復雜條件下不對稱深基坑工程施工質量控制研究

游易楚

(福州新榕城市建設發(fā)展有限公司 福建福州 350005)

0 引言

隨著地下空間開發(fā)力度的增大，深基坑支護設計及施工技術水平也在不斷提高。其中，咬合樁作為可兼顧受力和止水雙重作用，得到了越來越廣泛的應用[1-4]。相對于其他豎向圍護結構，咬合樁有其獨特的優(yōu)勢，不僅廣泛適用于各種地質條件，且在特定條件下，具有較好的經濟性。

然而，在上軟下硬濱海淤積場地，除軟土地層、回填土地層外，還存在中細砂含水層，深層存在中風化巖層及孤石。在這種復雜地質條件下，采用傳統(tǒng)咬合樁成樁工藝，往往難以確保工程質量，不僅成樁過程中可能產生塌孔、管涌、流砂、斷樁、開叉、卡鉆等問題[5-6]，甚至不能進行成孔，影響咬合樁的使用，最終影響基坑支護土方開挖及地下結構施工的安全。

為避免上述成樁問題出現(xiàn)，該基坑工程結合場地地質及周邊環(huán)境條件，采取全套管咬合樁作為豎向圍護結構[7]，通過對成樁過程中諸多環(huán)節(jié)的控制，充分發(fā)揮該工藝的優(yōu)勢，有效確保了基坑的順利實施。

1 工程背景

1.1 工程概況

擬建工程位于廈門市，設二層地下室，地下室西側設一層夾層。場地東側、南側及北側均為繁華市政道路(埋設有排污水管網及電力管網)，西側為已建建筑(采用樁基，無地下室)，具體如圖1所示。

圖1 基坑總平面布置圖

該工程±0.00相當于黃海標高3.74 m，現(xiàn)場整平相對標高為0.00 m，地下室底板墊層底相對標高為-7.20 m /-9.20 m，基坑開挖深度7.20 m～9.20 m。

1.2 工程地質及水文地質條件

場地內巖土層構成自上而下見有：

①雜填土：系人工回填土層，回填時間約 15 年以上，基本完成自重固結。主要成分為粉質黏土、殘積砂質黏性土、中粗石英砂顆粒及大量碎磚、碎石等建筑垃圾及少量生活垃圾組成，硬雜質含量約 25%，全場地均有分布。

②淤泥：主要由粘粒及粉粒組成，含少量石英砂，局部夾中細砂質薄層，全場地均有分布，層厚 3.00 m～14.30 m，力學性質較差，具高壓縮性。

③1強風化花崗巖：系中粗?；◢弾r風化形成。巖體已風化解體，呈散體狀結構，修正后標貫擊數(shù) N≥50擊/30 cm。

③2中風化花崗巖：系中粗?；◢弾r風化形成。巖體裂隙發(fā)育，呈碎裂～塊狀結構體，裂隙面多受鐵質浸染。

此外，工程多個鉆孔勘探發(fā)現(xiàn)孤石，揭露厚度為0.30 m～2.60 m 厚的中風化孤石，孤石的遇見率為 33.3%，孤石呈灰黑、花白等顏色，孤石巖質新鮮，一般呈橢球狀。典型地質剖面如圖2所示。

圖2 典型地質剖面

場地地下水類型主要分為孔隙潛水和基巖裂隙承壓水。 孔隙潛水主要賦存于①雜填土層中，基巖裂隙承壓水主要賦存和運移于強風化巖層③1、中風化花崗巖層③2的裂隙中。承壓水位埋深約為5.3 m～6.4 m，承壓水頭高度為1.0 m～1.3 m，具承壓性。

2 基坑支護方案

2.1 基坑工程特點

基坑工程特點如下：

(1)地質條件復雜

場地表層為回填土，含有建筑垃圾、生活垃圾以及填石，對于支護結構的施工工藝有較大的限制。同時，場地存在較為深的淤泥，且含少量石英砂，局部夾中細砂質薄層，對基坑止水也有更高的要求。此外，場地中風化巖層起伏較大，局部中風化巖面高于坑底標高，對圍護結構的施工同樣提出更高的要求。

(2)周邊環(huán)境復雜

場地東側用地紅線為圍墻(距開挖線約 4 m)，圍墻外為兩車道道路(配套有排污水管網)，圍墻外約10 m處均為1～2層建筑物；南側用地紅線為圍墻(距開挖線約 4 m～5 m)，圍墻外為兩車道道路，(配套有排污水管網)，圍墻外約10m處為4～5層住宅樓；西側距離約4.0 m處為6層教學樓(采用樁基礎)。北側用地紅線即為圍墻(距開挖線約 4 m)，圍墻外為雙向6車道道路(配套有排污水管網及電力管網等)。

(3)基坑受力不平衡

場地南側淤泥厚度明顯大于北側，北側中風化基巖的埋深明顯小于南側，這對于支護結構的整體受力和平衡提出了更高的要求。

結合上述特點，該基坑工程的安全等級為一級，重要性系數(shù)取1.1?；诱Ｊ褂闷谙逓?2個月。

2.2 基坑支護方案

綜合場地地質條件、周邊環(huán)境條件等因素，該基坑最終采用咬合砂漿樁+1道鋼筋砼內支撐，樁徑為Ф800灌注樁，圍護樁間采用素砼樁咬合作擋土止水。其中，在北側中風化出露區(qū)域，圍護樁應嵌固進入中風化巖層；在南側淤泥較厚區(qū)域，樁端應確保嵌入強風化巖層一定深度。支撐體系采用對撐、角撐相結合的布置形式，如圖1所示。

此外，考慮南側局部區(qū)域淤泥較厚，為了更好控制圍護結構變形，增設了水泥攪拌樁被動區(qū)坑內加固。典型支護剖面如圖3所示。

(a)北側

(b)南側圖3 典型支護剖面圖

2.3 設計計算分析

根據(jù)理正深基坑計算可知，基坑側壁最大變形均小于30 mm，可滿足基坑及周邊環(huán)境變形控制要求，如圖4所示。

盡管圍護樁的深度可滿足變形及穩(wěn)定控制要求，如何確保施工質量，并保證基坑順利實施，成為工程的重點和難點。

3 咬合樁施工工藝及特點

3.1 施工機具特點

為確保咬合樁的施工質量，工程咬合樁采用全套管成孔工藝。咬合樁應在場地平整后開始施工，在灌注樁成樁時，應設置定位導墻，其樁位允許偏差為30 m，樁垂直度允許偏差為1/300，樁底沉渣厚度≤100 mm。

全套管成孔工藝利用鉆機裝有液壓驅動的抱管、晃管、壓入(或拔出)機械，成孔過程中將套管邊晃邊壓，壓入土中，同時利用重錘式沖抓斗在鋼套管中挖掘取土或砂石，直至鋼套管下沉至設計深度。成孔后在灌注混凝土的同時，逐節(jié)將鋼套管拔出并拆除。

(a)北側

(b)南側圖4 典型剖面圍護墻變形及內力計算結果

套管鉆機設備采用三菱重工的MT-200型套管鉆機，采用全液壓驅動履帶行走，套管鉆機的抓斗為重錘式抓斗。

套管采用雙層結構，第一節(jié)長1.8 m，標準節(jié)2 m、3 m、4 m、6 m等不同長度，施工時結合樁長進行配套使用。套管由上下接頭和雙層卷管焊接而成。在第一節(jié)套管的端部連接一段，帶有刃口的短套管，刃口配備硬質合金組成齒狀端部，短套管的直徑比標準套管大20 mm～40 mm，減小上部標準套管與孔間的摩阻力，可減小套管鉆進難度，提高鉆進效率。

錘式抓斗在初始狀態(tài)時，抓斗片呈打開狀態(tài)；當套管壓入土中，抓斗以自由落體的方式向套管內沖入切土，收縮專用鋼絲繩，提升動滑輪，抓斗片合攏，抓斗提出套管，抓斗松開棄土。

3.2 工藝特點

采用全套管咬合樁，具有如下特點：

(1)施工無噪音、無震動，鉆孔過程中無需使用泥漿護壁，避免了泥漿的加工、儲存、運輸，有利于施工現(xiàn)場文明施工。

(2)鉆孔過程中采用全套管跟進，并利用落錘式沖抓斗挖掘，成樁作業(yè)速度快，孔壁不會坍塌，成孔質量高。

(3)鉆孔不使用泥漿護壁，避免泥漿污染鋼筋和進入混凝土的可能。鋼筋周圍不會附粘一層泥漿，有利于搞高混凝土對鋼筋的握裹力，成樁質量高。

(4)成孔速度快，挖掘深度大，成孔垂直度容易控制，垂直度偏差小，可以控制到3%。

(5)成孔直徑標準，擴孔率小，與其他成孔方法比較，節(jié)約混凝土，清孔徹底，孔底殘渣少，提高了樁的承載力。

(6)套管鉆機為自行式，現(xiàn)場移動方便。

3.3 工藝流程

咬合樁的流程如圖5所示。

圖5 咬合樁施工工藝流程

根據(jù)設計文件，素混凝土樁采用C25水下混凝土，混凝土樁采用C30水下混凝土，在素混凝土樁完全終凝前施工鋼筋混凝土樁咬合。施工順序為：先施工素混凝土樁(A樁)，再施工鋼筋混凝土樁(B樁)。具體流程為：A1-A2-A3-B1-B2-A4-A5-B3 -B4-A6-A7-B5-B6等，依次類推，如圖6所示。

圖6 咬合樁施工順序

4 咬合樁施工質量控制

4.1 導墻質量控制要點

全套管咬合樁的首個關鍵工序，是導墻的施工。導墻起定位、導向及鎖口作用，直接關系到咬合樁的成孔精度和質量。360°全回轉套管機的噸位大，為了確保導墻穩(wěn)固，咬合樁機在就位、移動及鉆孔過程中不發(fā)生變形、損壞現(xiàn)象，需重點控制：

(1)導墻孔口定位應準確，定位偏差控制在10 mm之內，需進行二次平面定位校核。

(2)為確保后續(xù)鉆進精度及垂直度，導墻墻面的垂直度應不大于3‰，內墻面平整度不大于3 mm，導墻頂面平整度不大于5 mm。

(3)導墻模板內側應采用木枋頂緊，確保混凝土澆筑過程的穩(wěn)定性，不發(fā)生施工引起的偏位，如圖7所示。

圖7 導墻圖片

4.2 套管安裝要點

(1)正式施工前，應先檢查和校正單節(jié)套管的順直度，并檢查按樁長配置完成后套管的順直度，套管順直度允許偏差為1‰～2‰。校準后，對各節(jié)套管編號、標記，便于后續(xù)按編號下套管。

(2)樁機就位后，按標記順序安裝鋼套管。安裝完成后，進行垂直度雙向復測，滿足要求后方可鉆孔。

4.3 取土技術要點

(1)對于①雜填土、②淤泥層，應使套管先于開挖面超前下沉，可超出孔內開挖面1.0 m～1.5 m，使落錘抓斗僅在套管內取土挖掘，有效控制孔壁質量及開挖方向。

(2)對于③1強風化巖層，套管下沉相對困難。應使用落錘抓斗超前下挖0.2 m～0.3 m，但超前挖掘量應控制在最小量，否則套管下壓過程中可能出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象，若傾斜較多，則很難控制套管的垂直度。

(3)對于③2中風化花崗巖層，采用重錘式沖抓斗難以取土有效取土，故應改用旋挖機進行鉆進施工，并成孔至設計深度。

4.4 承壓水管涌處理

場地淤泥層中存在中細砂質薄層，在全套管鉆機成孔過程中，中細砂存在的承壓含水層，可能導致砂土從套管中涌起，引發(fā)承壓水發(fā)生管涌。若出現(xiàn)明顯管涌，易導致周邊環(huán)境發(fā)生沉降等不利情況[7]。

為了避免管涌的出現(xiàn)，該工程采取如下措施：

(1)開挖面出現(xiàn)管涌時，加大套管的下壓力度，使導管始終超前于開挖面，隨挖隨壓，始終確保套管底與開挖面保持1 m以上。通過預留一定的反壓土，避免發(fā)生管涌。

(2)套管穿透承壓含水層后，應隨時觀測孔內開挖面的穩(wěn)定狀態(tài)，避免地下水從側壁滲入產生管涌。

(3)成孔完成后，應合理配制第一序混凝土，盡可能減小混凝土坍落度，降低其流動性。若拔管過程發(fā)生管涌，應即刻向孔內注水，確保水位平衡。若承壓水頭較高仍無法有效控制，可通過加地高地面上的套管高度，注水提高套管內水壓，以抑制管涌出現(xiàn)。

4.5 鋼筋籠吊裝要點

為防止鋼筋籠起吊變形，鋼筋籠應分節(jié)制作，每兩節(jié)鋼筋籠應在現(xiàn)場進行搭接，搭接時間限制在1h內，當鋼筋直徑≥22 mm時，宜選用套筒連接，<22 mm時進行焊接連接。吊放鋼筋籠入孔時，應對準孔位輕放，不得左右旋轉。若遇阻時，嚴禁高起猛落強行下放。

鋼筋籠對接完成全部入孔后，應按設計要求檢查停放位置。為防止?jié)补嗷炷習r，鋼筋籠竄動造成錯位，應按實際標高計算吊筋長度，吊筋伸至自然地面。

4.6 水下砼灌注

第一斗混凝土必須滿斗后方可提拉料斗塞，導管首次埋置深度應不小于1 m，在灌注過程中。導管的埋置深度宜控制在2 m～6 m。首批混凝土拌和物下落后，混凝土應連續(xù)灌注。在灌注混凝土過程中，應經常量測孔內混凝土面的高程，及時調整導管埋深。

嚴格控制孔內混凝土進入鋼筋籠時的灌注速度，避免鋼筋籠上浮的隱患。當混凝土上升到鋼筋骨架底口4 m以上時，提升導管；當?shù)卓诟哂阡摻罟羌艿撞? m以上時，可以適當加快灌注速度。拔導管要結合砼的澆筑時間，不得超過混凝土的初凝時間。

灌注的樁頂標高應比設計高出一定高度。超灌高度宜為樁徑的1倍，除泛漿高度后，必須保證暴露的樁頂混凝土強度達到設計等級。

5 咬合樁垂直度控制要求

為了確保咬合樁的止水效果，垂直度是控制咬合樁施工質量重要技術環(huán)節(jié)，故在施工過程中，采取如下措施，確保咬合樁的垂直度。

5.1 套管垂直度監(jiān)測要點

套管的垂直度直接關系到咬合樁的施工質量，具體監(jiān)測要求如下：

(1)在圍護樁成孔施工的全過程，均應進行套管垂直度監(jiān)測。

(2)在吊裝完第一節(jié)套管后，在垂直于支護樁軸線和平行于軸線的兩個方向，采用經緯儀監(jiān)測套管的垂直度，若發(fā)現(xiàn)偏差應隨時糾正。

(3)在每節(jié)套管壓完后，安裝下一節(jié)套管前，都要通過測斜儀檢查孔底的垂直度。

5.2 套管垂直度糾偏要求

若發(fā)生套管垂直度偏大的情況，垂直度糾偏利用鉆機基腳進行糾偏，具體糾偏措施如下：

(1)若偏差不大或套管入土不深(深度在5 m以內)，可通過鉆機基腳調整垂直度。

(2)若套管鉆入達到一定深度后，套管周圍土體約束力增大，若強行采用機架進行垂直度糾偏，會使兩套管連接部位發(fā)生扭曲，增加套管接頭螺絲拆除的難度。故糾偏時，可向套管內填入砂土或黏土，邊填土邊拔套管，直至套管頂升合格的標高，調直套管，檢查其垂直度合格后再重新下壓套管。

(3)若是鋼筋混凝土(B樁)與素混凝土樁(A樁)進行咬合，應填入與A樁相同的混凝土進行糾偏，防止糾偏造成樁間土夾層，影響圍護結構的止水效果。

6 非對稱土方開挖要點

土方開挖是基坑工程施工中控制的關鍵。土方開挖的合理性和支撐施工的速度，直接影響圍護變形和基坑安全，也會對基坑周邊環(huán)境產生不利影響。

6.1 土方開挖原則

土方開挖基本原則：在圍護樁、被動區(qū)攪拌樁加固、支撐體系達到設計強度后方可進行?；娱_挖遵循“先撐后挖”的基本原則，按照分段、分層、留土護壁的方式進行基坑開挖。

6.2 非對稱土方開挖

嚴格來講，基坑土方應盡可能實現(xiàn)對稱、平衡開挖。但考慮該基坑東、西側和南、北側地質條件不對稱，且東、西側周邊環(huán)境保護要求存在差異，故結合實際情況，土方開挖工序進行相應調整，具體如下：

(1)非對稱開挖順序：先開挖東側土方開挖，后開挖西側土方，使東側土壓力可以提前頂至西側支護樁，減小西側支護結構變形，有效保護西側周邊環(huán)境。

(2)分段分層開挖：針對東側和西側土方，在支撐施工完成后，先分層開挖支護結構的周邊土石方，嚴格遵循分層分段開挖原則，每層厚度不得超過2 m，淤泥不超過1 m，嚴禁局部超挖，以免淤泥層流動，造成支護樁傾斜及損壞。

7 基坑支護實施效果

工程共施工素混凝土293根，其中素樁(即A樁)共123根，鋼筋混凝土圍護樁(即B樁)122根。在定位措施、垂直度控制、取土控制等工序的有序安排和保障下，全套管咬合樁外觀質量良好，樁間咬合無滲水問題出現(xiàn)，基坑支護的變形及周邊環(huán)境均得到有效保護，現(xiàn)場施工完成后的照片如圖8所示。

圖8 咬合樁圖片

(a)西側 (b)東側圖9 圍護結構深層水平位移變化曲線

其中，西側和東側深層水平位移如圖9所示。在土方開挖順序的控制下，盡管東側圍護樁略大于計算值(除土方開挖順序影響外，受施工機械設備及土方車施工荷載影響)，但西側圍護樁明顯小于計算值，有效地保護了西側的建筑物安全。

8 結語

本文以廈門市某復雜環(huán)境下深基坑工程為例,該基坑開挖深度較大。在結合分析地質條件特殊性、周邊環(huán)境復雜性及理論分析模擬的基礎上，采用全套管咬合灌注樁+1道鋼筋砼內支撐的支護方案，并在咬合樁成樁過程中，采取全套管咬合工藝，在土方開挖過程中采取非對稱開挖工序，經監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證，可得出以下結論：

(1)采用全套管咬合樁可有效地嵌固進入中風化巖層，確保圍護結構的穩(wěn)定性，且咬合樁垂直度施工精度高，穿透能力強，能有效確保了咬合樁的止水效果。

(2)硬切割咬合鉆進速度宜控制在0.9 m/h～1.0 m/h、鋼套管轉速宜控制在1.2r/min ～1.5r/min左右；當切割鋼筋混凝土結構或遇到強度較高塊石、孤石等障礙物時，鉆進速度宜適當減小，避免發(fā)生偏位或傾斜。

(3)對于非對稱基坑工程，先行開挖變形控制，要求較低一側土方，后開挖變形控制要求高的一側土方，可有效減小受保護一側的圍護結構變形，利用土方開挖工序的合理優(yōu)化，充分有效地確保周邊環(huán)境的安全。