高富水不連續(xù)土層深基坑施工與環(huán)境變形控制技術(shù)

孫志國

(中交建筑集團(tuán)有限公司，北京 100022)

1 工程概況

中交集團(tuán)上?？偛炕仨椖拷ㄖ娣e為18.9萬m2，由160，99m高的建筑及5棟商業(yè)樓組成?；颖眰?cè)為楊樹浦路，東北角為2號歷史保護(hù)建筑，坑內(nèi)含1號優(yōu)秀歷史保留建筑，基坑南側(cè)包含既有船塢，侵入本工程基坑紅線約67m(見圖1)。

圖1 基坑平面位置

場地內(nèi)土層為淺層分布厚填土、黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土(江灘土)，基坑開挖面以上有③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④層淤泥質(zhì)黏土，為流塑狀。

地下水埋深為0.50～1.80m，深部為承壓水，主要分布于第⑦，⑨層，承壓水頭埋深3.5m(見圖2)。地基土成因類型與分布狀況如表1所示。

圖2 基坑土體剖面與基坑開挖面的關(guān)系

表1 地基土成因類型與分布狀況

該項目基坑周長671m，面積為2.3萬m2，最大開挖深度為23m。安全等級為一級，采用地下連續(xù)墻+3道內(nèi)支撐的方式進(jìn)行支護(hù)。

2 基坑施工重難點

2.1 大面積深基坑施工風(fēng)險高

該超深基坑施工受土方開挖、大氣降水、地下水、施工動荷載等不確定因素的影響，開挖存在很大風(fēng)險。

2.2 基坑周邊環(huán)境復(fù)雜

基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，北側(cè)路埋設(shè)大量管線，東北角建筑距基坑距離最近為9.5m。南側(cè)船塢侵入基坑，障礙物的基礎(chǔ)形式、埋深及是否有其他地下障礙物未知。

2.3 場地內(nèi)土層條件復(fù)雜

該項目鄰近黃浦江，場內(nèi)①層為江灘土，該層土以粉性土為主，較厚，局部夾較多的淤泥質(zhì)黏土，土質(zhì)不均，局部未完全固結(jié)。開挖面以上的③，④，⑤層均較松散或軟弱，對圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定性影響較大。⑦1層的承壓水對坑底抗突涌及坑底穩(wěn)定性影響較大，若不做好降水工作，存在坑底土體突涌的可能。

3 需要解決的技術(shù)問題及方案設(shè)計

3.1 需解決的問題

根據(jù)工程重難點，需控制基坑變形，以確保施工安全。

3.2 方案設(shè)計

1)設(shè)置扶臂式擋墻，防止基坑變形 該項目船塢底板標(biāo)高為-6.200m，造成南側(cè)基坑大面積缺口，圍護(hù)體無可靠支撐控制穩(wěn)定性，故在圍護(hù)體外側(cè)設(shè)扶壁式擋墻進(jìn)行支撐，扶壁式擋墻由肋墻、擋墻、承臺構(gòu)成。擋墻外側(cè)用土袋回筑確保穩(wěn)定，施工期間監(jiān)測擋墻變形(見圖3)。

圖3 基坑扶壁式擋墻平面布置

2)加固土體，控制基坑變形 在靠近北側(cè)道路及東北角區(qū)域設(shè)置被動土進(jìn)行加固，有利于控制基坑變形、滲漏及坑底回彈，加固標(biāo)高為-21.150～-8.450m。加固深基坑，降低深基坑內(nèi)土體含水率，有利于放坡開挖，降低開挖突涌風(fēng)險，對坑內(nèi)采用φ800@600旋噴樁進(jìn)行加固。

3)采用建筑平移+局部逆作法施工 對1號保護(hù)建筑下部采用局部逆作法施工，先將建筑物平移至空地，再施工永久位置的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。形成逆作區(qū)域頂板及第1道支撐后，將建筑平移至永久位置，土方開挖在頂板下部進(jìn)行，從而避免基坑內(nèi)建筑干擾(見圖4)。

圖4 基坑局部逆作法示意

4)采用錨桿靜壓樁加固，確保既有建筑安全 該項目2號保護(hù)建筑具有百年歷史，基礎(chǔ)條件差，基坑施工前應(yīng)預(yù)加固2號保護(hù)建筑的基礎(chǔ)，采用錨桿靜壓鋼管樁進(jìn)行加固，以確保建筑安全。

5)抽灌一體化施工，預(yù)防基坑突涌風(fēng)險 開挖期間應(yīng)對⑦1層的承壓水進(jìn)行減壓抽排，但由于場地內(nèi)⑦，⑨層承壓水相互聯(lián)通，圍護(hù)體系無法完全隔斷承壓水層，長期抽降承壓水使內(nèi)外水頭差較大，應(yīng)在基坑外布置應(yīng)急回灌井，坑外回灌以減緩沉降變形。

6)清障成樁一體咬合樁圍護(hù)應(yīng)對不利物質(zhì)條件 該既有船塢及舊房基礎(chǔ)障礙物區(qū)域采用咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，咬合樁采用JAR210H全回轉(zhuǎn)CD機清障成孔一體化施工，以解決不利物質(zhì)條件下圍護(hù)施工難題。

7)設(shè)置傳力構(gòu)件控制圍護(hù)體變形 該項目鄰近圍護(hù)結(jié)構(gòu)處為局部深基坑，最大深度為2.8m，直接開挖深基坑易造成圍護(hù)體變形，采用先撐后挖的方式施工，在墊層內(nèi)設(shè)置HW502×465×15×25型鋼支撐傳力帶作為支撐，有效控制開挖變形。

4 技術(shù)要點與實施手段

4.1 地下連續(xù)墻施工技術(shù)

地下連續(xù)墻施工前應(yīng)進(jìn)行試成槽，以確定本地質(zhì)條件下的泥漿參數(shù)，最終循環(huán)泥漿配合比控制在1.15～1.20，黏度控制在38Pa·s內(nèi)。

需合理調(diào)配地下連續(xù)墻成槽時間與鋼筋籠綁扎時間，確保成槽后鋼筋籠已具備吊裝條件，以縮短空槽等待時間，減小基坑安全風(fēng)險。本工程單幅槽段成槽深度為35m、寬6m，成槽時間為7～8h，鋼筋籠綁扎時間為10h，故應(yīng)先綁鋼筋籠再開挖。

該項目土質(zhì)分布不均，江灘土、淤泥質(zhì)土深厚，地下連續(xù)墻兩側(cè)應(yīng)使用水泥土加固，保證基坑安全。

導(dǎo)墻對穩(wěn)定孔口槽壁起重要作用。本工程原設(shè)計導(dǎo)墻高2.45m，因現(xiàn)場土質(zhì)差，地下水豐富，極易坍孔，地下連續(xù)墻導(dǎo)墻普遍區(qū)域高1.7m，且基坑西側(cè)及東北角周邊存在管線和保護(hù)建筑，故將導(dǎo)墻高調(diào)整為2.10m。

本工程存在①3層江灘土，施工時應(yīng)提高泥漿相對密度、黏度等參數(shù)，以確保槽壁穩(wěn)定，也應(yīng)降低成槽速度。

地下連續(xù)墻滲漏主要發(fā)生在2幅槽段施工縫及冠梁與地下連續(xù)墻施工縫處。地下連續(xù)墻2幅接茬采用鎖口管、十字鋼板接頭方式，十字鋼板接頭防滲漏效果更好，施工時應(yīng)處理施工縫，必須采用刷壁器清理干凈，在每幅接縫處使用刷壁器進(jìn)行20次以上的循環(huán)涂刷。冠梁與地下連續(xù)墻頂部除設(shè)置橡膠止水條處理施工縫外，還可埋設(shè)注漿管作為預(yù)防(見圖5)。

圖5 地下連續(xù)墻頂部與冠梁施工縫注漿做法

地下連續(xù)墻堵漏措施如下：若無明水滲漏，應(yīng)先確定滲漏點，并將此部位接縫處開鑿V形槽口，清除松散的混凝土、夾砂、夾泥，清理干凈后插設(shè)導(dǎo)流管，使用早強水泥逐步向下補實。若有明水滲漏，應(yīng)在滲漏部位水平打入1根內(nèi)徑20～30mm的鋼管，穿透墻體進(jìn)入墻背土體內(nèi)，通過鋼管將水引出，當(dāng)修補混凝土或水泥達(dá)到一定強度后，應(yīng)在鋼管內(nèi)注入遇水膨脹聚氨酯材料，封堵出水口。滲水嚴(yán)重時，應(yīng)結(jié)合土質(zhì)情況采取雙液注漿、增補止水樁等方式進(jìn)行綜合處理。

4.2 三軸水泥土攪拌樁施工技術(shù)

用于槽壁加固及被動土加固的三軸水泥土攪拌樁可確保槽壁和土體穩(wěn)定，宜采用搭接施工工藝。用于止水帷幕的三軸水泥土攪拌樁主要作用為止水，應(yīng)采用套接一孔的施工工藝，如圖6所示。

圖6 三軸水泥土攪拌樁施工工藝

止水帷幕樁間的搭接時間宜≤24h，過長將產(chǎn)生冷縫。本工程受臺風(fēng)影響，致使兩幅樁間形成冷縫，故采用補做3根搭接長度為200mm的φ800旋噴樁進(jìn)行封堵。

將三軸攪拌樁下沉注漿攪拌速度0.5m/min提升為1m/min，本工程存在①3層江灘土，當(dāng)施工至該土層區(qū)域時，需將提升速度降低至0.8m/min，以保證成樁質(zhì)量。

4.3 基于時空效應(yīng)理論的土方開挖施工技術(shù)

因基坑開挖時，土體應(yīng)力釋放快，易導(dǎo)致基坑土方隆起，產(chǎn)生時空效應(yīng)，基于時空效應(yīng)理論，采用盆式開挖方式施工，遵循分層、分塊、分段、對稱、限時原則。分層即控制一次開挖深度，要求2.5m分層；分段即控制一次開挖長度，無支撐暴露長度為30m；分塊即控制一次開挖面積，最大分塊面積為900m2；對稱、平衡即多塊開挖時應(yīng)對稱，控制平衡；限時即控制無支撐暴露時間，為48h。

對基坑進(jìn)行挖土分塊時，應(yīng)既考慮分塊面積大小，又考慮單塊區(qū)域支撐形成條件。

本工程基坑開挖分塊如圖7所示，應(yīng)合理部署基坑開挖方案，為盡快形成坑內(nèi)支撐創(chuàng)造條件，實踐證實加速形成對撐對控制基坑變形起重大作用。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，從具備支撐施工面到支撐完成前，墻體深層水平位移最大>2mm/d，支撐形成后，降低到0.5mm/d以下，可見支撐能有效控制基坑墻體位移。

圖7 基坑土方開挖分塊

當(dāng)基坑挖至最深處，基坑圍護(hù)體彎矩達(dá)到最大，開挖風(fēng)險最高，故在最后一步土方開挖前，應(yīng)合理安排各項工作時間，減小基坑變形危害。

長臂挖掘機在狹小空間中挖土施工較困難，可使用長臂挖掘機配合電吊挖掘機取土，提高出土效率。當(dāng)基坑挖至-9.000m標(biāo)高時，采用0.7m3長臂挖掘機，取土效率為1.86m3/min，電吊取土效率為1.62m3/min。當(dāng)基坑挖至-18.000m標(biāo)高時，采用0.5m3長臂挖掘機，取土效率為0.66m3/min，電吊取土效率為1.2m3/min。由此得出，隨著挖土深度加大，受長臂挖掘機斗容量的限制，電吊優(yōu)勢逐漸突顯。另外電吊取土效率和土質(zhì)條件有關(guān)，更適用于軟弱流塑狀土質(zhì)。

開挖施工是內(nèi)支撐的前道工序，應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密的施工部署，以不影響內(nèi)支撐實施，并考慮開挖階段挖掘機站位和運土車輛的行車路線，計算分析各分塊配置的挖掘機數(shù)量及運土車數(shù)量，分析早晚高峰期出土是否滿足需求，研究高峰期留存場外空車數(shù)量及暫時停車點的洗車設(shè)備配置數(shù)量。

4.4 基坑降、排水施工技術(shù)

本工程①3層黏質(zhì)粉土顆粒偏細(xì)，含黏土量多且分布不均，③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及④層淤泥質(zhì)黏土層滲透系數(shù)極低，疏干降水相對困難。上海地區(qū)常采用加真空的深井進(jìn)行疏干降水，通過真空泵抽水、空壓機送氣壓吸復(fù)合抽水系統(tǒng)降低潛水位(見圖8)。采用空壓機送氣配合真空泵抽水能極大提高抽水效率，同時可配合使用地下水監(jiān)測云平臺。

圖8 壓吸復(fù)合抽水系統(tǒng)原理

由于上海承壓水呈年周期變化，結(jié)合工程經(jīng)驗、地質(zhì)勘察報告，賦存于⑦1層中的承壓水存在頂突可能性，故對⑦1層中承壓水采取按需減壓降水措施，以降低水頭。通過計算可得基坑開挖深度與⑦1層坑內(nèi)水位的控制關(guān)系，如圖9所示。

圖9 基坑開挖深度與⑦1層坑內(nèi)水位控制關(guān)系

運用Visual Modflow Flex三維地下水和污染物運移模擬軟件模擬降水后預(yù)測水位的降深等值圖，通過等線路可分析預(yù)判回灌井啟動后，基坑內(nèi)部承壓水抽排后的回灌效果。

進(jìn)行降水施工時不應(yīng)斷電，本工程配備總功率為650kW的發(fā)電機組，備用電源智能切換系統(tǒng)，以確保基坑施工安全。

由于降水運行出水量較大，排水溝尺寸過小影響降水，故應(yīng)計算基坑排水溝尺寸。本工程降水井單井出水量為50m3/h，最大過流量為0.669 6m3/s，應(yīng)設(shè)置排水溝寬度為0.8m、深0.7m。

考慮井點降水方式，應(yīng)采取明排方式治理地表水，上海地區(qū)梅雨季節(jié)跨度長，明排若不及時，將直接影響土方開挖施工?；用魉榕艖?yīng)按最大降雨量進(jìn)行設(shè)計，由于場內(nèi)明水分布不均，可先在施工面挖多個大集水坑，將小坑水流匯集到大坑，以達(dá)到明水高效抽排的效果。

4.5 內(nèi)支撐施工技術(shù)

對支撐及棧橋底模板采用混凝土墊層或直接鋪設(shè)模板、回填碎石+模板等方式，將混凝土墊層作為底模，另外支撐底模與支撐梁間采用油毛氈、彩條布、模板等進(jìn)行隔離。

雨季對內(nèi)支撐施工影響極大，雨水滯留在土體表層，經(jīng)挖掘機擾動后，將形成1～2m厚的淤泥層，影響挖土及內(nèi)支撐實施，應(yīng)采用澆筑加寬加厚墊層的方式，以提供施工作業(yè)面。

若要控制無支撐暴露時間，便要加快內(nèi)支撐施工進(jìn)度，盡量做到24h作業(yè)，既控制基坑變形，又加快工期。

4.6 拆、換撐施工技術(shù)

內(nèi)支撐應(yīng)先拆連系梁后拆支撐梁，主支撐梁采用先拆邊角后拆中間，對稱、均衡拆除的原則，拆除棧橋及第1道支撐時，下部格構(gòu)柱可自上而下進(jìn)行拆除。

采用機械拆除支撐時，應(yīng)使用繩鋸或人工風(fēng)鎬等拆除支撐與圍護(hù)體連接部位，再大面積拆除其余部位，減小振動變形。本工程采用繩鋸切割方式，振動小、切割速度快、不產(chǎn)生建筑垃圾、污染小、綠色環(huán)保，由于繩鋸切割的混凝土塊隨割隨吊出場外，大大提高樓板換撐施工速度，可縮短工期，降低基坑安全風(fēng)險。進(jìn)行繩鋸切割時，支撐梁上部應(yīng)先破除局部小口，繩鋸鏈條從上排鋼筋下部進(jìn)行纏繞，作為繩鋸固定點，采用倒八字方向纏繞繩鋸，并采取下墊馬凳措施預(yù)防支撐塊墜落風(fēng)險。

由于后澆帶、汽車坡道等結(jié)構(gòu)斷開達(dá)不到傳力效果，故采用H400×400×13×21型鋼作為傳力支撐，端部使用12mm厚鋼板進(jìn)行封頭，型鋼支撐穿外墻時，應(yīng)在型鋼上設(shè)置止水片作為防滲漏措施。

5 基坑監(jiān)測結(jié)果

取不利于墻體深層水平位移的變形點QX8進(jìn)行監(jiān)測，墻體累計變形最大為30～35mm，如圖10所示?；邮┕ね瓿珊?，QX8的位移趨勢同設(shè)計位移包絡(luò)圖基本一致。

圖10 QX8點位位移

6 結(jié)語

1)通過研究單項施工技術(shù)，抓住施工控制要點，可有效控制基坑變形，避免由于不合理的施工方法浪費施工成本。在此基礎(chǔ)上總結(jié)基坑變形控制手段與基坑施工控制要點，配以信息化施工中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐。

2)防控高富水基坑施工安全時，應(yīng)高度重視對水的降、排、防設(shè)計與施工工作。

3)應(yīng)加大信息化應(yīng)用推廣力度，尤其是降水施工和基坑監(jiān)測方面，采用由人控轉(zhuǎn)為機控或人+機雙控的措施，規(guī)避完全由人操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)或不及時的風(fēng)險。信息化的應(yīng)用對控制、預(yù)防基坑風(fēng)險起巨大作用。

4)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，基坑向更大、更深方向發(fā)展，環(huán)境更加復(fù)雜，施工難度更大，應(yīng)取其精華、尋求突破，這也是我國基坑工程發(fā)展的重要方向。