巖土混合土層的深基坑設(shè)計及施工關(guān)鍵技術(shù)

王 濤

1. 上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開挖建造工程技術(shù)研究中心 上海 200002

1 工程概況

某核電站排水虹吸井（CC井）工程為半全埋置式地下結(jié)構(gòu)，地下部分埋深約20 m，地面出露高度0.5 m。CC井地基為微風化巖，局部軟土區(qū)域采取開挖換填為塊石混凝土的方式進行處理，以保證地基的均勻性。自CC井到閘門井的排水隧洞采用盾構(gòu)法施工，CC井兼作盾構(gòu)始發(fā)井，其尺寸為40.5 m×39.3 m，最大開挖深度20 m。

本工程基坑自上而下涉及的地層主要為：①人工填土層、③黏土層、⑤2淤泥質(zhì)黏土、⑥粉質(zhì)黏土、 2微風化二長淺粒巖。CC井基礎(chǔ)底面為 2層，屬均質(zhì)彈性地基。

前期設(shè)計及施工方案論證過程，主要存在以下重點：

1）場地內(nèi)存在多個項目同時施工，因此建設(shè)方規(guī)定了基坑開挖最大范圍，需在此范圍內(nèi)采取合適的基坑圍護支護工藝，與相鄰標段相協(xié)調(diào)。

2）CC井作為盾構(gòu)始發(fā)井，需要考慮基坑圍護設(shè)計與盾構(gòu)施工的協(xié)調(diào)。

3）按核電廠設(shè)計原則，CC井基礎(chǔ)必須坐落在天然巖層地基上。由于本工程巖層沿基坑南北向斜向分布，造成基坑南側(cè)（盾構(gòu)出洞側(cè)）局部挖深較深，施工中應(yīng)針對該處基坑的開挖采取特別措施，確?；影踩?。

2 基坑設(shè)計方案比選

2.1 初步方案的提出

在初步設(shè)計方案中，CC井基坑采取了圍護錨樁＋局部混凝土角撐的形式，主要設(shè)計原則為[1-4]：

1）考慮到基坑北側(cè)與相鄰標段排水箱涵基坑相銜接，且?guī)r層埋深較淺，為此，該側(cè)基坑采用巖層爆破放坡的開挖方式，邊坡按1∶0.25一坡到底，便于爆破出渣施工的工作面展開（圖1）。

圖1 北側(cè)基坑圍護剖面示意

2）基坑東西兩側(cè)開挖范圍上部在土層內(nèi)、下部在基巖內(nèi)區(qū)域，上部土層采取分層開挖、分層支護。該區(qū)域圍護結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm@1 500 mm吊腳灌注樁＋1～4道高壓旋噴土錨形式，便于土方開挖的便捷作業(yè)。土錨豎向間距3.1 m，水平間距為1.5 m（3.0 m），灌注樁樁底進入微風化巖不小于0.6 m（中風化巖不小于1.6 m）。下部巖層爆破區(qū)域留巖寬度大于2 m，以保證圍護嵌固穩(wěn)定。巖體內(nèi)放坡開挖，坡比1∶0.25。圍護樁后采用2排高壓旋噴樁止水至巖面（圖2）。

3）基坑近南側(cè)開挖范圍全部在土層內(nèi)，土方分層開挖、分層支護。圍護結(jié)構(gòu)采用φ1 200 mm@1 500 mm灌注樁＋5道高壓旋噴土錨，土錨豎向間距3.1 m，水平間距1.5 m，樁底進入微風化巖至少0.6 m（中風化巖至少1.6 m），圍護樁后采用2排高壓旋噴樁止水至巖面（圖3）。

圖2 東西側(cè)基坑圍護剖面

圖3 近南側(cè)基坑圍護剖面

4）基坑南側(cè)為排水隧洞盾構(gòu)出洞位置。結(jié)合施工范圍紅線及盾構(gòu)施工的埋深要求，表層采用一級放坡卸土至＋2.5 m。深層圍護采用φ1 200 mm@1 500 mm灌注樁＋4道支撐。為盡量與基坑東西側(cè)挖土順序相協(xié)調(diào)，上2道支撐采取高壓旋噴土錨，土錨豎向間距為3.1 m，水平間距為1.5 m。中心標高同東、西兩側(cè)第1、第2道土錨。土錨設(shè)為水平錨桿，主要是為了避免與盾構(gòu)隧道在空間上的交叉。下2道支撐采取鋼筋混凝土角撐形式，主要是考慮基坑下部盾構(gòu)隧道占據(jù)空間較大，錨桿無法搭設(shè)。圍護樁后采用2排高壓旋噴樁止水至巖面。盾構(gòu)出洞加固采用高壓旋噴樁滿堂加固（圖4）。

本方案的優(yōu)點為：充分利用基坑北側(cè)相鄰的箱涵施工段作為出渣通道，基坑總體采用敞開式開挖，便于爆破和出渣作業(yè)；土方開挖量相對較節(jié)??；施工可滿足整體工程進度要求。

圖4 南側(cè)基坑圍護剖面

但同時該方案也帶來如下問題[5-7]：

1）基坑南側(cè)由于底部為盾構(gòu)出洞位置，難以設(shè)置錨桿體系，采用了混凝土角撐支撐形式。受結(jié)構(gòu)空間限制，在盾構(gòu)出洞前需將混凝土支撐體系鑿除并進行換撐，施工較繁瑣。

2）混凝土角撐層高較小，對挖土工況不利，且南側(cè)因基巖面較深，需進行深挖換填處理，施工空間狹小，問題更加突出。

3）由于混凝土角撐跨度大，需在中部設(shè)置格構(gòu)立柱，但格構(gòu)柱位于巖層爆破開挖區(qū)。由于基坑為分層開挖，爆破作業(yè)時上部混凝土支撐體系已形成，爆破施工不可避免地會對格構(gòu)柱產(chǎn)生振動影響，這成為基坑施工中的一個安全隱患。

2.2 優(yōu)化方案的提出

綜合以上因素，主要對基坑南側(cè)圍護形式進行了進一步優(yōu)化，主要設(shè)計原則為合理利用場地內(nèi)允許的開挖范圍，將南側(cè)改為3級放坡開挖形式。底部采取重力壩擋土（圖5）。

圖5 優(yōu)化后南側(cè)基坑圍護剖面

為協(xié)調(diào)基坑施工與盾構(gòu)出洞之間的關(guān)系，規(guī)定了盾構(gòu)出洞前的結(jié)構(gòu)施工順序：

1）土方開挖至CC井底板標高后，施工CC井主體結(jié)構(gòu)底板及外墻。

2）盾構(gòu)出洞之前，結(jié)構(gòu)內(nèi)部未施工空腔處采用鋼筋混凝土支撐進行臨時換撐。

3）對工作井外墻外進行土體回填加固處理，滿足盾構(gòu)出洞地基強度及止水要求。

對盾構(gòu)出洞工況，基坑也進行了必要的處理（圖6）。

圖6 盾構(gòu)出洞工況基坑剖面示意

方案調(diào)整后的優(yōu)點為：取消了基坑南側(cè)原混凝土支撐形式，調(diào)整為分級放坡開挖方式，使該區(qū)域土方開挖與整體基坑土方開挖更加協(xié)調(diào)。取消了中間格構(gòu)柱，便于基坑范圍內(nèi)巖層爆破施工的進行。同時，也更加有利于基坑南側(cè)局部深坑的處理。雖增加了部分土方開挖量，但綜合總體施工效率來看，施工效果優(yōu)于初步方案。

3 基坑南側(cè)局部深坑開挖施工針對性措施

按核電廠設(shè)計原則，CC井基礎(chǔ)必須坐落在天然巖層地基上。本工程巖層沿基坑南北向斜向分布，且實際巖層分布線與勘察結(jié)果略有差異，造成基坑南側(cè)（盾構(gòu)出洞側(cè)）局部挖深較深。本工程經(jīng)優(yōu)化后最終確定在南側(cè)采用放坡開挖＋底部重力壩擋土的方案?？拷亓畏秶木植砍冢瑢δ蟼?cè)基坑的穩(wěn)定會產(chǎn)生較大影響。

考慮到實際基巖埋深情況的不均勻性，為避免大范圍超挖對邊坡構(gòu)成較大影響，實際施工中采取分塊支撐、抽條開挖的形式（圖7）。

第1階段：根據(jù)現(xiàn)場實際情況，對三角區(qū)北側(cè)4～5 m區(qū)域已外露的基巖區(qū)域進行清理，沿基巖清理出一塊東西向的長條形區(qū)域，對該區(qū)域先進行素混凝土換填，作為支撐受力帶；將三角區(qū)處重力壩凸出側(cè)進行削平整理。

第2階段：在完成上述工作后，在圖示區(qū)域安裝鋼支撐，鋼支撐采用φ0.5 m鋼管，設(shè)置8道，間距5 m；該支撐為可拆卸鋼結(jié)構(gòu)；圍檁采取40#工字鋼。

第3階段：在第2階段支撐安裝完成且北側(cè)回填素混凝土達到設(shè)計強度后，首先對①分區(qū)進行開挖換填素混凝土，待換填混凝土達到設(shè)計強度，再對②分區(qū)進行開挖換填，最后對③分區(qū)進行換填。

圖7 南側(cè)基坑圍護結(jié)構(gòu)優(yōu)化后開挖工況示意

開挖換填過程中，加強對南側(cè)放坡區(qū)域的監(jiān)測及應(yīng)急措施處理。如果監(jiān)測數(shù)據(jù)超過報警值，應(yīng)該立即采取應(yīng)急措施，如增加支撐數(shù)量、減小分塊開挖寬度、砂包回填等。

按上述步驟進行抽條開挖后，整個基坑南側(cè)的位移量控制在了合理范圍內(nèi)，整體基坑穩(wěn)定，未受影響。

4 結(jié)語

基坑的設(shè)計方案應(yīng)充分考慮與后續(xù)施工的順暢性，針對復雜土層條件下的基坑，應(yīng)進行多種施工工藝的可行性比較，從而優(yōu)化選擇。在設(shè)計施工總承包模式下，可有效地推動前期設(shè)計方案與后續(xù)施工方案之間的有效互動，以便于整體工程的順利實施。