復(fù)雜周邊環(huán)境下基坑工程開(kāi)挖與支護(hù)施工技術(shù)研究

范偉亞

（亳州市重點(diǎn)工程建設(shè)管理服務(wù)中心，安徽 亳州 236800）

對(duì)于日益擁擠的城市環(huán)境而言，基坑工程可以有效地利用寶貴的土地資源，高效地提供空間利用率，為城市居民提供了舒適、安全的生活環(huán)境，因此，基坑工程在城市的開(kāi)發(fā)過(guò)程中具有明顯的空間開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)。在人口密集、地表建筑高度開(kāi)發(fā)的城區(qū)建設(shè)地下工程，不僅需要面臨著地表建筑物的障礙，而且受到地下管網(wǎng)以及地下結(jié)構(gòu)物的約束，使得基坑的建設(shè)難度大大增加，甚至造成環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。在巖土工程中，由于涉及到復(fù)雜多變的地質(zhì)條件，城市基坑周邊的建筑物、地下管網(wǎng)等眾多，研究基坑的穩(wěn)定性問(wèn)題和變形問(wèn)題是一個(gè)長(zhǎng)久以來(lái)課題，受到研究學(xué)者們的大量關(guān)注。

1 工程地質(zhì)概況

基坑場(chǎng)區(qū)的原有地貌單元為二級(jí)階地，受到征地拆遷工作以及場(chǎng)地平整工作的影響，基坑開(kāi)挖時(shí)，場(chǎng)區(qū)的地形平整，起伏不大，場(chǎng)地最小高程為23.97m（國(guó)家85 黃海高程），最大高程為29.87m（國(guó)家85 黃海高程），測(cè)量統(tǒng)計(jì)已鉆孔高程中，最大的孔口高程差約為5.8m。根據(jù)實(shí)際地質(zhì)鉆孔揭示表明，場(chǎng)區(qū)的地層主要為5 層，土層的具體工程地質(zhì)性質(zhì)如下：

①素填土：灰黑色，以黏土為主，混雜有少量的砂石，砂石最大直徑為2cm 砂石顆粒占比約為30%～50%，受人類活動(dòng)影響明顯，該層呈松散狀態(tài)，基坑開(kāi)挖后難于自穩(wěn)。

②黏土：黃色，呈可塑狀態(tài)，土質(zhì)均勻，切面光滑，失水干燥后強(qiáng)度大，浸水后軟化，壓縮性為中等。

③粉質(zhì)黏土：黃色，為硬塑狀態(tài)，土質(zhì)較均，切面粗糙，失水干燥后強(qiáng)度一般，壓縮性為低壓縮。

⑤中風(fēng)化含礫砂巖：灰黃色，其中礫石主要以硅質(zhì)巖石為主，受到地質(zhì)作用其礫徑具有一定的擠壓變形，礫直徑范圍在0.5～2.0cm，在取樣試驗(yàn)組份分析中表明，礫石的含量最小為5%，最大為20%，受風(fēng)化作用的影響巖石的破碎，且強(qiáng)度較小，為較軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)評(píng)定為Ⅳ級(jí)。

⑤層中風(fēng)化含礫砂巖：灰黃色，其中礫石主要以硅質(zhì)巖石為主，受到地質(zhì)作用其礫徑具有一定的擠壓變形，礫直徑范圍在0.5～2.0cm，在取樣試驗(yàn)組份分析中表明，礫石的含量最小為5%，最大為20%，受風(fēng)化作用較小，巖體完整，含裂隙較少，強(qiáng)度較高，為硬質(zhì)巖石，巖體基本質(zhì)量等級(jí)評(píng)定為Ⅲ級(jí)。

2 基坑分塊分區(qū)對(duì)稱平衡工序

如圖1 所示，在平面分區(qū)上，基坑分為東去、中區(qū)、西區(qū)三個(gè)大區(qū)。首先完成臨近地下結(jié)構(gòu)物的西區(qū)支護(hù)樁結(jié)構(gòu)，隨后施作中區(qū)和西區(qū)支護(hù)樁結(jié)構(gòu)完成基坑的封閉，土體開(kāi)挖及第一道混凝土支撐、棧橋板施工；其次施工第二道鋼筋混凝土支撐；最后將基坑開(kāi)挖至底并封底施作。

圖1 基坑分塊分區(qū)開(kāi)挖施工

具體的基坑開(kāi)挖順序?yàn)椋菏紫龋趫?chǎng)地平整完成后，施作圍護(hù)結(jié)構(gòu)（排樁）以及中間立柱的樁基礎(chǔ)；其次，在基坑北側(cè)先行開(kāi)挖，開(kāi)挖的深度達(dá)到圈梁底部，施作圈梁混凝土，待其強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后繼續(xù)開(kāi)挖至第一道支撐以下0.5m，對(duì)第一道支撐進(jìn)行模板架設(shè)并混凝澆筑；基坑南側(cè)實(shí)現(xiàn)放坡開(kāi)挖，放坡標(biāo)高為圈梁底部，施作圈梁后再進(jìn)行GFRP 土釘?shù)氖┳?，施作時(shí)注意分層、對(duì)稱打入土釘；再次，為保持對(duì)稱開(kāi)挖，在北側(cè)開(kāi)挖區(qū)域接續(xù)開(kāi)挖土方，開(kāi)挖標(biāo)高控制在第二道混凝土支撐底部以下0.5m，架設(shè)模板并澆筑混凝土；南側(cè)的基坑圈梁養(yǎng)護(hù)滿足不小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的0.8 倍后，將基坑土方開(kāi)挖高程推進(jìn)至支撐底部以下0.5m，同樣地完成模板的架設(shè)和鋼筋混凝土的澆筑工作；最后，基坑南北側(cè)混凝土滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，將基坑開(kāi)挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高，并施作封底混凝土。

所提出的分區(qū)分塊開(kāi)挖減緩了地基土的變形增量，而對(duì)稱開(kāi)挖則降低了地基土的不均勻沉降，有效控制了基坑開(kāi)挖與周邊環(huán)境的相互影響問(wèn)題，在基坑開(kāi)挖的全過(guò)程中，圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)變形（15.00mm）以及地表的變形（22.50mm）均小于規(guī)范要求，處于允許值范圍內(nèi)。

3 基坑施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 硬質(zhì)巖石條件下的圍護(hù)樁施工

如圖2 所示，基坑采用的排樁圍護(hù)和格構(gòu)柱的立柱樁基礎(chǔ)，樁底均應(yīng)該伸入到⑤-2A中風(fēng)化含礫砂巖中。從圖中可以看出，基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)的地層條件復(fù)雜，巖面的起伏變化明顯，不同位置處的基坑排樁、立柱樁的入巖深度大小不一，給施工深度的控制帶來(lái)困難。另外，在實(shí)際的樁成孔中發(fā)現(xiàn)，巖質(zhì)地層的強(qiáng)度與地勘報(bào)告中提供的巖石強(qiáng)度存在明顯的差異，經(jīng)過(guò)對(duì)巖石層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣、室內(nèi)測(cè)試，分別得到⑤-2A層中風(fēng)化含礫砂巖、⑤-2B層中風(fēng)化含礫砂巖的測(cè)試成果，結(jié)果表明：⑤-2A層中風(fēng)化含礫砂巖的飽和單軸抗壓強(qiáng)度差異最大。如表1 所示，地勘報(bào)告該層巖石的平均值為22.67MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為21.85MPa，強(qiáng)度劃分上可歸類為軟巖，但是經(jīng)過(guò)實(shí)際鉆孔取樣中的巖石飽和抗壓強(qiáng)度在不同深度都明顯不同，鉆孔深度18～19m 范圍內(nèi)的巖石，其飽和抗壓強(qiáng)度接近70MPa，為硬質(zhì)巖石，約為地勘報(bào)告數(shù)值的3 倍；而20～21m 范圍內(nèi)的巖石，其飽和抗壓強(qiáng)度約35MPa，為硬質(zhì)巖石，約為地勘報(bào)告數(shù)值的1.5 倍。由于巖層強(qiáng)度的變化，導(dǎo)致樁基成孔效率明顯下降，硬質(zhì)巖層中的鉆進(jìn)速度不超過(guò)1.2m/h，影響著整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工進(jìn)度。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地質(zhì)關(guān)系圖

表1 巖層單軸抗壓強(qiáng)度表

為應(yīng)對(duì)巖層的強(qiáng)度變化，分別采用2 種不同型號(hào)的鉆頭對(duì)巖土層進(jìn)行鉆進(jìn)。在開(kāi)孔階段，巖層的強(qiáng)度校對(duì)，采用適用于巖石飽和抗壓強(qiáng)度小于25Ma 的開(kāi)口鉆；而在硬質(zhì)巖石層鉆進(jìn)階段，則選擇適用于硬質(zhì)巖石的取芯鉆頭，克服巖石的強(qiáng)度可以達(dá)到100MPa。通過(guò)2 種鉆頭的配合使用，有效地提高了巖石層鉆進(jìn)施工速率。

3.2 臨近地下結(jié)構(gòu)物的施工技術(shù)

基坑靠近于在建地下結(jié)構(gòu)物，東側(cè)支護(hù)排樁外邊線距離地下結(jié)構(gòu)物約32m，南側(cè)支護(hù)排樁外邊線距離地下結(jié)構(gòu)物約22.4m。為了保證臨近地下結(jié)構(gòu)物的安全和變形要求，在施作圍護(hù)排樁時(shí)，需要對(duì)成孔的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)孔一般與地下結(jié)構(gòu)物保持保持一定的距離，按照地區(qū)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)施工要求進(jìn)行鉆進(jìn)參數(shù)的確定和調(diào)整。受到夜間停工作業(yè)的影響，不允許樁基設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，為保證樁孔的穩(wěn)定性和成樁的質(zhì)量，在正常作業(yè)結(jié)束時(shí)，需要將孔內(nèi)沉渣清洗干凈，并配置大比重的泥漿，進(jìn)行封孔，于次日再次清洗孔內(nèi)泥漿方可繼續(xù)澆筑混凝土。

為了避免在圍護(hù)樁施工時(shí)，在基坑一側(cè)一次性地施工過(guò)多樁數(shù)，導(dǎo)致樁之間相互擠壓，同時(shí)臨近地下結(jié)構(gòu)帶來(lái)不利變形影響。因此排樁樁按照做1 跳3 的順序施工，即先施工1 →5 →9，再施工2 →6 →10，最后施工3 →7 →11 →4 →8 →12。具體施工順序示意圖如圖3 所示。

圖3 圍護(hù)排樁“跳打”施工順序示意圖

圍護(hù)排樁的施工最不確定性因素就是地層的變化，以及地下結(jié)構(gòu)物具有較為敏感的變形限值。因此，為了避免在地質(zhì)條件差的區(qū)域施工排樁導(dǎo)致的周邊管網(wǎng)或者地下結(jié)構(gòu)物的變形、開(kāi)裂等，可針對(duì)該區(qū)域進(jìn)行預(yù)先高壓旋噴樁加固土體，固結(jié)松散碎屑土層，降低土層含水量。對(duì)于局部地區(qū)存在地層條件差，且厚度不大時(shí)，可采用鋼套筒護(hù)壁或者人工造漿護(hù)壁的方式避免塌孔、縮徑等不利影響。當(dāng)鉆孔中遇到孔內(nèi)塌孔嚴(yán)重時(shí)，需要進(jìn)行孔內(nèi)事故處理方能進(jìn)行下一步工序，若坍塌范圍大，可采取低等級(jí)混凝土孔內(nèi)回填措施，對(duì)孔壁土層進(jìn)行加固，待混凝土固結(jié)后再進(jìn)行鉆孔工作，以免由于孔內(nèi)坍塌嚴(yán)重導(dǎo)致的土層損失，位移向地表和土體周邊傳遞引起位移。

3.3 格構(gòu)柱施工技術(shù)

格構(gòu)柱預(yù)制的基本要求為：鋼材的等級(jí)選用為Q235，焊接采用E50 焊條，所有構(gòu)件的焊接均采用滿焊接，焊接的厚度不少于0.8cm，接頭部分的鋼材等級(jí)應(yīng)一致，并且滿足焊縫高度為0.8cm，焊接接頭應(yīng)相互錯(cuò)開(kāi)，以保證格構(gòu)柱的整體受力剛度。在安裝格構(gòu)柱時(shí)，為保證格構(gòu)柱安裝位置的準(zhǔn)確，需要對(duì)其進(jìn)行編號(hào)，并對(duì)設(shè)計(jì)定的埋置深度位置處做標(biāo)記，以便格構(gòu)柱插入安裝，同時(shí)在垂直安裝精度上，要求其偏差小于L/300（L為格構(gòu)柱高度），中心位置偏差小于5mm。

格構(gòu)柱吊放安裝：根據(jù)本工程鋼立柱的相關(guān)參數(shù)，選用50t 汽車吊。在鋼格構(gòu)柱的頂部和底部以上1/4L（L 為格構(gòu)柱高度）位置處分別設(shè)置有一個(gè)吊耳。起吊時(shí)，汽車吊的主吊鉤與前者相連，輔助吊鉤與后者相連，兩個(gè)吊鉤同步升起，保持起吊的平穩(wěn)。當(dāng)起到高度達(dá)到2m 時(shí)，分別控制主吊鉤和次吊鉤的速度，保證前者為加速升起，而后者則為減速控制，以達(dá)到格構(gòu)柱豎立，格構(gòu)柱底部與地表分離的狀態(tài)。

為保證格構(gòu)柱的安裝精度，施工采用定位架對(duì)中間格構(gòu)柱的垂直度進(jìn)行控制，以克服格構(gòu)柱入土深度大、定位精度高的困難。具體的操作方法為：第一，安裝定位架，在鋼護(hù)筒貫入后，采用測(cè)量設(shè)備對(duì)護(hù)筒的中心點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量放樣，并標(biāo)識(shí)出立柱樁的軸線位置，確定完成后安裝定位架，使定位架的四邊與引測(cè)的軸線點(diǎn)重合。第二，鋼立柱安放前，嚴(yán)格按照排樁和立柱樁的設(shè)計(jì)要求，下放鋼筋籠。第三，鋼立柱起吊點(diǎn)的合理選擇。第四，在格構(gòu)柱插入樁基礎(chǔ)預(yù)定深度后，對(duì)其垂直度偏差進(jìn)行校核，同時(shí)在軸線的水平兩個(gè)方向進(jìn)行復(fù)核其定位精度。第五，鋼立柱標(biāo)高控制，預(yù)先用水準(zhǔn)儀測(cè)定樁孔處校正架頂標(biāo)高，在鋼立柱上用紅油漆標(biāo)出柱頂標(biāo)高位置。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）依據(jù)安徽某地塊基坑工程的施工，所提出的分區(qū)分塊開(kāi)挖減緩了地基土的變形增量，而對(duì)稱開(kāi)挖則降低了地基土的不均勻沉降，有效控制了基坑開(kāi)挖與周邊環(huán)境的相互影響問(wèn)題。

（2）在臨近地下結(jié)構(gòu)物基坑支護(hù)樁施工，按照“做一跳三”的施工順序，可避免一次性在一側(cè)施工過(guò)多排樁，導(dǎo)致土體間應(yīng)力擠壓，對(duì)地下結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生變形影響。

（3）為保證格構(gòu)柱的安裝精度，施工采用定位架對(duì)中間格構(gòu)柱的垂直度進(jìn)行控制，以克服格構(gòu)柱入土深度大、定位精度高的困難。