上海公路橋梁（集團(tuán)）有限公司 上海 200023

1 工程概況

1.1 泵站深基坑概況

背景工程泵房基坑位于常州市城北污水處理廠區(qū)內(nèi)，基坑尺寸31.45 m×27.2 m，采用排樁+內(nèi)支撐形式，外側(cè)設(shè)置三軸水泥土攪拌樁止水帷幕，基坑深14 m。施工1 排鉆孔灌注樁，樁身長(zhǎng)24.8 m（圖1）。

施工區(qū)域內(nèi)地質(zhì)主要為：①雜填土，③1黏土，③2粉質(zhì)黏土，⑤1粉砂，⑤2粉砂，⑤3粉砂夾粉土，⑧2粉砂夾粉土。

1.2 泵站深基坑施工難點(diǎn)

1.2.1 砂性土層

本工程泵站圍護(hù)樁樁身長(zhǎng)24.8 m，排樁深入地下⑤1、⑤2粉砂層，含砂量大。

1.2.2 地下不明管線、障礙物眾多

泵站基坑施工區(qū)域內(nèi)存在較多未探明的管線，由于基坑已抵近污水處理池結(jié)構(gòu)物及φ1 220 mm管道，東西向管道改遷工作存在較大困難。

圖1 泵站基坑平面示意

1.2.3 地上建（構(gòu)）筑物限制施工

本工程基坑尺寸為31.45 m×27.2 m，業(yè)主移交的場(chǎng)地尺寸為45 m×54 m，基坑施工區(qū)域內(nèi)及周邊存在配電間、廠區(qū)污水處理池、改遷管道及污水井、運(yùn)行中的污水處理格柵等構(gòu)筑物。

2 針對(duì)砂性土層的改進(jìn)措施

2.1 砂性土層分析

砂性土屬典型的多孔介質(zhì)，其滲透性強(qiáng)，膠結(jié)作用弱。由于多孔介質(zhì)的顆粒和孔隙都具有不規(guī)則性、自相似性、模糊性和非線性等特點(diǎn)，且整體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出復(fù)雜性，因此傳統(tǒng)方法對(duì)多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)及滲流過(guò)程的直觀定量描述難以有更大的進(jìn)展。

根據(jù)目前的研究成果，我們引入分形幾何及分形維數(shù)2 個(gè)概念，利用分形幾何原理用于巖土力學(xué)領(lǐng)域。研究表明，砂礫類土的分布具有分形分布特征，且粗粒土粒間孔隙的分布及細(xì)顆粒充填到粗顆?？紫吨g的方式也表現(xiàn)出分形規(guī)律。通過(guò)研究其顆粒級(jí)配分維值D與不均勻系數(shù)Cu及滲透系數(shù)K之間的關(guān)系，我們能夠通過(guò)顆粒級(jí)配分維來(lái)反映砂性土的顆粒大小及級(jí)配規(guī)律，比較直觀定量地描述砂性土滲透系數(shù)的大小，從而為在施工中改善砂性土層土質(zhì)，保證施工質(zhì)量提供理論依據(jù)（圖2）。

圖2 級(jí)配分形維數(shù)的物理意義示意

2.1.1 土層顆粒分析

砂性土的顆粒級(jí)配是影響滲透系數(shù)的重要因素。通過(guò)顆粒分析法得出砂性土的顆粒級(jí)配曲線，可以求出顆粒的不均勻系數(shù)Cu；在級(jí)配曲線上對(duì)小于某粒徑的顆粒百分含量依次對(duì)半分割，然后在顆粒粒徑與百分含量的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中進(jìn)行線性回歸分析，其擬合的直線斜率絕對(duì)值即為級(jí)配分形維數(shù)D。然后對(duì)分形維數(shù)與滲透系數(shù)進(jìn)行線性回歸分析，從而分析滲透系數(shù)K與級(jí)配分維值D的相關(guān)關(guān)系。顆粒級(jí)配曲線如圖3所示。我們由此得知，顆粒級(jí)配越好，大顆粒之間的孔隙被細(xì)小顆粒充填，不均勻系數(shù)Cu越大，直線斜率即分維D越小。

圖3 顆粒級(jí)配曲線

2.1.2 顆粒級(jí)配與土層滲透系數(shù)的相關(guān)性

砂性土的滲透性較好，主要表現(xiàn)在它具有較大的孔隙度。砂性土的滲透性主要受粒徑大小與級(jí)配、孔隙度、礦物成分、土的結(jié)構(gòu)以及飽和度的影響。因此，土的級(jí)配好壞直接影響著土的顆粒組成、結(jié)構(gòu)以及孔隙度的大小，對(duì)滲透系數(shù)的大小起著決定性的作用。根據(jù)滲透試驗(yàn)所測(cè)定的各試件滲透系數(shù)K，將分維值D和滲透系數(shù)K進(jìn)行線性回歸分析（圖4）。

圖4 滲透系數(shù)與分維值D的相關(guān)性

分維值D與滲透系數(shù)K之間呈正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)度較好。土的級(jí)配越好，不均勻系數(shù)Cu越大，分維值D越小。反之，級(jí)配越差，顆粒均勻程度越高，分維值D也越大，顆粒間的堆積排列方式較疏松，此時(shí)孔隙度n增大，過(guò)水面積增大，滲透系數(shù)K也越大。

2.2 砂性土施工針對(duì)性措施

砂性土的顆粒及孔隙分布具有分形特征，由于砂性土的滲透性及含泥量較少，膠結(jié)作用不明顯，鉆孔灌注樁施工過(guò)程中使用的自然造漿易形成坍孔、頸縮等現(xiàn)象。

1）改進(jìn)措施：針對(duì)自然造漿無(wú)法滿足土體及洞口穩(wěn)定，采取膨潤(rùn)土人工造漿，改善砂性土層的顆粒級(jí)配，以細(xì)小顆粒填充，產(chǎn)生膠結(jié)作用，以達(dá)到穩(wěn)固土體的目的。

2）膨潤(rùn)土泥漿：膨潤(rùn)土是以鉀、鈣、鈉蒙脫石為主要成分（含量一般大于65%）的黏土礦物， 具有膨脹性和觸變性。膨潤(rùn)土具有觸變性，經(jīng)攪拌的具有黏性及流動(dòng)性的液體膨潤(rùn)土泥漿能有效地填充于砂性土層中，改善了其顆粒級(jí)配，達(dá)到土質(zhì)改良的目的，同時(shí)，處于靜止?fàn)顟B(tài)的膨潤(rùn)土泥漿將具備良好的膠凝特性，成孔質(zhì)量得到了提高。

3）施工要點(diǎn)如下：

（1）泥漿相對(duì)密度為1.2～1.45，黏度為19～28 Pa·s，含砂率為4%～8%，膠體率≥96%，失水率≤15%，30 min泥皮厚度≤2 mm， 靜切力3～5 Pa，pH值為8～10。

（2）施工過(guò)程中對(duì)泥漿進(jìn)行過(guò)程中檢測(cè)，檢測(cè)內(nèi)容包括含砂率、黏度等。

（3）在實(shí)際施工中，由于土層的含砂量較大，為了進(jìn)一步防止在施工中出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，在鉆孔完畢后需進(jìn)行1～2 次自上而下的掃孔。

3 穿越障礙物的施工措施

工程區(qū)域內(nèi)，地下沉井蓄水池、管道、管線、障礙物眾多，且距離較近，施工難度較大。施工措施為：

1）事先進(jìn)行管線探摸，排除施工隱患。

2）采用小型挖機(jī)進(jìn)行前期溝槽開挖，避免出現(xiàn)安全事故。

3）鉆機(jī)調(diào)整鉆機(jī)參數(shù)，當(dāng)鉆進(jìn)地層遇到明顯障礙物時(shí)采取反復(fù)鉆進(jìn)，若地下廢棄管道口徑較大、質(zhì)地堅(jiān)硬，則更換鉆頭后再次進(jìn)行試鉆。若遇無(wú)法清除的障礙物，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)無(wú)法施工時(shí)，采用補(bǔ)樁措施，補(bǔ)樁與原設(shè)計(jì)樁徑、樁長(zhǎng)、水泥含量等同。

4 排樁穿越建筑（構(gòu)）物狹長(zhǎng)走廊的施工

4.1 W4#污水井及污水處理格柵（狹長(zhǎng)走廊）

采用現(xiàn)代Hyundai R215-7C與現(xiàn)代Hyundai R60-7兩種挖掘機(jī)進(jìn)行作業(yè)。R215-7C型挖掘機(jī)自重為20 700 kg，R60-7型挖掘機(jī)自重為5 850 kg。

W4#污水井為磚砌結(jié)構(gòu)，污水處理格柵為地下沉井，地下埋深約14 m（圖5）。鉆孔灌注樁溝槽開挖后，表層覆土被清除，土體無(wú)法提供側(cè)向支撐，井位結(jié)構(gòu)受力不均勻，機(jī)械自重易對(duì)土體造成擠壓，導(dǎo)致土體發(fā)生側(cè)向移動(dòng)，危及構(gòu)筑物安全。因此施工前需對(duì)W4#臨時(shí)污水井及污水處理格柵區(qū)域2 座構(gòu)筑物進(jìn)行保護(hù)處理，確保其施工期間的穩(wěn)固后，方可進(jìn)行下道工序施工。

施工時(shí)使用現(xiàn)代Hyundai R60-7挖機(jī)在內(nèi)部開挖溝槽，使用現(xiàn)代Hyundai R215-7C挖機(jī)外部等待出土+槽鋼支撐。

圖5 W4#污水井及污水處理格柵

4.2 施工特點(diǎn)難點(diǎn)

1）機(jī)械自重較大，盲目進(jìn)入將危及井室安全。

2）施工面積狹小，大型機(jī)械無(wú)法進(jìn)入。

3）W4#污水井為磚砌結(jié)構(gòu)，且淺埋于地表以下。

4）W4#臨時(shí)污水井、污水處理格柵為正常使用設(shè)備，停止運(yùn)轉(zhuǎn)將造成市區(qū)污水上涌地面等后果，上層覆土進(jìn)入污水井后吸入泵機(jī)將造成設(shè)備損壞，污水無(wú)法處理。

4.3 施工措施

4.3.1 技術(shù)措施

1）采用槽鋼支撐，W4#污水井與污水處理格柵形成相互的側(cè)向支撐；

2）沿井壁外側(cè)施打鋼板樁，保證其井位結(jié)構(gòu)穩(wěn)固；

3）沿井壁內(nèi)側(cè)制作鋼支撐圍檁，以防止土的側(cè)向應(yīng)力對(duì)井壁造成破壞；

4）采取井位外壁注漿進(jìn)行土體加固，井位南側(cè)處于卸荷狀態(tài)，通過(guò)支撐使力達(dá)到平衡，通過(guò)北側(cè)土體注漿，使井外壁土體處于穩(wěn)固狀態(tài)。

4.3.2 施工管理措施

1）合理計(jì)劃施工順序。

2）合理劃分施工區(qū)域。施工場(chǎng)地對(duì)機(jī)械的選型要求較高，合理劃分施工區(qū)域?qū)ν瓿晒ぷ饔蟹e極作用。

3）多機(jī)械協(xié)同配合施工。吊裝、開挖、支撐、注漿、型鋼拼接等工序協(xié)同配合。多機(jī)械的協(xié)調(diào)配合施工需要現(xiàn)場(chǎng)組織管理人員科學(xué)合理地對(duì)機(jī)械進(jìn)行調(diào)配，以免造成擁堵及混亂。

4）合理組織材料人員。考慮到井位的特殊的重要性，一旦施工，應(yīng)當(dāng)盡快保證材料的及時(shí)性，保證設(shè)備運(yùn)行安全。

5 結(jié)語(yǔ)

砂性土層作為地下工程施工中常見(jiàn)的一種土層，其本身具有的特性，對(duì)地下工程產(chǎn)生了不利的影響。為改善土體特性，針對(duì)砂性土的顆粒及孔隙分布的分形特征、砂性土的滲透性及含泥量較少，膠結(jié)作用不明顯等特點(diǎn)，在樁基施工過(guò)程中采用人工造漿方法，改善土體的顆粒級(jí)配，增加膠結(jié)作用，減少砂性土體的滲透性，同時(shí)通過(guò)強(qiáng)化管理措施，不斷修正施工參數(shù)，建立長(zhǎng)效監(jiān)控機(jī)制，以達(dá)到保證施工質(zhì)量的目的[1-5]。

在市區(qū)環(huán)境下進(jìn)行狹小范圍內(nèi)的深基坑施工，涉及到對(duì)現(xiàn)有建（構(gòu)）筑物及地下重要管線的保護(hù)，在施工中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，做到“情況清楚、統(tǒng)籌兼顧、保障安全”，堅(jiān)持“大半徑、小區(qū)域、輕重結(jié)合、隨挖隨撐”的構(gòu)筑物開挖保護(hù)原則，強(qiáng)化施工管理，合理調(diào)配機(jī)械、材料、人員，重視建立建筑物突發(fā)應(yīng)急搶修機(jī)制及施工管理長(zhǎng)效化信息管理制度。