深厚砂層中深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及止水措施

趙志孟，王建強(qiáng)，劉慧芬

（1.深圳市勘察研究院有限公司，廣東 廣州 518026；2.廣東智云工程科技有限公司，廣東 佛山 528000；3. 佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院交通與土木建筑學(xué)院，廣東 佛山 528000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)基坑工程的數(shù)量也隨之增多，基坑逐漸向著大深度、大面積方向發(fā)展，由于地下土體性質(zhì)、周邊環(huán)境的復(fù)雜性等，基坑開挖與支護(hù)的難度越來(lái)越大?；娱_挖過(guò)程中，常遇到基坑壁過(guò)量位移或滑移倒塌、坑底卸荷回彈（或隆起）、坑底滲流（或突涌）、基坑流砂等基坑穩(wěn)定性問(wèn)題，特別是在近水砂層的地質(zhì)條件下，進(jìn)行基礎(chǔ)開挖時(shí)，當(dāng)基坑開挖至地下水位線以下時(shí)，從基坑中抽排水，由于滲流會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，出現(xiàn)流砂現(xiàn)象［1］；對(duì)于坑底以下存在承壓水的深基坑工程，當(dāng)基坑開挖導(dǎo)致上覆不透水層過(guò)薄，承壓水將頂裂或沖破基坑底部，引發(fā)突涌事故［2］，而且基坑突涌是一種非常有害的地質(zhì)作用，其發(fā)生時(shí)坑底發(fā)生流砂、噴水、冒砂等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)將會(huì)導(dǎo)致基坑失穩(wěn)［3］。所以，止水問(wèn)題在超深砂層下開挖基坑中是非常重要的。本文將通過(guò)一個(gè)具體深基坑支護(hù)工程的案例，來(lái)闡述深厚砂層地質(zhì)條件下基坑支護(hù)設(shè)計(jì)［4］以及止水措施。

1 工程概況

1.1 基坑位置及技術(shù)特征

項(xiàng)目擬建場(chǎng)地位于北海市銀海區(qū)境內(nèi)，基坑?xùn)|北側(cè)和西北側(cè)均鄰近道路，西南面鄰近某住宅小區(qū)。本基坑開挖深度 4.4～12 m，存在坑中坑，基坑支護(hù)長(zhǎng)度 626 m（長(zhǎng)度為基坑頂邊線長(zhǎng)度），主要支護(hù)方案為支護(hù)樁+攪拌樁+錨索，部分剖面輔以放坡的形式。支護(hù)樁長(zhǎng) 10.5～20.5 m，止水樁長(zhǎng) 13～21 m。

1.2 工程地質(zhì)情況

根據(jù)野外鉆探揭露，擬建場(chǎng)地分布的地層有人工填土、第四系中更新統(tǒng)北海組沖洪積層和第四系下更新統(tǒng)湛江組沖洪積層。各地層野外特征自上而下分層如下：人工填土（Qml）①，褐灰色，新近堆填，結(jié)構(gòu)松散；第四系中更新統(tǒng)北海組沖洪積層（Q2bal+pl）：含黏性土中砂②灰黃色，干硬濕軟，松散狀態(tài)，含黏性土礫砂③，褐黃雜褐紅，稍密狀態(tài)，粗礫砂④多色，級(jí)配較好，稍密狀態(tài)，黏土④1淺灰，可塑狀態(tài)；第四系下更新統(tǒng)湛江組沖洪積層（Q1zal+pl）：黏土⑤淺灰，硬塑態(tài)，粗礫砂⑥淺灰，飽和，中密狀，黏土⑥1淺灰夾淡紅色，可塑狀態(tài)，黏土⑦淺灰、淡紅色，硬塑態(tài)。其典型地質(zhì)剖面圖如圖 1 所示。

本次研究為基坑北側(cè)的部位，即剖面 L-M 段、M-N 段、N-C 段、C-D 段、D-E 段，該部分剖面段基坑開挖深度為 9.7～12 m，基坑平面布置如圖 2 所示?；痈魍翆踊又ёo(hù)設(shè)計(jì)主要物理力學(xué)指標(biāo)值如表 1 所示。

1.3 基坑場(chǎng)地水文特征

場(chǎng)地內(nèi)未見地表水系。地下水主要分為二種類型：一類為孔隙潛水，另一類為孔隙承壓水。孔隙潛水主要賦存于場(chǎng)地的粗礫砂④中，場(chǎng)地黏土⑤和⑦層屬相對(duì)隔水層，受其影響，賦存于粗礫砂⑥層中的地下水應(yīng)為孔隙承壓水。場(chǎng)地內(nèi)的孔隙潛水穩(wěn)定水位埋深為1.80～6.45 m，水位標(biāo)高為 5.82～6.87 m；場(chǎng)地內(nèi)的孔隙承壓水穩(wěn)定水位埋深及其水位標(biāo)高與孔隙潛水穩(wěn)定水位大體相當(dāng)，該孔隙承壓水局部具有一定的壓力水頭，水位高出粗礫砂⑥層頂部一般約為 5～10 m 不等。場(chǎng)地地下水位變化幅度為 1.0～3.0 m。

表1 各土層基坑支護(hù)設(shè)計(jì)主要物理力學(xué)指標(biāo)值

1.4 基坑監(jiān)測(cè)方案

本工程監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括坑頂水平及沉降位移監(jiān)測(cè)、基坑水位觀測(cè)、樁身深層水平位移觀測(cè)、錨索內(nèi)力觀測(cè)，同時(shí)對(duì)施工中出現(xiàn)的滲水漏砂現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)控；其中，地下水位監(jiān)測(cè)通過(guò)孔內(nèi)設(shè)置水位管，采用水位計(jì)進(jìn)行量測(cè)，潛水水位管在基坑施工前埋設(shè)。監(jiān)測(cè)平面布置圖如圖 2 所示。

圖1 典型地質(zhì)剖面圖（單位：m）

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案及技術(shù)難點(diǎn)

圖2 監(jiān)測(cè)平面布置圖

2.1 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

本 段 基 坑 采 用 8 0 m m 厚 掛網(wǎng)噴面放坡+φ8 0 0@6 0 0 攪拌 樁+φ8 0 0@1 2 0 0 支 護(hù) 樁+2 ×3φS15.2L 預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長(zhǎng)度為 24.0 m 和 18.0 m。

坡面噴射混凝土原材料采用干凈的中粗砂和粒徑＜15 mm 的礫石，配合比為水泥∶砂∶碎石=1∶2∶2.5。噴料應(yīng)攪拌均勻，隨攪隨用。噴射時(shí)，應(yīng)控制好水灰比為 0.5～0.55，保存混凝土表面平整，呈濕潤(rùn)光滑無(wú)干斑或流淌現(xiàn)象（水泥采用 P·O42.5 的普通硅酸鹽水泥）。噴射作業(yè)時(shí)，噴頭應(yīng)與錨索墻面保持垂直，其距離宜為0.6～1.0 m。

錨索水泥漿液采用 P·O42.5 普通硅酸鹽水泥，水灰比為 0.5～ 0.55，第一次注漿壓力為 0.5～ 1.5 MPa，第二次注漿壓力為 2.0～ 3.0 MPa。

基坑支護(hù)剖面參數(shù)統(tǒng)計(jì)如下。

1）放 坡 段。坡 高 3.0 m，坡 比 1∶1.5，坡 面 8 0 m m 厚 掛 網(wǎng) 細(xì) 石混 凝 土，φ6.5@250×250 鋼筋網(wǎng)，并打短釘，短釘長(zhǎng)度為 1.5 m，間距 1.5 m。

2）支護(hù)樁。φ800@1 200 灌注樁，樁長(zhǎng)為 11.3 m。

3）錨索。錨索長(zhǎng)度分別為 24.0 m 和 18.0 m，采用預(yù)應(yīng)力錨索 3φS15.2L，水平@2 400，錨固長(zhǎng)度分別為 17 m 和 12 m，入射角度為 30°。

4）止水樁。φ800@600 攪拌樁，樁長(zhǎng)為 16.0 m。

基坑北側(cè)典型剖面大樣圖如圖 3 所示。

在剖面大樣圖 3 中可以看出：基坑底部以下均為砂層，支護(hù)樁底部位于第二層砂土（粗礫砂）中，本次設(shè)計(jì)的止水帷幕穿透粗礫砂層位于黏土層中。

2.2 技術(shù)難點(diǎn)

深厚砂性土層深基坑支護(hù)工程的關(guān)鍵問(wèn)題在于基坑的變形控制和地下水的控制。對(duì)本工程而言，主要需解決的技術(shù)難度如下。

1）基坑上部砂層較厚，厚度達(dá) 15.9 m，并且地下水位較高，水量豐沛，錨索在鉆孔過(guò)程中容易發(fā)生涌水涌砂的現(xiàn)象，造成塌孔，不能夠有效成孔。

2）水泥攪拌樁初凝一般需要 3 d，由于場(chǎng)地砂層較厚且砂層透水性大，水泥漿液易被流動(dòng)的地下水稀釋或流失導(dǎo)致不能成型，因此水泥攪拌樁在富水砂層中容易失效。

3）本基坑坑內(nèi)降水采用降水井的形式，在施工過(guò)程中，需要對(duì)降水井抽水過(guò)程中的含砂量進(jìn)行監(jiān)控，預(yù)防涌砂現(xiàn)象。在開挖過(guò)程中，需加強(qiáng)基坑的巡查，發(fā)現(xiàn)周邊的漏水點(diǎn)，并采取有效措施進(jìn)行止水。

3 止水遇到的問(wèn)題及解決方案

根據(jù) JGJ 120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》，本基坑工程安全等級(jí)為一級(jí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況，采用直徑 550 mm 攪拌樁進(jìn)行引孔，再施工直徑 800 mm 的攪拌樁進(jìn)行止水并結(jié)合降水井進(jìn)行坑內(nèi)降水。按照：整平場(chǎng)地→施工支護(hù)樁→施工止水樁→施工錨索→施工冠梁→張拉錨索→第一層土方開挖→施工腰梁→施工錨索→土方開挖依次循環(huán)施工。

3.1 深厚砂層富水下成樁質(zhì)量問(wèn)題

水泥攪拌樁在施工前首先要進(jìn)行成樁試驗(yàn)，鉆孔抽芯檢測(cè)數(shù)量不少于總數(shù)的 1 %且不少于 5 根，由于地下水位較高，在水壓作用下可能會(huì)在成樁過(guò)程中，造成水泥漿被水流稀釋，出現(xiàn)抽芯不見水泥的現(xiàn)象，造成水泥攪拌樁無(wú)法成樁或者成樁質(zhì)量低，止水帷幕失效。水泥攪拌樁作為止水帷幕失效的原因大致可以分為兩點(diǎn)。①樁搭接長(zhǎng)度不夠、水泥摻入比不當(dāng)?shù)葏?shù)設(shè)計(jì)問(wèn)題；②施工管理不到位，樁身垂直度偏差較大、打樁間隔過(guò)長(zhǎng)、斷漿等。針對(duì)上述問(wèn)題本工程采用工藝比選的測(cè)試方法來(lái)挑選適合本工程的施工工藝。

對(duì)基坑北側(cè)進(jìn)行試樁工作，以驗(yàn)證水泥土攪拌樁噴攪工藝效果，共設(shè) 9 處試樁點(diǎn)，3 處為一組，分為 A、B、C 組，分別對(duì)該三組試點(diǎn)進(jìn)行一噴兩攪、兩噴兩攪、兩噴三攪的施工工藝，通過(guò)對(duì)測(cè)試樁進(jìn)行抽芯、聲波透射檢測(cè)，結(jié)果顯示如下。

1）A 組一噴兩攪測(cè)試樁樁體完整性較差，3 根測(cè)試樁樁長(zhǎng)均不足，且均勻性較差，耗時(shí)短。

2）B 組兩噴兩攪測(cè)試樁狀體完整性和均勻性均良好，樁長(zhǎng)偏差小且符合規(guī)范要求，耗時(shí)較大。

3）C 組兩噴三攪測(cè)試樁樁體完整性較好，均勻性介于 A 組和 B 組之間，樁長(zhǎng)偏差小，耗時(shí)最長(zhǎng)。

對(duì)比 A、B、C 三組測(cè)試樁結(jié)果可知，成樁質(zhì)量與噴漿量正相關(guān)，同時(shí)也與施工參數(shù)的設(shè)計(jì)息息相關(guān)［5］，因此，采取如下措施。

1）水泥攪拌樁應(yīng)穿透砂層進(jìn)入黏土層，阻斷基坑外側(cè)高水頭富水砂層中地下水在止水帷幕底端繞流，施工過(guò)程中若發(fā)現(xiàn)局部地段深攪拌成樁困難，可采用樁間高壓旋噴、花管注漿等方法替代深層攪拌樁形成止水帷幕，確保止水帷幕閉合。

2）為減小水泥攪拌樁水泥漿液稀釋程度，應(yīng)嚴(yán)格保證每米水泥摻入量和采用低水灰比，控制噴漿漿液水灰比在 0.5～0.6，水泥摻量約為 170 kg/m，水泥摻量為 18 %，鉆進(jìn)和提升速度≤1.5 m/min，同時(shí)摻入一定比例速凝劑，減少水泥漿液的初凝所需時(shí)間。

3）嚴(yán)格控制水泥攪拌樁的機(jī)械垂直度和搭接長(zhǎng)度，避免因垂直度偏差過(guò)大造成止水帷幕漏縫，確保樁與樁之間搭接長(zhǎng)度為 20 cm，樁身垂直度偏差≤1.0 %，樁位偏差≤2.0 cm。

3.2 錨索施工涌水涌砂問(wèn)題

根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用兩道錨索，第一道錨索位于 -3.2 m 處，第二道錨索位于 -6.8 m 處，兩道錨索均處于粗礫砂層中，地下水位位于 -5.82 m，第二排錨索開孔位置位于地下水位以下約 1.5 m，需在水下成孔，當(dāng)錨索樁孔穿過(guò)止水帷幕時(shí)，在高水頭壓力作用下，由于砂層的黏聚力低，極易出現(xiàn)涌水涌砂的現(xiàn)象，本工程錨索各剖面均有分布，總錨索數(shù) 724 根，地下水位以下錨索 372 根；存在于地下水位以下中粗砂土層中的 372 根錨索在施工中存在風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)進(jìn)行大面積的錨索施工時(shí)，可能會(huì)使得止水樁坑外側(cè)的砂層大量流失，其累計(jì)效應(yīng)可能會(huì)造成周圍地面沉降甚至塌陷，采取如下方法以應(yīng)對(duì)施工過(guò)程中的涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)。

1）開孔。開孔直徑 160 mm，入射角度 30°，預(yù)先采用小型開孔鉆機(jī)進(jìn)行開孔，對(duì)支護(hù)樁開孔時(shí)預(yù)留100 mm 的厚度，以避免直接開孔后跟管鉆進(jìn)施工的間隙時(shí)的涌水涌砂。

2）成孔。錨索鉆機(jī)就位，對(duì)預(yù)先開孔部位跟管鉆進(jìn)，同一步的后續(xù)施工物資及人員就位，當(dāng)鉆機(jī)打破預(yù)留厚度時(shí)，壓入第一節(jié)套管，以鉆機(jī)鉆壓和自重平衡孔口水土壓力，隨后用堵漏材料封堵套管與孔口間隙。當(dāng)?shù)诙?jié)套管加管時(shí)，隨著滲流路徑的增大，涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)逐漸降低。

3）安放錨索及一次注漿。依據(jù)下料長(zhǎng)度形成的成孔深度，對(duì)錨索自由端涂潤(rùn)滑油和套塑料袋后放入孔內(nèi)，注漿管隨桿體放入孔內(nèi)，在錨索孔口外側(cè)綁扎止?jié){袋，并預(yù)留好注漿管。注射過(guò)程中時(shí)刻關(guān)注注漿量和注漿泵的工作壓力，待漿液從空口溢出時(shí)完成注漿。

4）封孔及二次注漿。一次注漿后拔出套管時(shí)孔口仍有涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)，以綁扎止?jié){袋解決該問(wèn)題，在一次注漿拔出套管的瞬間，馬上向止?jié){袋內(nèi)注入早凝水泥漿液，完成孔口封堵，在一次注漿完成后 4～6 h 進(jìn)行二次注漿。止?jié){袋設(shè)置如圖 4 所示。

圖4 止?jié){袋設(shè)置示意圖

5）墻后注漿。盡管上述施工過(guò)程對(duì)砂土的流失進(jìn)行了有效的控制，但仍不可避免地存在部分流失情況，因此通過(guò)對(duì)基坑外圍打入注漿花管進(jìn)行注漿處理，以保證基坑周邊環(huán)境穩(wěn)定。

4 施工效果評(píng)價(jià)

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)本文研究區(qū)各剖面選取監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)第二排錨索進(jìn)行分析，MG-7 標(biāo)準(zhǔn)值 240 kN，鎖定值 170 kN；MG-10 標(biāo)準(zhǔn)值 205 kN，鎖定值 145 kN；MG-12 標(biāo)準(zhǔn)值250 kN，鎖定值 175 kN；MG-14 標(biāo)準(zhǔn)值 240 kN，鎖定值 165 kN。其錨索內(nèi)力變化曲線如圖 5 所示。

可以看出，錨索工作后，其內(nèi)力值整體出現(xiàn)一定的增長(zhǎng)，并趨于穩(wěn)定。MG-10 監(jiān)測(cè)錨索前期出現(xiàn)了一定的應(yīng)力損失，但并未低于設(shè)計(jì)值的 70 %，錨索正常工作。

采用上述方法有效的解決了預(yù)應(yīng)力錨索在飽水砂層成孔施工過(guò)程中出現(xiàn)的涌水涌砂問(wèn)題，完成了本工程飽和砂土中 372 根錨索的施工任務(wù)，同時(shí)采用墻后注漿的方式對(duì)施工中不可避免產(chǎn)生的砂土流失進(jìn)行了處理，保證了基坑周邊環(huán)境的安全，降低了墻后土體沉降的風(fēng)險(xiǎn)。

圖5 錨索內(nèi)力變化曲線

5 結(jié)語(yǔ)

在施工場(chǎng)地存在透水性較強(qiáng)的土層時(shí)，采用合理的止水措施是非常重要的，面對(duì)砂層深厚，水量豐沛的施工環(huán)境，采取好止水措施是該基坑支護(hù)的關(guān)鍵。

1）在深厚砂層采用“放坡+樁錨”的支護(hù)方案，采用坑內(nèi)降水井的形式進(jìn)行坑內(nèi)降水是可行的、有效地解決了深厚砂層環(huán)境的深基坑支護(hù)難題，可為類似工程提供參考。

2）現(xiàn)有的錨索施工技術(shù)一般適用于黏土等不透水地層以及低水頭的砂層，采用改進(jìn)后的錨索成孔技術(shù)可以有效解決在高水頭砂層成孔引起的涌砂現(xiàn)象。

3）基坑開挖過(guò)程中，若出現(xiàn)突涌水情況，應(yīng)立即回填反壓，增加降水井及降水設(shè)備，在基坑內(nèi)降水，并查明涌水原因及涌水范圍，在涌水周邊區(qū)域增設(shè)降水設(shè)施，有針對(duì)性地采用雙液注漿封堵。Q