)指標(biāo)

該場地在試樁試驗時選取了4個區(qū)，分別用不同的能級(1500～4000 kN·m)進行了強夯試驗，試驗前后地層主要力學(xué)指標(biāo)變化見表3。

表3 強夯前后地層主要力學(xué)指標(biāo)變化

3 設(shè)計方案

3.1 基坑支護設(shè)計

確定支護結(jié)構(gòu)形式是進行建筑基坑支護設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。支護結(jié)構(gòu)類型選擇是否恰當(dāng)直接關(guān)系到基坑支護工程的安全可靠性、技術(shù)可行性以及經(jīng)濟合理性。基坑支護結(jié)構(gòu)形式的選擇通常必須首先考慮以下幾個主要方面:一是基坑開挖深度和范圍;二是基坑周邊場地條件;三是工程與水文地質(zhì)條件及其隨工程進展而變化的情況;四是地區(qū)經(jīng)驗、設(shè)備情況和施工技術(shù)水平等。

本工程場區(qū)可采用的基坑支護方法有:

(1)放坡開挖。通過控制邊坡坡度和坡高來維持基坑的整體穩(wěn)定性，具有造價低、施工速度快等特點。適用于基坑周圍場地開闊，鄰近基坑邊無重要建(構(gòu))筑物或地下管線的工程。

(2)土釘墻及復(fù)合土釘墻。土釘墻技術(shù)最大限度的利用了土體自身的強度，將土體加固成為能自穩(wěn)的重力式擋土墻結(jié)構(gòu)。一般護坡深度可達10多米，當(dāng)深度更大時需要增加部分預(yù)應(yīng)力錨桿，即形成復(fù)合土釘墻。雖然土釘墻技術(shù)較以前的護坡方法有較大進步，但仍存在一些局限性。首先土釘?shù)脑O(shè)置是將開挖面處的局部土體和深層穩(wěn)定土體聯(lián)為一體，坡體越高滑裂面之內(nèi)的不穩(wěn)定土體越厚，土釘?shù)拈L度就越大，造成了一些浪費;其次由于土釘護坡不施加預(yù)應(yīng)力，因此水平變形量較大且不易控制;再次土釘護坡深度不能太大，一般不超過12 m;再次由于開挖過程中分步過多，不易與開挖土方配合。

(3)短土釘連續(xù)墻。該方法是利用土釘墻技術(shù)發(fā)明的一種短土釘連續(xù)墻，替代鋼筋混凝土連續(xù)墻，通過設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿或長土釘，控制基坑變形，達到護坡的目的，節(jié)省施工費用，減少開挖分步。其缺點同土釘墻，優(yōu)點是作用機理明確，護坡深度大，控制變形能力好。

(4)排樁+預(yù)應(yīng)力錨桿或內(nèi)支撐體系?；娱_挖前在周邊按一定距離和深度設(shè)置鋼筋混凝土樁，樁頂之上用混凝土連梁連成整體，根據(jù)基坑深度、地層和相鄰建筑荷載情況，可在一定深度設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿或內(nèi)支撐。其優(yōu)點是可使施工機械化，速度快，開挖深度大，可垂直開挖，占地小，但場地狹小時施工不便，成本高。

(5)雙排樁體系。通過設(shè)置前后間隔一定距離的兩排樁和樁頂?shù)膭傂赃B梁形成一個框架結(jié)構(gòu)，其較單排樁具有剛度大的優(yōu)點，適合于場地狹小、開挖范圍較大，不宜設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨桿或內(nèi)支撐的工程。

(6)水泥土墻或勁性水泥土樁。通過設(shè)置格柵狀水泥土樁或旋噴樁形成一道重力式擋土墻。多用于深度不大、地下水位淺的軟土地區(qū)，通過插入型鋼形成勁性水泥土樁，支護深度可達10 m以上。

(7)淺埋暗挖工藝。根據(jù)基坑開挖斷面尺寸，將鋼格柵分段加工成榀，開挖后，設(shè)置鋼格柵，掛網(wǎng)噴射混凝土進行支護。適用于開挖斷面較規(guī)則的工程，也可結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨桿或內(nèi)支撐形成體系。

(8)沉井、沉箱或地下連續(xù)墻。對旋流井等一些地下深埋結(jié)構(gòu)，可采用在地面分節(jié)澆注成型，井內(nèi)挖土下沉，到設(shè)計深度后封底形成完整結(jié)構(gòu)。當(dāng)采用不降水下沉?xí)r，應(yīng)注意上浮問題。

3.2 基坑降水設(shè)計

在工程實踐中有許多種控制地下水的方法，但大致可以歸納為3大類:一類是明排法，此法有時又稱集水坑抽水，因為它是將流入挖方內(nèi)的地下水，通過明溝匯集于集水坑，再用泵將水排出基坑;另一類是預(yù)排水法，即在挖方工程開始前，先在一定范圍內(nèi)集中布置若干個抽水井(點)，形成干擾降水系統(tǒng)，在短期內(nèi)集中抽水，將水位降低并控制在要求的深度之下;還有一類是堵截法，即通過堵、截、排等手段，將地下水對工程的影響降到最低程度［1］。

本工程場地可采用的基坑降水方法有:

(1)輕型井點降水。輕型井點抽水系真空作用抽水。由真空泵、射流泵或隔膜泵在井點周圍一定范圍形成一個真空區(qū)，真空區(qū)通過砂井?dāng)U展到一定范圍。在真空力的作用下，井點附近的地下水通過砂井，經(jīng)過過濾器被強制吸入井點系統(tǒng)內(nèi)抽走，使井點附近的地下水位降低。

(2)管井降水。管井降水方法即利用鉆孔成井，多采用單井單泵(淺水泵或深水泵)抽取地下水。當(dāng)管井深度＞15 m時，也稱為深井井點降水。管井降水是用于地下水來源比較豐富的地層，具有排水量大和降水深度大以及地面設(shè)施簡單的特點。

(3)止水。即由伸入基坑底一定深度的密排水泥土樁或旋噴樁組成的帷幕結(jié)構(gòu)。適用于淤泥、淤泥質(zhì)土等滲透性小、開挖深度不大的軟土地區(qū)，對于降水深度大，可能對相鄰建筑造成不均勻沉降的滲透性較大的地區(qū)，可與鋼筋混凝土排樁聯(lián)合使用，并采用抽水與回灌相結(jié)合的方法。

4 設(shè)計建議

4.1 參數(shù)選取

考慮降水和強夯的影響，設(shè)計參數(shù)的選取見表4。

表4 基坑支護降水設(shè)計參數(shù)建議

4.2 計算案例

一圓形基坑，直徑35 m，深10 m，各土層參數(shù)如表4，進行基坑支護及降水設(shè)計。

(1)放坡開挖或簡單噴護支護。根據(jù)理論計算，當(dāng)砂土的內(nèi)摩擦角等于坡角時，邊坡處于極限平衡狀態(tài)。土體抗剪強度完全發(fā)揮，下滑力等于抗滑力，安全系數(shù)為1。此時，放坡坡度為30°～35°，且根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007－2002)中有關(guān)壓實填土邊坡允許值的條款，10 m左右邊坡允許值為1∶1.5，即34°(此邊坡允許值中已含安全系數(shù))。一般開挖深度超過4～6 m的土質(zhì)基坑，宜采用分級放坡，在6 m處留2～3 m寬的平臺。

若基礎(chǔ)工程施工周期較長，宜對坡面進行有效覆蓋，可采用在坡面插鋼筋釘，掛鐵絲網(wǎng)噴射砼工藝，并在坡面上插塑料管排水。

(2)土釘墻支護。坡比按1∶0.5～1∶0.6考慮，土釘采用人工洛陽鏟或螺旋鉆機成孔，成孔直徑100～130 mm，下傾角5°～10°，土釘間距1.2～1.5 m，矩形或梅花形布設(shè)，土釘桿件上焊對中支架，下入孔后注水泥漿，端部做90°彎鉤與面墻縱橫向加強筋焊接，掛6 mm鋼筋網(wǎng)片，噴射細石砼。若場地條件小，可與其它擋土結(jié)構(gòu)物聯(lián)合使用，形成直立邊坡。若邊坡對變形控制較嚴格，根據(jù)以往經(jīng)驗，可在上部增加1～2道預(yù)應(yīng)力錨桿，改被動受力為主動加力，將能有效的控制變形。圖1是典型的土釘墻支護設(shè)計剖面圖。

圖1 土釘墻支護設(shè)計剖面圖

(3)淺埋暗挖工藝。由于該基坑呈圓形，圍巖有一定的自穩(wěn)能力，壁上只有切向力，無徑向力。采用鋼格柵噴射砼支護方案，可以利用圓形基坑的特點，充分發(fā)揮砼的抗壓性能，避免使用大量的土釘、錨桿，從而降低工程造價。施工時分層開挖土體(每步1.5 m左右)，然后安裝鋼格柵、掛設(shè)鋼筋網(wǎng)并噴射砼，當(dāng)完成護壁擋土結(jié)構(gòu)以后，進行基坑下一步土方開挖。另外，可以設(shè)置幾道短土釘，替代鋼格柵來平衡土壓力，將大大減小鋼格柵的設(shè)置密度。

(4)對于本工程，由于結(jié)構(gòu)外形規(guī)則，也可采用沉井法施工，節(jié)省基坑支護費用。但應(yīng)考慮四周土的不均勻性，防止傾斜及下沉過快過大。

(5)管井降水。考慮在基坑外1.0～1.5 m布設(shè)井點，潛水含水層厚22 m，降深10 m，滲透系數(shù)5 m/ d，影響半徑60 m，基坑涌水量 2000 m3d，采用600 mm管井，深14 m，共8口，單井出水量300 m3d，下15～20 m3h、揚程15～18 m泵可滿足要求。

5 結(jié)論建議

5.1 關(guān)于基坑支護

基坑支護將是繼地基處理之后的又一難點。一是國內(nèi)外尚無類似場地下的案例，二是場地內(nèi)建(構(gòu))筑物眾多，基礎(chǔ)埋深、尺寸大小各異、相對關(guān)系復(fù)雜，特別是到了工程建設(shè)的中后期，基坑開挖往往會受到相鄰基礎(chǔ)的影響。因此，基坑支護設(shè)計應(yīng)注意以下方面。

(1)全局觀。距離過近的相鄰基坑宜同期開挖;深基坑宜較淺基坑先期開挖;考慮支護結(jié)構(gòu)對后期基坑開挖和支護形式的影響;減少反復(fù)挖填和重復(fù)降排水;避免基坑開挖對相鄰建筑地基的破壞。

(2)局部觀。針對不同的基坑開挖深度、形狀和尺寸、并結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)形式，采取經(jīng)濟有效的支護形式。

(3)所有涉及土釘和錨桿的結(jié)構(gòu)均受土層與錨固體的摩阻力大小的影響問題，未進行可靠的土釘拉拔試驗，不可采用以土釘墻和錨桿為主要受力結(jié)構(gòu)的支護體系。

(4)基坑側(cè)壁主要為土層時，建議采用水泥土墻或土釘墻或兩者的聯(lián)合支護體系，必要時采用勁性水泥土樁和設(shè)置錨桿。

(5)基坑側(cè)壁主要為砂層時，建議采用土釘墻或排樁+錨桿(內(nèi)支撐)或雙排樁體系護坡。

(6)當(dāng)基坑較規(guī)則且范圍不大卻深度較大時，建議采用淺埋暗挖工藝或與內(nèi)支撐相結(jié)合的方案，當(dāng)設(shè)計有要求時，也可采用沉井或沉箱方案。

5.2 關(guān)于基坑降水

(1)止水法和坑內(nèi)集水坑明排法在本場區(qū)的適用性不強。因地下水位高，若基坑開挖深度＞4 m，將有近4 m的動水頭，流沙現(xiàn)象將非常嚴重。但某些地段②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土厚度較大、③④層砂局部缺失或厚度極小，地表下6～8 m即出現(xiàn)⑤層粉質(zhì)粘土，采用止水帷幕與基坑支護結(jié)構(gòu)相結(jié)合、坑內(nèi)抽水的方法仍是不錯的選擇。

(2)輕型井點和管井法在該場區(qū)有較大的優(yōu)勢。降水深度在6 m以下的，可采用輕型井點或管井降水;降水深度大時，一般以管井為主，若場地條件允許，亦可采用多級井點法。

5.3 關(guān)于強夯

(1)強夯對地基的影響:提高地基承載力，減小變形;消除液化。對于淺基礎(chǔ)，若對地基強度要求不高，強夯不失為一種經(jīng)濟有效的地基處理方法。

(2)強夯對邊坡的影響:強夯能有效提高吹填砂土和③層松砂的密實度，進而提高邊坡土抗剪強度。

(3)建議對場區(qū)吹填砂進行普遍強夯。根據(jù)已做的強夯試驗結(jié)果，對道路、料場、輕型建筑、淺基礎(chǔ)等天然地基，宜選擇不同能級進行強夯;另外，對于有大面積深埋基礎(chǔ)的地區(qū)，宜采用低能級進行滿夯，對擬開挖基坑的周邊應(yīng)進行高能級的強夯。

5.4 關(guān)于試驗

(1)抽水試驗。利用單井及干擾井群進行抽水試驗，評價單井出水量，估算基坑涌水量;計算含水層滲透系數(shù)、降水影響半徑;獲取降深數(shù)據(jù)，為基坑降水設(shè)計及施工提供必要的參考數(shù)據(jù)。

(2)土釘錨桿拉拔試驗。對吹填砂、③層砂、④層砂，選擇有代表性的點，分別進行強夯前和強夯后的試驗，包括成孔試驗、拉拔試驗，綜合評價場地錨桿及土釘墻支護的適宜性。

(3)水泥土樁。對水泥土攪拌樁(包括加筋水泥土攪拌樁)、高壓噴射注漿樁的成樁可能性，與錨桿及土釘墻支護聯(lián)合使用的可行性進行評價。

5.5 關(guān)于專家論證

曹妃甸工程是一超大型的建設(shè)工程，建設(shè)前期的場地適宜性、地基方案、基礎(chǔ)方案、基坑支護降水方案論證及試驗工作顯得尤為重要。工程的成敗、投資的大小無不取決于正確的決策，一切試驗工作均應(yīng)在論證可行的基礎(chǔ)上方可實施。

［1］沈敏子.國外工程降水的新方法及其應(yīng)用［J］.工程勘察，1995，(3).

［2］趙江紅.強夯法在處理吹填土地基工程中的應(yīng)用［J］.勘察科學(xué)技術(shù)，2008，(4).

［3］李強.短土釘連續(xù)墻基坑支護法［J］.工程勘察，2007，(6).

［4］譚孟云.濱海地區(qū)深基坑支護出現(xiàn)的問題及對策［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2010，37(9).

［5］賀啟鑫.大連臨海超大深基坑旋噴樁止水帷幕施工技術(shù)［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程).2010，37(12).

［6］劉來新.淺埋暗挖法在首鋼搬遷工程豎井支護中的應(yīng)用［J］.施工技術(shù)，2009，(1).

Selection and the Design Suggestion of Protecting and Dewatering for Foundation Excavation Scheme in Caofeidian

LIU Lai-xin(Beijing Aidi Geotechnical Investigation and Foundation Engineering Company，Beijing 100144，China)

Shougang Jingtan Co.is a large modernization outstanding quality iron and steel base in Caofeidian Island，which was newly built on a ground developed by hydraulic fill sand.Analysis was made on the geological conditions and commonly used methods of foundation pit support and dewatering in construction site;and the suggestions were also put forward to the foundation pit support and dewatering design for the existing buildings in construction site as well as the scheme selection.

foundation pit support;foundation pit dewatering;ground developing by hydraulic fill sand;Caofeidian area

TU473.2

A

1672－7428(2012)03－0044－04

2011－08－18

劉來新(1980－)，男(漢族)，浙江安吉人，北京愛地地質(zhì)勘察基礎(chǔ)工程公司工程師，巖土工程專業(yè)，從事工程勘察、巖土設(shè)計與施工工作，北京市石景山區(qū)晉元莊路23號，ph99453@163.com。