堅硬砂巖地質(zhì)條件下的深基坑施工綜合技術(shù)

許寶輝 侯慶達 王梟萌 羅凱旋 李志文 陳壯壯 朱博文

中建八局第二建設(shè)有限公司 山東 濟南 250022

1 工程概況

背景工程是由東西2棟高層塔樓（15層、18層）、4層裙房、2層地下車庫組成的綜合體?；涌偯娣e約17 080 m2，總平面呈不規(guī)則多邊形，地庫區(qū)域開挖深度9.8 m，局部8.7 m；西塔樓區(qū)域開挖深度11.4 m，最大開挖深度13.5 m；東塔樓區(qū)域開挖深度11.0 m，最大開挖深度11.9 m?；又苓叚h(huán)境多樣，北側(cè)已建辦公樓地庫外墻與基坑最小距離為4.7 m，西南側(cè)已建住宅樓與基坑最小距離為20.4 m，東側(cè)已建市政路人行道與基坑最小距離為1.2 m（圖1）。

基坑北側(cè)、東北側(cè)、西南側(cè)采用土釘墻＋圍護樁＋鋼斜撐的支護方式（圖2）；東側(cè)采用土釘墻＋雙排樁的支護方式（圖3）。

圖1 基坑周邊環(huán)境示意

圖2 基坑北側(cè)、東北側(cè)、西南側(cè)支護形式

圖3 基坑?xùn)|側(cè)支護形式

2 基坑難點分析

2.1 坡頂空間受限

本工程北側(cè)坡頂距離紅線僅0.8 m，東側(cè)坡頂距離紅線0.9～1.5 m，西南側(cè)坡頂距離紅線0.7 m，坡頂處空間狹窄，無法作為施工工作面，甚至無法正常布置臨時水電、排水設(shè)施，使基坑施工工作面受到嚴重影響。

2.2 場地條件復(fù)雜

基坑開挖深度范圍內(nèi)主要土層由上至下分別為雜填土層、淤泥層（局部）、粉質(zhì)黏土、黏土、強風化泥質(zhì)砂巖、微風化砂巖。在場區(qū)表面普遍為雜填土，其厚度達到1.50～13.00 m；基坑北側(cè)、南側(cè)、東側(cè)在絕對高程22.30～15.00 m以下存在堅硬微風化砂巖，巖層埋深自西向東逐漸變淺。

前期用300級旋挖鉆試成孔時遇巖層無法鉆進，地勘報告揭示巖層飽和抗壓強度僅20.8 MPa，而現(xiàn)場見證取樣巖層飽和單軸抗壓強度值高達71.6 MPa，遠超地勘報告提供的強度值，施工難度增加。施工變壓器位于東側(cè)邊坡內(nèi)部，進一步增加施工組織難度。

2.3 土方外運難

2018年11月至2019年1月，合肥市雨雪天多達37 d、禁運天數(shù)多達38 d，土方作業(yè)不連續(xù)且允許外運的天數(shù)少，土方工期壓力大，嚴重阻礙后續(xù)工作開展，且整個合肥市的環(huán)保形勢嚴峻，施工中環(huán)保要求高。

3 關(guān)鍵施工技術(shù)措施

3.1 土方與支護協(xié)調(diào)施工

上層土方外運及支護施工主要集中在2018年11月至2019年1月，為降低交叉作業(yè)影響，結(jié)合場地條件，遵循先撐后挖、先易后難、先西塔樓后東塔樓部署原則。由于變壓器位于東側(cè)邊坡內(nèi)部，支護樁冠梁未施工前開挖容易引發(fā)安全事故，故結(jié)合現(xiàn)場場地條件及工期要求，從空間上將場區(qū)劃分為東西2個相對獨立的施工段，支護施工安排為自西向東施工，四周預(yù)留支護樁施工工作面，中心區(qū)域開挖第1層土方。為緩解場內(nèi)運輸壓力，在西側(cè)增設(shè)臨時出口，方便支護用物資進出。西塔樓支護樁施工完成后，開挖此區(qū)域預(yù)留土方，土釘墻、冠梁施工緊隨其后，同時進行支座樁施工，待冠梁強度達到設(shè)計要求后，分層開挖至坑底并及時進行鋼斜撐施工；同時開展東塔樓區(qū)域支護施工及后續(xù)施工任務(wù)。本部署可以最大限度地降低土方與支護交叉施工影響，方便引入新的施工任務(wù)，為西塔樓主體優(yōu)先施工創(chuàng)造有利條件。

3.2 坡頂排水及防護方案

為充分利用坡頂空間，同時為檢修通道預(yù)留充足空間，坡頂采用鋼管架防護，臨時電纜統(tǒng)一放置在電纜橋架內(nèi)；由于坡頂較窄無法布置排水溝，故采用DN250 mm鋼管＋沉淀池排水系統(tǒng)，場內(nèi)雨水先匯集到坡底排水溝，再通過水泵抽排到排水鋼管內(nèi)，經(jīng)沉淀池沉淀后排往市政管網(wǎng)（圖4）。

3.3 支護樁施工方案

3.3.1 作業(yè)面選擇

由于施工時受雨季及重污染天氣因素影響，2018年11月至2019年1月渣土外運作業(yè)時間極少，上層雜填土外運時間不確定性較大。場地內(nèi)雜填土平均厚度6.3 m，表層土已固結(jié)良好，具有較好的承載力。綜合考慮工期、場內(nèi)交通及渣土外運因素，經(jīng)場地整平后，選擇在現(xiàn)狀標高施工支護樁。

3.3.2 方案優(yōu)化

鑒于巖層實際強度遠超勘察報告強度，原計算模型已與實際不符，委托設(shè)計單位重新計算支護模型。在滿足安全、規(guī)范構(gòu)造要求的前提下，結(jié)合巖層起伏程度，利用瑞典條分法重新分段建立整體穩(wěn)定性計算模型，利用有效應(yīng)力法重新建立工況應(yīng)力狀態(tài)模型[1-2]，經(jīng)計算，支護樁嵌固深度有較大優(yōu)化空間。同時，由于東塔樓區(qū)域巖層埋深較淺，鋼斜撐支座設(shè)計方案變更為刻槽埋于巖層中。支護樁嵌固深度優(yōu)化、鋼斜撐支座優(yōu)化已通過專家論證評審，確保支護結(jié)構(gòu)施工的經(jīng)濟性、安全性。

3.3.3 鉆機及鉆頭選擇

針對本工程而言，如使用沖擊鉆、沖擊反循環(huán)鉆機濕成孔作業(yè)，夜間中斷8 h、中午中斷2 h極易發(fā)生坍塌。此外，濕作業(yè)產(chǎn)生泥漿較多，需及時外運，且穿巖層效率極低，需要連續(xù)鉆進30 h方能成孔。人工挖孔樁施工危險系數(shù)高，工人勞動強度大，安全管理難度大。旋挖鉆機適用黏土層、巖層，移動靈活方便，可干成孔，對環(huán)境污染小，成孔效率高，4～5 h即可成孔。綜合考慮環(huán)保、安全、成本、工期、電力供應(yīng)等因素，選用400級大型旋挖機成孔。

由于土層與巖層性狀、強度差別大，故科學地選擇鉆頭及合理地使用鉆頭，能豐富旋挖鉆機的施工工藝、提高施工效率。本工程采用螺旋鉆頭與取芯鉆頭配合成孔，穿透土層采用螺旋鉆頭，穿透巖層采用取芯鉆頭。

本工程所遇砂巖裂隙發(fā)育較少，最高單軸飽和抗壓強度71.6 MPa，為堅硬巖石。穿透俗稱“磨刀石”的微風化砂巖需要克服多種困難，尤其是鉆齒磨損嚴重、鉆進效率低下等問題。取芯鉆頭鉆進機理主要分為筒體環(huán)切釋放巖石圍壓、截齒階躍破碎兼研磨鉆進。通過截齒作用，使巖石產(chǎn)生裂紋，進而通過裂紋演化貫通。旋挖機鉆頭與巖體相互作用受豎向侵入力和水平面內(nèi)扭矩作用，豎向侵入力使得鉆頭侵入巖石，水平面內(nèi)扭矩使得鉆頭在侵入巖石的同時旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生切割作用。通過轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆頭工作壓力進行組合設(shè)定，直徑90 cm的截齒取芯鉆頭子彈頭數(shù)量為15顆，直徑1 m截齒取芯鉆頭子彈頭數(shù)量為18顆，效率與成本最佳。取芯鉆頭將巖芯整體取出，巖芯最大高度0.9 m，同時鉆進作業(yè)時使用自來水對鉆頭進行降溫，延長子彈頭壽命，亦起到降塵作用。

3.4 冠梁方案

3.4.1 雜填土層冠梁方案

冠梁施工期間正處于雨季，為減少填土邊坡變形及土體暴露時間，同時也為節(jié)省工期，放棄傳統(tǒng)的先挖方后回填的工藝，改為單側(cè)支模工藝，即放坡開挖至冠梁墊層底標高處，與冠梁交界面做噴護處理（工藝同坡面土釘墻），作為冠梁內(nèi)側(cè)模板，外側(cè)冠梁模板加固體系由與支護樁箍筋焊接的對拉螺桿、斜拋撐、木方、木模板組合而成（圖5）。本工藝冠梁直接與土體擠密，以保證坡腳安全穩(wěn)定，施工中對坡底線控制較為嚴格，需要精準控制坡底標高與平面位置。

圖4 坡頂布置

圖5 冠梁支設(shè)示意

3.4.2 變壓器區(qū)域冠梁方案

變壓器位于坡頂線與冠梁之間，且距冠梁外緣僅30 cm，冠梁施工前此處土方無法開挖。經(jīng)設(shè)計同意，將此處冠梁升高至與地面平齊，在滿足底板、外墻施工的前提下，將支護樁樁位內(nèi)移，保證支護樁施工安全，原冠梁標高處增設(shè)腰梁并與變壓器以外區(qū)域冠梁連接。

3.5 鋼斜撐施工

本工程鋼格構(gòu)斜撐寬500 mm，由4根180 mm×18 mm角鋼及綴板焊接而成，采用無預(yù)緊力設(shè)計。傳統(tǒng)鋼斜撐安裝方法為按比設(shè)計間距稍長加工鋼斜撐，現(xiàn)場測量支座、牛腿間距，現(xiàn)場切割鋼格構(gòu)撐，此方法存在端頭部位質(zhì)量不易保證的問題。本工程在斜撐約1/3部位創(chuàng)新應(yīng)用套管式結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場實測尺寸拼接鋼斜撐，無需現(xiàn)場切割，10 cm以內(nèi)的定位誤差均可安裝（圖6）。

圖6 鋼斜撐安裝示意

3.6 爆破方案

東塔樓區(qū)域微風化砂巖埋深5～6 m，且分布范圍較大，故采用爆破開挖。鑒于頂部巖面、底部基礎(chǔ)標高變化較大，基坑開挖深度范圍分2次爆破，每次爆破時嚴格控制底部高程。鋼支撐支座直接爆破成形，避免后期機械破碎，提高施工效率。

3.6.1 布孔設(shè)計

根據(jù)爆破區(qū)域的巖性、地形、工程量、工期要求以及周邊環(huán)境，并結(jié)合以往類似工程施工經(jīng)驗，靠近圍護樁邊緣0.5 m范圍內(nèi)采用光面爆破，并適當縮小孔距，其他區(qū)域采用淺孔、深孔松動爆破方案，多打孔、少裝藥。為保證基坑邊緣巖體的完整性，以及降低爆破振動對周邊建筑物的損害，每層爆破選擇合理單耗、起爆網(wǎng)絡(luò)并采取防飛石措施。

3.6.2 爆破時間選擇

爆破區(qū)域距在施主體結(jié)構(gòu)西塔樓最近僅24 m，為減少爆破時對主體結(jié)構(gòu)的擾動，每次爆破節(jié)點控制在西塔樓混凝土澆筑5 d后進行。爆破作業(yè)后，模架及防護設(shè)施安全檢查合格之后，方可繼續(xù)進行西塔樓主體結(jié)構(gòu)的施工。

4 結(jié)語

合肥市蜀山區(qū)為民服務(wù)中心項目深基坑施工在此施工技術(shù)指導(dǎo)下，順利完成了項目深基坑施工，保證了基坑及主體塔樓施工進度，同時也大大節(jié)約了施工成本，創(chuàng)造了良好的施工效益。通過此深基坑施工，積累了本項目管理人員克服難題及合理組織施工的經(jīng)驗，也為堅硬砂巖地質(zhì)條件下的深基坑施工提供了參考。