李吉林，孫 旭

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東濟南250100)

1 工程概況

鹽田國際行政辦公大樓場地位于鹽田國際集裝箱碼頭北側(cè)三期工程場地內(nèi)，占地約20000 m2。東北方向港口進出閘道路，西北方向靠明珠立交橋，西南方向為鹽田保稅區(qū)，西南方向是鹽田國際堆場查驗區(qū)。辦公大樓建筑面積約33292 m2，主樓25層，高度122.7 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼筋混凝土框架，地下室2層，深10 m，局部14.1 m，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。為了滿足地下室結(jié)構(gòu)和樁基礎(chǔ)施工需要，大樓基坑平面尺寸不小于125.775 m×121.35 m，基坑開挖深度一般≮8.7 m，局部14.4 m。

鹽田國際行政辦公大樓樁基與基坑工程技術(shù)要求為:(1)在地基工程施工期間，基坑開挖和降水產(chǎn)生的土體位移及沉降不得引起周圍建筑物、構(gòu)筑物、路面和管線的變形和損壞，對此提出預測和防止對策，且對周邊場地的位移和沉降進行嚴格的監(jiān)測;(2)基坑支護施工、土方開挖方法可分為無支護與有支護開挖方法;(3)基坑工程要求安全可靠、經(jīng)濟合理、施工便利、保證工期，還應結(jié)合主體工程設(shè)計進行基坑總體方案設(shè)計。

2 地質(zhì)條件

2．1 工程地質(zhì)條件

場地原始地貌為濱海地貌，地勢較低，經(jīng)人工填海處理后，地形開闊平坦。

地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為:人工填石層、第四系海相沉積層、第四系海陸交互相沉積層、第四系殘積層，下伏基巖為侏羅系凝灰?guī)r及燕山期侵入的中細?；◢弾r。各巖土層特性分述如下。

①人工填石層(Qml):主要為微風化凝灰?guī)r及微風化中細?；◢弾r的碎塊石組成，填石直徑一般20～80 cm，夾有少量粘性土，填石經(jīng)強夯處理，呈中密—密實狀態(tài)。

②第四系海相沉積層(Qm):為灰黑色含有機質(zhì)粉土，局部以粉砂為主，呈飽和、密實狀態(tài)，標準貫入平均擊數(shù)3.8擊。一般厚度0.5～6.6 m，層底標高－7.17～ －12.39 m。

③第四系海陸交互相沉積層(Qmc):主要為黃灰色含砂粉質(zhì)黏土和含粘性土粉細砂。前者呈飽和、可塑狀態(tài)，后者呈飽和、松散狀態(tài)，局部稍密狀態(tài)。該層中均含有砂、礫石、小卵石等，局部含少量有機質(zhì)。層底標高－9.22～－14.30 m。

④第四系殘積層(Qel):由凝灰?guī)r及中細?；◢弾r風化殘積而成，原巖結(jié)構(gòu)可辨，礦物成份除石英外均已風化成土狀，濕潤、可塑狀態(tài)，下部呈硬塑狀態(tài)，局部由全強風化夾層，層頂標高－7.71～－14.30 m。

⑤基巖:凝灰?guī)r具硅化及重結(jié)晶現(xiàn)象。受構(gòu)造影響，巖石裂隙發(fā)育，巖性較破碎，花崗巖巖性較凝灰?guī)r完整。基巖從上往下依次為全風化、強風化、中風化、微風化巖石，層頂埋深16.7～38.7 m，層頂標高－12.6～－34.35 m。

2．2 水文地質(zhì)條件

2．2．1 含水層的分布和特征

場地淺層由填石填海而成，地下水位受海水潮汐的影響而漲落，勘探資料測得最高地下水位埋深約2.6 m，標高約1.6 m，最低地下水位埋深約4.0 m，標高約0.2 m。地下水位屬孔隙潛水及基巖裂隙水?？紫稘撍饕x存于填石層中，水質(zhì)分析可得，場地孔隙潛水與海水聯(lián)系緊密，主要受海水補給，水質(zhì)類型為咸水?；鶐r裂隙水主要賦存于強、中風化基巖裂隙中，微承壓水，在基巖裂隙發(fā)育且連通性良好部位其富水性和透水性好。

2．2．2 地下水的侵蝕性

據(jù)水質(zhì)分析成果報告表，該場地地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，對鋼筋混凝土中鋼筋在長期侵水條件下具有弱腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。

2．3 不良地質(zhì)條件

(1)場地淺層填石層厚度較大，填石的粒徑較大且經(jīng)強夯處理，對基坑開挖和樁基施工帶來困難;

(2)場地地下水與海水緊密相連，海水補給充分，填石層為強透水層，要保持基坑內(nèi)干燥施工，場地需做好止水和降水措施;

(3)場區(qū)為花崗巖和凝灰?guī)r的侵入接觸帶，受深圳斷裂影響，場地內(nèi)有過多次斷裂活動，巖層破碎，在巖層頂部，有微承壓裂隙水。

3 基坑支護設(shè)計

3．1 方案比選

基坑支護方法很多，有板樁支護式(鋼板樁、鋼筋混凝土板樁)、排樁支護式(鉆孔灌注樁、挖孔灌注樁)、地下連續(xù)墻、水泥土擋墻(深層攪拌樁、旋噴樁)、土釘錨固墻、沉井(箱)法、放坡開挖式、組合式等等。根據(jù)本工程特殊地層(填石層)結(jié)構(gòu)和工程結(jié)構(gòu)特征，初步選擇地下連續(xù)墻方案、排樁方案、放坡開挖加封水帷幕方案進行比較。

3．1．1 地下連續(xù)墻支護方案

結(jié)構(gòu)質(zhì)量和安全性方面是完全可以保障的。且整體剛度大、施工噪聲小、就地澆筑的地連墻接頭止水效果好等優(yōu)點，適合軟弱土層等復雜地層和建筑密集城市的深基坑支護。但泥漿處理、水下鋼筋混凝土澆筑施工工藝復雜、造價高，特別是本工程地基淺層厚約10 m、粒徑20～80 cm的填石層，成槽較困難，施工設(shè)備多、速度慢，相互干擾大，難以滿足要求［1］。

3．1．2 排樁支護方案

排樁支護是把單個樁體(如鉆孔灌注樁或挖孔樁等)沿基坑周邊一個緊接一個并排連接起來形成的支護結(jié)構(gòu)。排樁結(jié)構(gòu)剛度較大、施工工藝和設(shè)備相對簡單、對周邊環(huán)境影響較小，適合軟弱土層等復雜地層和建筑密集城市的深基坑支護，工程造價較低。

但樁間接頭止水要作好，特別是本工程地基淺層厚約10 m、粒徑20～80 cm的填石層，成孔較困難，需要較大數(shù)量的沖擊式鉆機方可滿足工期要求，還存在與樁基施工干擾大，廢漿排放困難等不利因素［2］。

3．1．3 放坡開挖加封水帷幕方案

本工程周邊場地相對開闊，無大型建(構(gòu))筑物，特別是地基淺層厚約10 m、粒徑20～80 cm的填石層，抗剪強度指標φ值較大，有放坡條件，而且放坡開挖施工簡單，相互干擾少，施工速度快，造價低［3］。

3．1．4 小結(jié)

經(jīng)過綜合分析與比較，結(jié)合地基地質(zhì)條件，本工程基坑支護采用放坡開挖加封水帷幕方案。

3．2 設(shè)計要點

充分利用淺層填石的特性和周邊環(huán)境條件，采用放坡開挖形成基坑，同時為了確?；釉诮ㄖ扼w和基礎(chǔ)施工時形成干地作業(yè)條件，需在基坑周邊設(shè)置一道封水帷幕墻，相對隔斷基坑內(nèi)外填石層等透水地層的地下水，并在基坑內(nèi)布置一定的降水管井，降低基坑內(nèi)地下水位在其基底2.0 m以下。該工程關(guān)鍵技術(shù)問題是如何在深厚填石層中形成封水帷幕，采用地連墻和排樁墻等方案在穿過深厚填石層時施工困難，且工期較長，造價高，難以滿足要求;采用高壓噴射注漿方案對下部粉質(zhì)粘土較適用，但是對于上部深厚填石層，由于塊石間空隙較大，注漿后漿液流動性較大以致水泥漿會大量流失，難以形成穩(wěn)定的、連續(xù)性較好的封水帷幕。根據(jù)以往十多個特大型基坑堆石體圍堰工程隔水防滲帷幕成功實踐經(jīng)驗，本工程采用專用塊石灌漿施工工藝穿過填石體形成可控灌噴樁封水帷幕，灌注膏狀穩(wěn)定漿液，特別適合塊體填石層，不僅施工方便、技術(shù)成熟、造價低，且施工速度快，干擾少［4］。

3．2．1 基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

基坑平面尺寸:上坡開口線125.775 m×121.35 m、下坡腳線106.2 m×99.6 m;基坑開挖深度一般為8.7 m，局部14.4 m;開挖一般放坡1∶1.25，斜坡段長度10.875 m，對于因地下管線等影響或局部場地布置窄小地段，在采取噴錨支護或坡頂削方減載等工程措施后，開挖邊坡坡比也可變陡為1∶1。施工開挖便道坡比1∶10，寬度8.0 m。

3．2．2 封水帷幕設(shè)計要點

在上坡開口線外3.0 m處，由單個可控灌噴樁搭接而成整體，樁間距1.0 m，直徑1.2 m。樁在填石層中主要采用灌入膏狀穩(wěn)定漿液形成樁體并用高壓噴射灌漿工藝予以加強，在粉質(zhì)粘土等土層中采用高壓噴射灌漿工藝形成旋噴樁體。樁深控制進入至殘積土內(nèi)1.0 m。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，計算平均鉆孔深為16.2 m，平均樁深為13.7 m(填石層頂部2.5 m可不處理)，其中在填石層中的樁體平均長度為7.7 m，在土層中的樁體平均長度為6.0 m。

3．2．3 降水系統(tǒng)設(shè)計要點

為了控制基坑內(nèi)地下水位在施工作業(yè)面2.0 m以下，需要在坑內(nèi)布置一定數(shù)量的降水井。降水井平面間距30 m一個，共計16個。降水井施工可先施工周邊井，封水帷幕作好后，先行降低坑內(nèi)地下水位，以方便開挖，再根據(jù)現(xiàn)場施工情況和進展逐步施工中間部位降水井。降水井布置見圖1。

圖1 降水井布置示意圖

3．3 可控灌噴樁設(shè)計

在塊石中灌漿工藝在漿體材料選擇上很重要。在大孔隙、強透水層或有集中滲透通道的堤身、壩體或地基中采用常規(guī)的水泥漿、水泥粘土漿或化學灌漿，耗費大量昂貴漿液、工效低、成本高，灌漿質(zhì)量也不理想，化學灌漿還可能招致環(huán)境污染。采用析水率＜5%，有一定塑性屈服強度和塑性粘度的穩(wěn)定漿液的塑性灌漿技術(shù)，特別適用于有效粒徑d10＞0.5 mm、滲透系數(shù)K＞10－1cm/s的粗顆粒土，包括灌注大孔隙漂礫卵石層、不均勻土層中的大孔洞、堤身及壩體的干砌石區(qū)、堆石區(qū)、架空層有地下水流的動水區(qū)。只需采用1～2種漿液配比(本工程采用水灰比1)，孔內(nèi)循環(huán)，自下而上灌漿;或采用純壓式自上而下灌漿方法，工藝簡單，漿液有較大的塑性屈服強度，在強透水區(qū)達到一定范圍即停止擴散，既可形成完整防滲體，又可以避免漿液過分流失。由于析水率小，省去排除漿液多余水份的灌漿時間，并且不會因灌漿后的漿液繼續(xù)析水而留下未充填的孔隙，灌漿質(zhì)量較有保證。形成的結(jié)石體強度高、防滲性好，抗化學溶蝕能力強。漿液可采用塑性屈服強度＞20 Pa，必須用螺桿泵壓送的塑性漿液、膏狀穩(wěn)定漿液和可控制膠凝時間的水泥化學漿液［5］。

3．4 基坑邊坡穩(wěn)定計算

基坑開挖主要在填石層內(nèi)，對于臨時開挖邊坡和穩(wěn)定計算可采用圓弧滑動法計算。

3．4．1 計算公式

式中:k——整個滑體剩余下滑力計算的安全系數(shù);l——單個土條的滑動面長度，m;W——條塊重力，kN，浸潤線以上取重度，以下取飽和重度;β——條塊的重力線與通過此條塊底面中點半徑之間的夾角，(°);cu，φu——土的抗剪強度指標，采用總應力法時，取總應力指標，采用有效應力法時，取有效應力指標［6］。

3．4．2 計算簡圖

邊坡坡比1∶1.25，邊坡高度8.7 m。計算簡圖如圖2所示。

圖2 邊坡圓弧滑動穩(wěn)定計算簡圖

3．4．3 計算成果

通過圓弧滑動法計算，當邊坡采用1∶1.25時，搜索最小安全系數(shù)K=1.19;對爆破石渣料回填層采用直線法計算安全系數(shù)K=1.10，能滿足臨時邊坡穩(wěn)定要求。

3．5 基坑降水計算

3．5．1 未設(shè)置封水帷幕基坑降水計算

計算模型:采用均質(zhì)含水層潛水完整井，基坑遠離水源邊界模型，見圖3。

圖3 潛水完整井模型

計算公式:均質(zhì)含水層潛水完整井，基坑遠離水源邊界模型公式為:

式中:Q——基坑涌水量，m3·d－1;k——滲透系數(shù)，m·d－1;H——潛水含水層厚度;S——基坑(降水井壁外側(cè))水位降深;R——降水影響半徑;r0——基坑等效半徑［7］。

計算參數(shù):主要土層計算參數(shù)見表1。

表1 主要土層計算參數(shù)表

計算結(jié)果:在無封水帷幕條件下，在基坑周邊設(shè)置管井抽水，經(jīng)計算基坑每日抽水量將超過88518 m3/d，并會引起周邊地面沉降。

3．5．2 設(shè)置封水帷幕后的基坑涌水量計算

設(shè)置封水帷幕后的基坑涌水量計算采用均質(zhì)含水層潛水非完整井，基坑遠離邊界模型，均質(zhì)含水層潛水非完整井，基坑遠離邊界模型計算公式為:

式中:l——過濾器有效工作部分的長度，m;hm——潛水含水層厚度與動水位以下的含水層厚度的平均值，m，hm=(H+h)/2;h——井壁外側(cè)動水位以下的含水層厚度，m;其它符號同上。

經(jīng)計算Q=3860 m3/d。

3．6 封水帷幕計算

封水帷幕方案關(guān)鍵在于帷幕位置、帷幕體厚度以及帷幕在坑內(nèi)降水后產(chǎn)生應力計算。

3．6．1 位置確定

土壓力庫侖定理和散粒體力學理論。

土壓力庫侖定理通過擋土墻背后土體滑動楔塊上的靜力平衡得出的一種土壓力計算理論。根據(jù)該理論，在滑動體以外的地下水不考慮水壓力，滑動面與水平面的夾角為α。

散粒體力學理論也是土體塑性平衡理論，在滿足強度條件和應力平衡條件的前提下，將土體劃分為主動區(qū)、過渡區(qū)和被動區(qū)。此處將帷幕外側(cè)的水壓力作為外加荷載，求被動區(qū)的范圍及相應應力值。

計算結(jié)果見表2。

表2 土壓力影響范圍

根據(jù)計算結(jié)果和現(xiàn)場實際情況，確定采用距離基坑上開口邊線3 m設(shè)置封水帷幕，既減少了大部分水壓力的影響，又使工程量相對經(jīng)濟，并且不影響直線工期。

3．6．2 厚度確定

根據(jù)實際水頭差和容許水力坡降確定，封水帷幕厚度為40 cm。

3．6．3 防滲帷幕應力驗算

在封水帷幕兩側(cè)存在約6 m水頭差，封水帷幕受到一定的彎矩、剪力，并產(chǎn)生位移。帷幕內(nèi)力:坑外側(cè)彎矩37.9 kN·m，帷幕最大位移5.8 mm。封水帷幕為柔性結(jié)構(gòu)，根據(jù)摩爾－庫侖定理計算，墻體可以滿足強度和變形要求。

4 基坑監(jiān)測設(shè)計

根據(jù)基坑工程的具體情況及所處位置的地質(zhì)條件和特點，監(jiān)測內(nèi)容主要包括地面沉降觀測、邊坡穩(wěn)定觀測、地下水位觀測等，位置上力求有針對性的布設(shè)各類監(jiān)測設(shè)施，并兼顧驗證設(shè)計和指導施工的需要，做到少而精。

4．1 地下水位監(jiān)測

在基坑四邊封水帷幕內(nèi)側(cè)各布置1個水位觀測孔，基坑中央合適位置也布設(shè)1個水位觀測孔，合計5個水位觀測孔。這樣既能觀測基坑每側(cè)地下水位變化情況，也能形成地下水位觀測斷面，有利于分析水位變化情況。

4．2 地面沉降監(jiān)測

在基坑封水帷幕外側(cè)三邊3～5 m位置各設(shè)置1個水準點，另外一邊3、8、15 m位置各設(shè)置1個水準點，并在距基坑較遠且穩(wěn)定安全的位置設(shè)置1組垂直位移工作基點。合計水準點12個，工作基點1組。

4．3 邊坡穩(wěn)定監(jiān)測

基坑采用放坡開挖形式，開挖主要填石層中進行，該層在人工填石時地基經(jīng)過強夯處理，地基條件相對較好。邊坡穩(wěn)定監(jiān)測主要在基坑四周上坡開口邊線附近各設(shè)置測斜管1套，對基坑施工期和維護期進行邊坡變形穩(wěn)定監(jiān)測。

5 結(jié)論

(1)本工程需開挖大型基坑，且淺層為厚填石層，基坑支護防滲難度很大，選擇合適的支護方案非常關(guān)鍵;

(2)通過前期方案比選，本著安全可靠、經(jīng)濟合理、施工便利的原則，最終選定了“放坡開挖加封水帷幕”的基坑支護方案;

(3)通過灌噴樁、基坑邊坡、基坑降水、封水帷幕等各種計算，得出了基坑支護各種設(shè)計參數(shù)，在技術(shù)上是可行的;

(4)通過現(xiàn)場實施，證明設(shè)計方案可行，可控灌噴樁在厚填石層中應用防滲效果非常好;

(5)通過現(xiàn)場監(jiān)測，降水井布設(shè)合理，地下水水位一直在基坑基底2 m以上，確保干地作業(yè)條件;地面沉降很小，地面沉降最大處為3 cm，邊坡一直處于穩(wěn)定狀態(tài)。

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