深圳鹽田行政大樓厚填石層大型基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

李吉林，孫 旭

(山東電力工程咨詢(xún)?cè)河邢薰?，山東濟(jì)南250100)

1 工程概況

鹽田國(guó)際行政辦公大樓場(chǎng)地位于鹽田國(guó)際集裝箱碼頭北側(cè)三期工程場(chǎng)地內(nèi)，占地約20000 m2。東北方向港口進(jìn)出閘道路，西北方向靠明珠立交橋，西南方向?yàn)辂}田保稅區(qū)，西南方向是鹽田國(guó)際堆場(chǎng)查驗(yàn)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(mǎn)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(kāi)挖深度一般≮8.7 m，局部14.4 m。

鹽田國(guó)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(kāi)挖和降水產(chǎn)生的土體位移及沉降不得引起周?chē)ㄖ?、?gòu)筑物、路面和管線(xiàn)的變形和損壞，對(duì)此提出預(yù)測(cè)和防止對(duì)策，且對(duì)周邊場(chǎng)地的位移和沉降進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測(cè);(2)基坑支護(hù)施工、土方開(kāi)挖方法可分為無(wú)支護(hù)與有支護(hù)開(kāi)挖方法;(3)基坑工程要求安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工便利、保證工期，還應(yīng)結(jié)合主體工程設(shè)計(jì)進(jìn)行基坑總體方案設(shè)計(jì)。

2 地質(zhì)條件

2．1 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地原始地貌為濱海地貌，地勢(shì)較低，經(jīng)人工填海處理后，地形開(kāi)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(xì)粒花崗巖。各巖土層特性分述如下。

①人工填石層(Qml):主要為微風(fēng)化凝灰?guī)r及微風(fēng)化中細(xì)?；◢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(qiáng)夯處理，呈中密—密實(shí)狀態(tài)。

②第四系海相沉積層(Qm):為灰黑色含有機(jī)質(zhì)粉土，局部以粉砂為主，呈飽和、密實(shí)狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)貫入平均擊數(shù)3.8擊。一般厚度0.5～6.6 m，層底標(biāo)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(xì)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(jī)質(zhì)。層底標(biāo)高－9.22～－14.30 m。

④第四系殘積層(Qel):由凝灰?guī)r及中細(xì)粒花崗巖風(fēng)化殘積而成，原巖結(jié)構(gòu)可辨，礦物成份除石英外均已風(fēng)化成土狀，濕潤(rùn)、可塑狀態(tài)，下部呈硬塑狀態(tài)，局部由全強(qiáng)風(fēng)化夾層，層頂標(biāo)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?；鶐r從上往下依次為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化巖石，層頂埋深16.7～38.7 m，層頂標(biāo)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(chǎng)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(cè)得最高地下水位埋深約2.6 m，標(biāo)高約1.6 m，最低地下水位埋深約4.0 m，標(biāo)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(chǎng)地孔隙潛水與海水聯(lián)系緊密，主要受海水補(bǔ)給，水質(zhì)類(lèi)型為咸水?；鶐r裂隙水主要賦存于強(qiáng)、中風(fēng)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(bào)告表，該場(chǎng)地地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋在長(zhǎng)期侵水條件下具有弱腐蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。

2．3 不良地質(zhì)條件

(1)場(chǎng)地淺層填石層厚度較大，填石的粒徑較大且經(jīng)強(qiáng)夯處理，對(duì)基坑開(kāi)挖和樁基施工帶來(lái)困難;

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

(3)場(chǎng)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(chǎng)地內(nèi)有過(guò)多次斷裂活動(dòng)，巖層破碎，在巖層頂部，有微承壓裂隙水。

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

3．1 方案比選

基坑支護(hù)方法很多，有板樁支護(hù)式(鋼板樁、鋼筋混凝土板樁)、排樁支護(hù)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(kāi)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(kāi)挖加封水帷幕方案進(jìn)行比較。

3．1．1 地下連續(xù)墻支護(hù)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(diǎn)，適合軟弱土層等復(fù)雜地層和建筑密集城市的深基坑支護(hù)。但泥漿處理、水下鋼筋混凝土澆筑施工工藝復(fù)雜、造價(jià)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(mǎn)足要求［1］。

3．1．2 排樁支護(hù)方案

排樁支護(hù)是把單個(gè)樁體(如鉆孔灌注樁或挖孔樁等)沿基坑周邊一個(gè)緊接一個(gè)并排連接起來(lái)形成的支護(hù)結(jié)構(gòu)。排樁結(jié)構(gòu)剛度較大、施工工藝和設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、對(duì)周邊環(huán)境影響較小，適合軟弱土層等復(fù)雜地層和建筑密集城市的深基坑支護(hù)，工程造價(jià)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(jī)方可滿(mǎn)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(kāi)挖加封水帷幕方案

本工程周邊場(chǎng)地相對(duì)開(kāi)闊，無(wú)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(qiáng)度指標(biāo)φ值較大，有放坡條件，而且放坡開(kāi)挖施工簡(jiǎn)單，相互干擾少，施工速度快，造價(jià)低［3］。

3．1．4 小結(jié)

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

3．2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

充分利用淺層填石的特性和周邊環(huán)境條件，采用放坡開(kāi)挖形成基坑，同時(shí)為了確?；釉诮ㄖ扼w和基礎(chǔ)施工時(shí)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(duì)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(wèn)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(guò)深厚填石層時(shí)施工困難，且工期較長(zhǎng)，造價(jià)高，難以滿(mǎn)足要求;采用高壓噴射注漿方案對(duì)下部粉質(zhì)粘土較適用，但是對(duì)于上部深厚填石層，由于塊石間空隙較大，注漿后漿液流動(dòng)性較大以致水泥漿會(huì)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(gè)特大型基坑堆石體圍堰工程隔水防滲帷幕成功實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本工程采用專(zhuān)用塊石灌漿施工工藝穿過(guò)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(jià)低，且施工速度快，干擾少［4］。

3．2．1 基坑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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

3．2．2 封水帷幕設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在上坡開(kāi)口線(xiàn)外3.0 m處，由單個(gè)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(qiáng)，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(jìn)入至殘積土內(nèi)1.0 m。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，計(jì)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(zhǎng)度為7.7 m，在土層中的樁體平均長(zhǎng)度為6.0 m。

3．2．3 降水系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

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(gè)，共計(jì)16個(gè)。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(kāi)挖，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況和進(jìn)展逐步施工中間部位降水井。降水井布置見(jiàn)圖1。

圖1 降水井布置示意圖

3．3 可控灌噴樁設(shè)計(jì)

在塊石中灌漿工藝在漿體材料選擇上很重要。在大孔隙、強(qiáng)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(xué)灌漿，耗費(fèi)大量昂貴漿液、工效低、成本高，灌漿質(zhì)量也不理想，化學(xué)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(qiáng)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(dòng)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(jiǎn)單，漿液有較大的塑性屈服強(qiáng)度，在強(qiáng)透水區(qū)達(dá)到一定范圍即停止擴(kuò)散，既可形成完整防滲體，又可以避免漿液過(guò)分流失。由于析水率小，省去排除漿液多余水份的灌漿時(shí)間，并且不會(huì)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(qiáng)度高、防滲性好，抗化學(xué)溶蝕能力強(qiáng)。漿液可采用塑性屈服強(qiáng)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(shí)間的水泥化學(xué)漿液［5］。

3．4 基坑邊坡穩(wěn)定計(jì)算

基坑開(kāi)挖主要在填石層內(nèi)，對(duì)于臨時(shí)開(kāi)挖邊坡和穩(wěn)定計(jì)算可采用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算。

3．4．1 計(jì)算公式

式中:k——整個(gè)滑體剩余下滑力計(jì)算的安全系數(shù);l——單個(gè)土條的滑動(dòng)面長(zhǎng)度，m;W——條塊重力，kN，浸潤(rùn)線(xiàn)以上取重度，以下取飽和重度;β——條塊的重力線(xiàn)與通過(guò)此條塊底面中點(diǎn)半徑之間的夾角，(°);cu，φu——土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，采用總應(yīng)力法時(shí)，取總應(yīng)力指標(biāo)，采用有效應(yīng)力法時(shí)，取有效應(yīng)力指標(biāo)［6］。

3．4．2 計(jì)算簡(jiǎn)圖

邊坡坡比1∶1.25，邊坡高度8.7 m。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2所示。

圖2 邊坡圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定計(jì)算簡(jiǎn)圖

3．4．3 計(jì)算成果

通過(guò)圓弧滑動(dòng)法計(jì)算，當(dāng)邊坡采用1∶1.25時(shí)，搜索最小安全系數(shù)K=1.19;對(duì)爆破石渣料回填層采用直線(xiàn)法計(jì)算安全系數(shù)K=1.10，能滿(mǎn)足臨時(shí)邊坡穩(wěn)定要求。

3．5 基坑降水計(jì)算

3．5．1 未設(shè)置封水帷幕基坑降水計(jì)算

計(jì)算模型:采用均質(zhì)含水層潛水完整井，基坑遠(yuǎn)離水源邊界模型，見(jiàn)圖3。

圖3 潛水完整井模型

計(jì)算公式:均質(zhì)含水層潛水完整井，基坑遠(yuǎn)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(jì)算參數(shù):主要土層計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要土層計(jì)算參數(shù)表

計(jì)算結(jié)果:在無(wú)封水帷幕條件下，在基坑周邊設(shè)置管井抽水，經(jīng)計(jì)算基坑每日抽水量將超過(guò)88518 m3/d，并會(huì)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(jì)算

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

式中:l——過(guò)濾器有效工作部分的長(zhǎng)度，m;hm——潛水含水層厚度與動(dòng)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(dòng)水位以下的含水層厚度，m;其它符號(hào)同上。

經(jīng)計(jì)算Q=3860 m3/d。

3．6 封水帷幕計(jì)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(yīng)力計(jì)算。

3．6．1 位置確定

土壓力庫(kù)侖定理和散粒體力學(xué)理論。

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

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

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 土壓力影響范圍

根據(jù)計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，確定采用距離基坑上開(kāi)口邊線(xiàn)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(duì)經(jīng)濟(jì)，并且不影響直線(xiàn)工期。

3．6．2 厚度確定

根據(jù)實(shí)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(yīng)力驗(yàn)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(kù)侖定理計(jì)算，墻體可以滿(mǎn)足強(qiáng)度和變形要求。

4 基坑監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

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(diǎn)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括地面沉降觀測(cè)、邊坡穩(wěn)定觀測(cè)、地下水位觀測(cè)等，位置上力求有針對(duì)性的布設(shè)各類(lèi)監(jiān)測(cè)設(shè)施，并兼顧驗(yàn)證設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工的需要，做到少而精。

4．1 地下水位監(jiān)測(cè)

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

4．2 地面沉降監(jiān)測(cè)

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

4．3 邊坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)

基坑采用放坡開(kāi)挖形式，開(kāi)挖主要填石層中進(jìn)行，該層在人工填石時(shí)地基經(jīng)過(guò)強(qiáng)夯處理，地基條件相對(duì)較好。邊坡穩(wěn)定監(jiān)測(cè)主要在基坑四周上坡開(kāi)口邊線(xiàn)附近各設(shè)置測(cè)斜管1套，對(duì)基坑施工期和維護(hù)期進(jìn)行邊坡變形穩(wěn)定監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論

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

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

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

(4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施，證明設(shè)計(jì)方案可行，可控灌噴樁在厚填石層中應(yīng)用防滲效果非常好;

(5)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，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)。

［1］ 李茂芳、孫釗，大壩基礎(chǔ)灌漿(第二版)，北京:水利電力出版社，1987．6．

［2］ DL/T 5148—2001，水工建筑物水泥灌漿施工技術(shù)規(guī)范［S］．

［3］ 曾凡杜．壩面帷幕灌漿技術(shù)在竹銀水庫(kù)主壩壩基處理中的應(yīng)用［J］．水利水電科技進(jìn)展，2011，31(6):55 －58．

［4］ 彭第，王偉．中梁一級(jí)電站庫(kù)區(qū)防滲帷幕灌漿試驗(yàn)效果分析［J］．水利水電科技進(jìn)展，2011，31(5):73 －78．

［5］ 李吉林．水布埡面板堆石壩基礎(chǔ)灌漿試驗(yàn)［J］．水利水電科技進(jìn)展，2012，32(5):67 －70．

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