復雜地質(zhì)條件下圍堰內(nèi)深基坑施工技術(shù)

劉 垚， 張文新

(中鐵隧道勘察設計研究院有限公司，廣東 廣州 511458)

隨著我國基礎建設的不斷發(fā)展，大直徑盾構(gòu)隧道廣泛應用于越江過河隧道的建設，富水基坑的位置和地質(zhì)條件，使得施工難度大大增加，基坑開挖到臨界深度后，就會形成突涌等嚴重事故[1]，深基坑順利施工成為長距離大型越江過海隧道建設成功的前提。前人對基坑開挖已有大量研究：文獻[2]基坑工程中,采用中間設置臨時隔斷地下連續(xù)墻將基坑一分為二、"分區(qū)順作"的設計方法,確?；颖旧砑班徑罔F區(qū)間隧道安全。文獻[3]介紹了采用護坡樁增設錨索的方案進行延深基坑的預加固。文獻[4-5]介紹了臨近江河富水超深基坑支護、水下開挖和水下混凝土灌注等基坑施工技術(shù)。文獻[6]探討了人工島筑島，隧道圍護結(jié)構(gòu)、基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)施工等關(guān)鍵技術(shù)。文獻[7-8]介紹了橋梁施工中錨定和水中基坑開挖及圍堰施工技術(shù)。文獻[9]介紹了通過開展多工序平行交叉作業(yè)，實現(xiàn)了深基坑長隧道的快速施工。文獻[10-12]介紹了淤泥底層條件下的基坑施工開挖方法。文獻[13-15]介紹了臨近地鐵、建筑和既有鐵路的基坑施工方法，施工加強監(jiān)測確保了施工安全。以上研究地層情況相對單一，也沒有對施工中防水和地層內(nèi)的孤石處理進行描述。

本文以汕頭市蘇埃通道工程盾構(gòu)始發(fā)井施工為背景，闡述在海域段混合復雜地層中的基坑施工技術(shù)，并對基坑開挖防水施工和基坑開挖中的孤石與基巖處理進行了介紹，為后續(xù)工程積累經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 工程概況

蘇埃通道工程盾構(gòu)始發(fā)井基坑采用1.2 m、1.0 m厚地連墻作為圍護結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐體系始發(fā)井為6層混凝土腰梁+混凝土斜撐，后配套段為兩層混凝土米字撐+4層?800 mm鋼支撐，剩余段為一層混凝土米字撐+2～4層?609 mm鋼支撐，由始發(fā)井向南分段、分層流水開挖。淤泥、砂層、全風化花崗巖層采用碼頭吊抓取，基巖及孤石需爆破后用吊斗吊出。盾構(gòu)始發(fā)井為長方形，深×長×寬為28.9 m×49.9 m×25.0 m。圍護結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐體系結(jié)構(gòu)見圖1、圖2。

標準斷面主體結(jié)構(gòu)施工采用盤扣式滿堂腳手架+木膠板(鋼板)體系，最大層高16.125 m，最大板厚1.4 m。敞開段為單側(cè)支模體系，最大層高5.3 m。

1.2 工程水文地質(zhì)條件

蘇埃通道處于8度地震區(qū)，地層以海積、海陸交互相沉積和沖積類型為主，主要穿越淤泥、淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、黏土、粉細砂、中粗砂、礫石以及花崗巖層，砂層為孔隙承壓水層。

盾構(gòu)始發(fā)井開挖深度28.90 m，且基坑范圍內(nèi)多為回填淤泥質(zhì)土、淤泥混砂、粉質(zhì)粘土及中粗砂層。其中淤泥、淤泥質(zhì)土厚度達24 m，具高含水量、大孔隙比、高壓縮性、低強度的工程特性，開挖易發(fā)生“蠕動”，可能導致邊坡失穩(wěn)、基坑變形、塌陷，發(fā)生剪切破壞。

區(qū)域內(nèi)地下水的補給，主要為大氣降水和海水滲入補給。根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)查圍堰內(nèi)地下水水位埋

圖1 圍護結(jié)構(gòu)平面示意圖(單位：m)

圖2 內(nèi)支撐體系結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)

深約3 m。

1.3 圍護結(jié)構(gòu)設計

始發(fā)井處頂面整平標高為 2.8 m，圍護結(jié)構(gòu)頂(冠梁)標高為 1.7 m，高差采用 1.6 m高擋墻，擋水墻高度為 0.4 m。始發(fā)井(EK6+837.5～EK6+862.5)開挖階段采用連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系，連續(xù)墻厚 1.2 m，采用6道鋼筋混凝土支撐：第1、2、5、6道混凝土支撐長×寬為 1 300 mm×1 000 mm，第3、4道混凝土支撐長×寬為 1 300 mm×1 200 mm。后配套基坑(EK6+837.5～EK7+050)地連墻墻厚1 m，樁頂設1 m×1 m鋼筋混凝土冠梁；EK6+862.5～EK7+050第1、2道為1 300 mm×1 000 mm的混凝土支撐+4道鋼支撐。

1.4 施工難點

(1)地下水源豐富，并且基坑開挖深度較深，基坑較寬，造成基坑開挖難度較大，基坑安全系數(shù)要求較高。

(2)圍護結(jié)構(gòu)質(zhì)量要求高，保證基坑開挖施工過程中不出現(xiàn)涌水現(xiàn)象以及后續(xù)最終接頭施工過程中施工安全，這就要求圍護結(jié)構(gòu)接頭施工要求高，不能漏水。

(3)基坑開挖深度深，支撐較多，施工難度大，基坑穩(wěn)定與施工安全要求高。

(4)基坑內(nèi)軟弱地層夾雜有基巖及孤石情況，不利于開挖出渣。

2 基坑開挖施工

2.1 始發(fā)井開挖機械布置

始發(fā)井土方分7次開挖，每層土方開挖深度最高為5.8 m，最淺為2.5 m。施工機械布置如圖3和圖4所示。

圖3 淺層土方開挖示意圖(單位：mm)

圖4 深層土方開挖示意圖(單位：mm)

2.2 基坑開挖方法

(1)土方開挖前按設計要求，將坑內(nèi)地下水位降至開挖面以下 1 m。采用反鏟挖掘機配合其他設備進行分層開挖。

(2)淺層土開挖采用基坑內(nèi)挖機倒運，基坑外挖機反鏟出土?；觾?nèi)4臺挖機挖土，一臺挖機在北端頭處反鏟挖土出土。

(3)深層土方開挖采用坑內(nèi)挖機倒運，基坑外抓斗抓土。支撐梁施工完成強度滿足設計要求后先進行支撐梁中間部位挖土，待中間部位挖土完成后，對支撐梁下土方進行挖除；支撐梁下土方挖出后，對腰梁或環(huán)框梁下土方進行挖除。為提高土方開挖效率，每臺抓斗旁放置一個長×寬×高為6 m×5 m×2 m的開口裝土箱，并配一臺挖機裝土。

2.3 基坑降水施工

(1)采用降水管井將水抽排出基坑，降水井實際深度為25 m。真空管井采用真空壓力與大氣壓差吸收淤泥質(zhì)土層中的地下水，深度為20 m。

(2)在砂層以及淤泥層降水井管徑250 mm；在基巖突起段，深度至強風化巖層，降水井管徑168 mm。

(3)坑內(nèi)降水管井布置在基坑內(nèi)離地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)約 5 m處，始發(fā)井基坑內(nèi)設置9口降水井。

(4)為使基坑開挖過程中保持良好的干施工條件，每層土方開挖前，通過設在坑內(nèi)的9口降水管井降低基坑內(nèi)的地下水位。降水過程中要注意觀察坑內(nèi)水位，確保每次水位降深在開挖面以下 1 m。

(5)在粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，因土的滲透系數(shù)較小，為加快該層的降水速度和改善降水效果，雨季在坑內(nèi)用反鏟開挖若干排水溝和集水坑，利用小型潛水泵及時抽排坑內(nèi)積水。

2.4 基坑內(nèi)孤石和基巖施工

基坑內(nèi)孤石和基巖采用機械或弱爆破方法處理(揭露孤石與基巖如圖5所示)。對于軟石和強風化巖石，直接由挖掘機或液壓鎬頭機配合自卸汽車挖裝運，不爆破。

圖5 孤石與基巖示意圖

無法用機械開挖和不適用機械的土石方地段，按弱爆破的原則進行小藥量淺孔臺階松動爆，控制飛石和爆破振動，對靠近連續(xù)墻的巖石進行爆破時要預留足夠的保護層以保護連續(xù)墻，在靠近鋼支撐立柱的地方進行巖石爆破時要注意留有足夠厚度的巖石保護層，巖石臨空面近處有鋼支撐立柱時要使爆破抵抗線方向避開鋼支撐立柱，以保護鋼支撐立柱的安全；同時控制每層爆破深度(臺階高度)及開挖深度，及時進行支撐架設，確保開挖基坑的整體穩(wěn)定。

開挖按照“先中間、后兩邊”的原則。先開槽爆破，淺孔爆破采用梅花型布孔，孔距1.0～1.5 m，排距b=0.8～1.2 m，創(chuàng)造出適合爆破施工的臨空面，在爆破方向不面朝立柱樁、地連墻等圍護結(jié)構(gòu)情況下可適當調(diào)整爆破順序。開槽爆破寬度根據(jù)現(xiàn)場實際情況而定，爆破順序如圖6所示。

爆破參數(shù)的確定：臺階高度H=(1～3)m，抵抗線W=(0.6～0.9)H，孔距a=(1.0～1.3)W，

圖6 起爆開挖示意圖

排距b=(0.9～1.1)W，堵塞長度l=(20～30)D(D為鉆孔直徑)，單孔裝藥量Q=qabH(炸藥單耗q取0.4 kg/m)?，F(xiàn)場布孔按照實際情況做調(diào)整，布孔示意圖見圖7，參數(shù)如表1所示。

圖7 淺孔臺階爆破布孔示意圖

表 1 淺孔爆破參數(shù)

2.5 防水工程施工

基坑工程處于海域內(nèi)，結(jié)構(gòu)防水等級要求高，結(jié)構(gòu)防水施工流程如圖8所示。

圖8 防水結(jié)構(gòu)施工流程

(1)基面處理：對基面的不平整處進行找平處理，清除凸起物，采用1∶2.5水泥砂漿圓順地覆蓋處理，處理后的基面平整度應滿足D/L≤1/6的條件，使凹凸起伏的部位應圓滑平緩。陰角順成半徑不小于5 cm的圓弧形，陽角做成2 cm×2 cm的鈍角。

(2)側(cè)墻防水：始發(fā)井側(cè)墻采用單面粘結(jié)防水卷材和爬焊機焊接，搭接寬度≮5 cm，側(cè)墻防水在腰梁、環(huán)框梁處需斷開，斷開處采用雙組分聚硫密封膠，封堵長度為垂直面80 mm、梁底70 mm。

(3)底板防水：底板與側(cè)墻連接部位陰角處用砂漿抹成50 mm×50 mm的倒角，集水井與底板陽角處施作墊層時棱角處修復成20 mm×20 mm的倒角，使防水卷材在陰陽角處與基面密貼。陰陽角處需增加一道附加層，附加層為雙面粘結(jié)防水卷材，寬度為500 mm，兩側(cè)各250 mm。

(4)格構(gòu)柱防水：底板格構(gòu)柱處用3 mm鋼板止水帶止水，位置為板中，鋼邊止水帶與格構(gòu)柱之間滿焊，中間部位預先施工留150 mm圓孔，確保止水鋼板下混凝土密實。格構(gòu)柱處防水如圖9所示。

圖9 格構(gòu)柱止水鋼板焊接(單位：mm)

(5)施工縫防水：始發(fā)井施工縫分為兩種，梁底施工縫設置為遇水膨脹止水條+可重復注漿管+遇水膨脹止水條+注漿管+混凝土界面劑；梁頂施工縫設置為鍍鋅鋼板止水帶+注漿管+遇水膨脹止水條+混凝土界面劑。鍍鋅鋼板止水帶采用中埋式安裝，止水帶開口朝向背水側(cè)，鍍鋅鋼板止水帶連接采用焊接，接頭搭接長度≥50 mm，并且一圈滿焊。

2.6 圍護結(jié)構(gòu)梁施工

始發(fā)井共有6層支撐，環(huán)框梁和支撐按照土方開挖、施作墊層、鋼筋綁扎、安設模板和澆筑混凝土順序施工。腰梁施工流程如圖10所示。

圖10 腰梁施工流程

3 基坑施工穩(wěn)定性分析

監(jiān)測項目及相關(guān)控制值見表2。

基坑從2017年4月開始開挖到2017年11月盾構(gòu)機下井組裝完成始發(fā)，期間墻體深層水平位移最大累計向基坑內(nèi)偏移變形21 mm左右，小于設計值30 mm的控制值，總體日平均變形小于1 mm/d；第5道混凝土支撐軸力受力最大達到15 705 kN，小于設計控制值19 283 kN；地表沉降因回填土層軟弱，密實度差，以及基坑周邊重型設備作業(yè)等導致地表沉降測點數(shù)值偏大，在施工中初期日變形達到3～5 mm/d，后期變形1～2 mm/d，過程中沒有突變，地表累計沉降最終達到-359.6 mm，趨于穩(wěn)定；其它監(jiān)測項目監(jiān)測結(jié)果遠小于設計控制值。因此，基坑施工期間總體變形情況小于設計控制值，滿足基坑施工保持穩(wěn)定安全的要求。

表2 基坑施工主要監(jiān)測項目及控制值

結(jié)合監(jiān)測情況和施工工況分析，基坑施工過程處于穩(wěn)定安全狀態(tài)，保證了施工安全，為盾構(gòu)機下井組裝順利始發(fā)奠定了有利的基礎。

4 結(jié)論與討論

(1)基坑開挖前，首先要確?；訃o結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，保證圍護結(jié)構(gòu)體系牢固性、安全性，以確保后期操作的順利實施。

(2)以良好的支護體系為支撐，采用管井降水提前固結(jié)軟土地層，為基坑挖掘機開挖提供條件。

(3)在基坑開挖與支護施工階段，分層開挖，隨挖隨撐，同時結(jié)合基坑監(jiān)測，實時掌握基坑變形情況，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整施工工藝，保證基坑安全。

(4)通過方案不斷優(yōu)化，施工合理組織，嚴控工序轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)循環(huán)作業(yè)，為基坑快速施工奠定了基礎。