巖溶區(qū)復(fù)合地層條件下超深超寬基坑施工關(guān)鍵技術(shù)

王明峰

0 引言

隨著城市地下空間的不斷開(kāi)發(fā)，深基坑工程越來(lái)越多。南京和燕路過(guò)江通道工程江南工作井及明挖段位于棲霞區(qū)和燕路，所在地層上軟下硬，巖土分界線高，巖層強(qiáng)度大，部分地段有溶洞發(fā)育，道路兩側(cè)多為居民區(qū)、學(xué)校、商鋪等建筑物，緊鄰地鐵線、景區(qū)、長(zhǎng)江邊，施工難度大、工期緊迫。本文結(jié)合南京和燕路過(guò)江通道江南工作井及明挖段基坑工程，對(duì)基坑施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 工程概況

江南工作井及明挖段全長(zhǎng)808.8m，主要采用明挖順做法施工，局部采用蓋挖順做法施工，明挖規(guī)模大，基坑超深超寬，明挖暗埋段基坑寬度為28.2～40.6m，基坑深度為1.5～36.8m，江南工作井長(zhǎng)度為24m，寬度為50m，深度為45.4m。本工程地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工范圍廣、數(shù)量大，大部分地下連續(xù)墻底部在巖層中，特別是江南工作井段地下連續(xù)墻厚度為1 500mm，深度為51m，入巖深度最深達(dá)41m，巖石最大強(qiáng)度達(dá)54Mpa，如圖1 和表1 所示。

圖1 地下連續(xù)墻位置示意圖

表1 地下連續(xù)墻施工工程量表

1.1 地質(zhì)情況

主要地層包括（3）-2 粉質(zhì)黏土、（3）-3 粉質(zhì)黏土、（6）3ns 泥質(zhì)砂巖、（7）3s1-1 含礫砂巖、（7）3s 中風(fēng)化石英砂巖、（9）3 中風(fēng)化灰?guī)r，江南工作井基底位于（7）1sl全風(fēng)化含礫砂巖、（7）2sl 強(qiáng)風(fēng)化含礫砂巖中。

1.2 水文情況

施工范圍內(nèi)地下水分為松散巖類孔隙潛水、基巖裂隙水和巖溶水。松散巖類孔隙潛水主要分布淺部填土層（1）層、（2）1 層黏性土，厚度為5～20m 不等，呈弱-微透水性。基巖裂隙水主要賦存于含礫砂巖、泥質(zhì)砂巖中，呈弱透水性。巖溶水分布于左線ZK1+570～ZK1+640 及右線YK1+595～YK1+665 石炭系灰?guī)r中，巖溶水水位埋深為3.7～4.5m，水位標(biāo)高為11.01～13.21m，水量受溶洞發(fā)育程度和連通性控制，不同位置處水量差異大，該含水層呈微承壓性。

1.3 周邊環(huán)境

周邊敏感建筑包括學(xué)校、居民棚戶區(qū)和長(zhǎng)江水源保護(hù)區(qū)。施工中所面臨的揚(yáng)塵、噪聲、水污染控制等環(huán)保任務(wù)十分艱巨。

2 工程特點(diǎn)

（1）地層上軟下硬，巖土分界線高，巖層強(qiáng)度大。地層主要包括雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化含礫砂巖、中風(fēng)化石英砂巖和中風(fēng)化灰?guī)r。巖土分界線呈45°角分布，其中江南工作井地面以下10m 為巖層，地下連續(xù)墻入巖最大深度為41m，巖層最大強(qiáng)度為54MPa。

（2）部分地段有溶洞發(fā)育。江南明挖暗埋段灰?guī)r地層約70m 范圍內(nèi)揭露石巖系灰?guī)r有溶洞發(fā)育，見(jiàn)洞率為50%。溶洞高為0.4～3.3m 不等，一般為粉質(zhì)黏土充填，含風(fēng)化巖塊，部分為空洞。

（3）周邊環(huán)境敏感，環(huán)境保護(hù)要求高。江南工作井距學(xué)校37m，距西側(cè)高邊坡上棚戶區(qū)15m；與地鐵1 號(hào)線北延線吉燕區(qū)間、燕子磯車站和燕笆區(qū)間平行設(shè)置，與車站最近距離為11m，與區(qū)間最近距離為7.3m；靠近幕燕景區(qū)，緊鄰長(zhǎng)江邊，屬于二級(jí)水源保護(hù)區(qū)，是南京市飲用水取水點(diǎn)，距長(zhǎng)江水源保護(hù)區(qū)為880m，環(huán)保要求高。

3 重難點(diǎn)及對(duì)策

3.1 巖溶探測(cè)與處理

（1）巖溶基本情況。工程左線ZK1+570～ZK1+640 及右線YK1+595～YK1+665段分布揭露溶洞，溶洞高度為0.4～3.3m不等，為可塑～硬塑狀粉質(zhì)黏土充填，含風(fēng)化巖塊，部分為空洞，見(jiàn)洞率為50%，單孔線巖溶率為13.1～26.6%，總線巖溶率為9.9%。在地下連續(xù)墻施工過(guò)程中，遇到溶洞易發(fā)生跑漿和槽孔坍塌，造成周邊道路、建筑物和管線破壞。結(jié)構(gòu)下方溶洞覆土或巖層如不能支撐上部結(jié)構(gòu)荷載，易造成隧道結(jié)構(gòu)沉降、開(kāi)裂及塌陷。因此，在施工前需要探明溶洞深度、大小和詳細(xì)位置。

（2）巖溶探測(cè)方案。為查明施工范圍內(nèi)各種巖溶洞穴位置，將巖溶對(duì)施工階段和后期結(jié)構(gòu)影響降到最低，需要對(duì)項(xiàng)目結(jié)構(gòu)影響范圍內(nèi)巖溶發(fā)育區(qū)內(nèi)可能出現(xiàn)溶洞的位置進(jìn)行溶洞探測(cè)和處理。項(xiàng)目采用了跨孔電阻率CT 和鉆探專項(xiàng)勘察施工工藝。巖溶專項(xiàng)勘察主要通過(guò)專勘孔進(jìn)行巖溶勘探，?？笨资┕ぶ攸c(diǎn)為：一是查明巖溶與非可溶巖接觸界線、巖溶邊界；二是查明巖溶大小、位置、埋深等發(fā)育情況以及巖溶發(fā)育規(guī)律；三是查明巖溶段巖溶水情況?？缈纂娮杪蔆T 專項(xiàng)勘察以介質(zhì)電性差異為基礎(chǔ)，研究與電性有關(guān)的人工直流電場(chǎng)分布規(guī)律，通過(guò)反演獲得兩孔之間電阻率分布斷面圖，達(dá)到探測(cè)地質(zhì)構(gòu)造和尋找異常體的目的，可查明較大規(guī)模巖溶、破碎區(qū)。

（3）巖溶處理目的。由于溶隙和溶洞填充物性質(zhì)軟弱，隨著時(shí)間推移，受周邊環(huán)境變化以及地下水活動(dòng)影響，同時(shí)在施工過(guò)程中受荷載作用，很可能會(huì)出現(xiàn)洞體坍塌現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)洞體充填物加固處理，提高其自身強(qiáng)度，從而提高洞體穩(wěn)定性，降低洞體坍塌引起的地層塌陷，減小變形縫處差異沉降。由于溶洞填充物和砂巖地層承載力存在很大差別，通過(guò)對(duì)地層進(jìn)行處理，可以提高該處地層承載力，減小不同地層之間差異沉降，從而減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏，以滿足基坑正常開(kāi)挖。

（4）巖溶對(duì)地下連續(xù)墻施工影響及處理。地下連續(xù)墻在施工過(guò)程中易卡鉆，產(chǎn)生漏漿、塌孔，因巖溶水易產(chǎn)生滲漏。溶（土）洞處理方法遵循“探、處、檢”原則，補(bǔ)充勘察及探摸邊界，對(duì)發(fā)現(xiàn)溶洞作注漿充填，注漿效果檢測(cè)合格后方可施工地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻巖溶專項(xiàng)勘察孔采取一槽兩鉆進(jìn)行布置，間距為3m，探邊孔按照2m 間距向外擴(kuò)展，基坑外至地下連續(xù)墻外側(cè)3m，內(nèi)至溶洞和土洞邊，如圖2 所示。采用鋼花管注水泥漿，注漿完成后，再進(jìn)行鉆孔取芯，驗(yàn)證注漿效果，如注漿不到位、不密實(shí)，則重新鉆孔注漿。

圖2 地下連續(xù)墻處巖溶探測(cè)布孔圖

（5）巖溶對(duì)基坑施工影響及處理。巖溶水具有承壓性，基坑結(jié)構(gòu)下方溶洞覆土或巖層如不能支撐上部結(jié)構(gòu)荷載，易造成基坑突泥涌水、破壞支撐體系、管線破壞、建筑物開(kāi)裂沉降等后果，影響基坑穩(wěn)定性。在基坑內(nèi)留白區(qū)域，標(biāo)準(zhǔn)段先導(dǎo)孔按6m 距離滿堂布設(shè)。布孔時(shí)，結(jié)合臨時(shí)鋼立柱或抗拔樁位置，探邊孔按照2m 間距向外擴(kuò)展。加寬段先導(dǎo)孔按一排或兩排布置，間距為6m，探邊孔按照2m 間距向外擴(kuò)展。當(dāng)縱向邊界處探邊孔探測(cè)出溶洞，則加長(zhǎng)探測(cè)范圍，直至探至溶洞外。用鋼花管注水泥漿，待注漿完成后，進(jìn)行鉆孔取芯，驗(yàn)證注漿效果，如注漿不到位、不密實(shí)，則重新鉆孔注漿。

3.2 巖溶區(qū)超深超寬高入巖地下連續(xù)墻施工

（1）地下連續(xù)墻施工特點(diǎn)。地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于深基坑的防水、防滲、做好基面處理、提高支護(hù)剛度具有很好的作用，廣泛應(yīng)用于軟臥地層深基坑工程。地下連續(xù)墻成槽時(shí)間長(zhǎng)、上部軟土極易發(fā)生縮槽及塌孔。由于地下連續(xù)墻成槽深度深，鋼筋籠下放時(shí)易出現(xiàn)偏差。地下連續(xù)墻接縫處容易產(chǎn)生混凝土繞流，導(dǎo)致接縫處出現(xiàn)滲漏水等質(zhì)量缺陷，影響基坑土方開(kāi)挖、支撐及主體結(jié)構(gòu)施工安全和質(zhì)量。

（2）垂直度及接頭質(zhì)量控制?？紤]到超寬超深地下連續(xù)墻垂直度難以控制，接縫質(zhì)量效果較差。施工中，選用了垂直度控制較好的設(shè)備，地下連續(xù)墻每成槽10m，均通過(guò)超聲波檢測(cè)槽段垂直度，采用泡沫板填充翼板內(nèi)側(cè)，防止混凝土繞流。

（3）復(fù)合地層高巖面高強(qiáng)度質(zhì)量控制。復(fù)合地層地下連續(xù)墻成槽時(shí)間長(zhǎng)，上部軟土易塌孔。巖面高、強(qiáng)度大，單一采用雙輪銑，施工效率較低（0.3～0.4m/h）。為確保地下連續(xù)墻成槽質(zhì)量，地下連續(xù)墻施工采用“抓、旋、沖、銑”結(jié)合工藝，上部軟土采用成槽機(jī)成槽，埋深40m 以內(nèi)巖石采用旋挖鉆引孔和沖擊鉆引孔配合成槽，埋深40m 以下部分巖石采用雙輪銑施工。采用沖擊鉆引孔+銑槽施工效率為0.8～0.9 m/h，采用旋挖鉆引孔+銑槽施工效率為0.95～1.05m/h，較單一采用雙輪銑施工效率有較大提升。

3.3 巖溶區(qū)石方深基坑施工

（1）施工特點(diǎn)分析。江南工作井基坑寬度最大為50m，深度為45.4m，巖層強(qiáng)度高達(dá)54MPa，巖層開(kāi)挖方量為7.9 萬(wàn)m，存在強(qiáng)發(fā)育巖溶區(qū)；基坑周邊施工管線多，涉及電力、雨水、污水、自來(lái)水、通信和燃?xì)? 種管線；江南工作井西側(cè)存在軟土高邊坡、低矮棚戶區(qū)、學(xué)校等敏感建筑物，如圖3 所示。

圖3 基坑周邊建筑物示意圖

（2）施工方案比選?？紤]到工程位于市區(qū)主干道，基坑開(kāi)挖方式受限，通常采用爆破和機(jī)械開(kāi)挖方式，經(jīng)綜合分析對(duì)比，本工程采用機(jī)械開(kāi)挖方式，具有振動(dòng)小、設(shè)備噪聲低、對(duì)環(huán)境影響小等特點(diǎn)，如表2 所示。

表2 開(kāi)挖方案比選表

（3）環(huán)境敏感區(qū)石方深基坑施工。由于本工程位于環(huán)境敏感區(qū)，在石方開(kāi)挖階段，針對(duì)不同強(qiáng)度巖層，采用不同機(jī)械設(shè)備，以滿足施工生產(chǎn)需求和噪聲控制要求。當(dāng)巖石強(qiáng)度小于20Mpa時(shí)，采用高頻液壓破碎錘施工，施工噪聲為30～50dB；當(dāng)巖石強(qiáng)度為20～50MPa時(shí)，采用鉆劈裂一體機(jī)和液壓預(yù)裂法施工，施工噪聲為0～20dB；當(dāng)巖石強(qiáng)度大于50MPa 時(shí)，采用圓盤(pán)鋸開(kāi)槽施工，施工噪聲為50～70dB。

3.4 與地鐵線平行施工

本工程與地鐵一號(hào)線北延線吉燕區(qū)間、燕子磯站及燕笆區(qū)間平行設(shè)置，水平距離僅為7.3～16m，地鐵區(qū)間埋深為10.5～16m，易受本項(xiàng)目施工影響，針對(duì)此處施工，采取專項(xiàng)措施，減小相互之間干擾和影響。

（1）利用Midas 等計(jì)算軟件，創(chuàng)建三維模型，對(duì)基坑開(kāi)挖的各種工況模擬計(jì)算；利用BIM 技術(shù)對(duì)工程進(jìn)行預(yù)建造、便于可視化技術(shù)交底指導(dǎo)施工，如圖4 所示。

圖4 平行設(shè)置建模

（2）兩基坑平行段長(zhǎng)約240m，坑內(nèi)增加了中隔墻，將大基坑變成小基坑，減小了基坑施工風(fēng)險(xiǎn)，如圖5 所示。通過(guò)調(diào)整開(kāi)挖順序，將兩個(gè)基坑對(duì)向開(kāi)挖，減少了基坑之間的相互干擾。

圖5 隔斷墻位置示意圖

4 效益分析

通過(guò)采用“抓、旋、沖、銑”結(jié)合成槽施工工藝，大大縮減了地下連續(xù)墻成槽施工時(shí)間，有效提高了施工效率，確保了地下連續(xù)墻成槽穩(wěn)定性，降低了施工經(jīng)濟(jì)損失。在江南明挖暗埋隧道基坑施工過(guò)程中，保證了基坑周邊建筑物的安全，特別是在建地鐵1 號(hào)線北延線2 個(gè)區(qū)間和1 個(gè)車站的施工安全。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)地下連續(xù)墻施工進(jìn)行巖溶專項(xiàng)勘察，采用鋼花管注漿施工工藝，有效防止地下連續(xù)墻施工過(guò)程中遇到溶洞發(fā)生跑漿、槽孔坍塌的情況，避免造成周邊道路、建筑物和管線的破壞。

（2）考慮到本工程位于環(huán)境敏感區(qū)，針對(duì)深基坑不同強(qiáng)度巖層，采用不同機(jī)械設(shè)備進(jìn)行石方開(kāi)挖，有效滿足施工生產(chǎn)需求和噪聲控制要求。

（3）將大基坑變?yōu)樾』?，減少了對(duì)臨近地鐵施工影響，加快了工程關(guān)鍵線路施工進(jìn)度，縮短了施工工期。