晉城東河河道高層建筑地基處置技術(shù)分析

宋曉瓊

（晉城合為規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

山西省晉城市為典型的山地型城市，其城區(qū)屬于典型的盆地型地貌，四周群山環(huán)繞，總體呈現(xiàn)“四周高、中間低”的地形形態(tài)。城區(qū)盆地內(nèi)部亦不平坦，整體呈北高南低的緩傾狀；區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列的近南北向褶皺帶，經(jīng)受長(zhǎng)期侵蝕，以褶皺凹陷處為基座，形成了城區(qū)內(nèi)部的河流分布格架。區(qū)內(nèi)河流主體均呈近南北向，流向均為自北向南流，具有較大的水力坡度（平均約0.1）。河槽內(nèi)覆蓋層以粉質(zhì)黏土層、卵石、角礫等沖、洪積層為主，其相互之間交叉出現(xiàn)，越近河道中心，越顯雜亂無(wú)序，呈現(xiàn)典型的山間河道沖洪積堆積特征。投資者計(jì)劃在這樣的河道上建設(shè)高層建筑。本文在概述巖土環(huán)境的基礎(chǔ)上，對(duì)該高層建筑的地基處置技術(shù)進(jìn)行分析。

1 高層建筑地基環(huán)境分析

該工程場(chǎng)地位于晉城市城區(qū)盆地北部邊緣東河褶曲帶。該片區(qū)東河呈北高南低的緩傾狀，自北向南穿行；東河向東為爬坡地形、過(guò)渡為山地，向西地形相對(duì)較平緩。該片區(qū)因煤礦開(kāi)采及居住建筑的不斷擴(kuò)張，致使東河水流量不斷減小，河道收縮，在城建歷史中被逐步自然填平；當(dāng)前河水通過(guò)埋設(shè)于場(chǎng)地西側(cè)的地下涵洞導(dǎo)流。該片區(qū)內(nèi)填土主要為鄰近居民生產(chǎn)生活產(chǎn)生的建筑垃圾與生活垃圾為主的雜填土。填土分布深厚，為新近自然堆填，堆填年代約5～20年，填料成分雜亂、疏松。

該場(chǎng)地內(nèi)賦存地下水（潛水），水位埋藏較淺；水流主要賦存于上部填土及下伏地層中的角礫層中，因填土層與角礫層較高的滲透特性，場(chǎng)地內(nèi)地下水與上游河水聯(lián)系緊密；跟隨河水的流面，場(chǎng)地地下水亦具有較大的水力坡度。

該場(chǎng)地東、北兩側(cè)均緊鄰現(xiàn)狀多層建筑，南側(cè)緊鄰市政道路，邊緣最大距離均不足10m；場(chǎng)地?cái)M建設(shè)地下2層、地上32層的高層建筑。

2 高層建筑場(chǎng)地水文地質(zhì)與工程地質(zhì)

2.1 場(chǎng)地水文地質(zhì)

勘察時(shí)段為7月份，屬于當(dāng)?shù)厮闹芷诘呢S水期。據(jù)調(diào)查，場(chǎng)區(qū)為東河原始河道，2018年城市黑臭水體治理時(shí)，采用地下涵洞對(duì)該河段河水進(jìn)行引流，涵洞位于場(chǎng)地西側(cè)，場(chǎng)地段河流平水位約為718m左右，常年有水。場(chǎng)地地下分布一層地下水，屬于潛水，地下水穩(wěn)定水位約為717.04～718.60m，受上游河水側(cè)向下滲及雨季降水垂直下滲補(bǔ)給。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，該區(qū)域地下水水位年變化幅度在1.0m左右。

鉆孔提取水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，結(jié)果顯示，該場(chǎng)地地下水在干濕交替和無(wú)干濕交替作用下對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕性等級(jí)均為微腐蝕。

2.2 場(chǎng)地地層分布

以2#孔為例，地面高程722.30m。

第（1）層雜填土(Q4ml)：新近人工堆積層，雜色，松散，稍濕，以磚塊等建筑垃圾及爐渣等生活垃圾為主，混雜少量的粉質(zhì)黏土。厚度：6.70m；層底標(biāo)高：715.60m。重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)N63.5修正值2.9～7.1擊，平均4.9擊。滲透系數(shù)建議取0.05cm/s。

穩(wěn)定地下水位718.10m。

第（2）層角礫(Q4al+pl)：第四紀(jì)全新統(tǒng)沖、洪積土層，雜色，稍密，稍濕，以砂頁(yè)巖碎屑為主，粉質(zhì)黏土膠結(jié)。厚度：3.30m；層底標(biāo)高：712.30m。重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)N63.5修正值4.4～6.8擊，標(biāo)準(zhǔn)值4.9擊，天然地基承載力特征值fak建議值160kPa。滲透系數(shù)建議取0.05cm/s。

第（3）層粉質(zhì)黏土(Q2al)：第四紀(jì)中更新統(tǒng)沖積土層，棕紅色，可塑，稍濕，含大量氧化鐵銹及少量鐵錳結(jié)核、鐵錳顆粒等，底部見(jiàn)少量砂頁(yè)巖碎屑等；切面較光滑，稍有光澤，韌性中等，干強(qiáng)度較高，無(wú)搖振反應(yīng)；壓縮系數(shù)范圍值0.26～0.32，平均0.29，壓縮性中等。厚度：1.20m；層底標(biāo)高：711.10m。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N修正值11.9～14.0擊，標(biāo)準(zhǔn)值12.3擊，天然地基承載力特征值fak建議值180kPa。

第（4）層角礫(Q2al+pl)：第四紀(jì)中更新統(tǒng)沖、洪積土層，雜色，稍密-中密，稍濕，以砂頁(yè)巖碎屑為主，含少量的砂巖碎石顆粒，粉質(zhì)黏土膠結(jié)。厚度：2.50m；層底標(biāo)高：708.60m。重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)N63.5修正值5.4～7.7擊，標(biāo)準(zhǔn)值6.0擊，天然地基承載力特征值fak建議值200kPa。滲透系數(shù)建議取0.05cm/s。

第（5）層頁(yè)巖(C3t)：石炭系上統(tǒng)太原組巖石層，灰黃色，強(qiáng)風(fēng)化，具層理，巖體整體破碎，巖石遇水軟化，屬于極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V級(jí)。厚度：6.60m；層底標(biāo)高：702.00m。飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=2.45MPa。

第（6）層泥巖(C3t)：石炭系上統(tǒng)太原組巖石層，灰褐色，中等風(fēng)化，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，整體較破碎，巖石為軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。厚度：5.40m；層底標(biāo)高：696.60m。飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=3.11MPa。

第（7）層灰?guī)r(C3t)：石炭系上統(tǒng)太原組巖石層，青灰色，中等風(fēng)化，巖體較破碎，巖石屬于軟巖-較軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V級(jí)。厚度：2.40m；層底標(biāo)高：694.20m。飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=11.23MPa。

第（8）層煤(C3t)：石炭系上統(tǒng)太原組巖石層，黑色，強(qiáng)風(fēng)化-中等風(fēng)化，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，整體破碎-較破碎，巖石屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。厚度：0.70m；層底標(biāo)高：693.50m。飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=1.60MPa。

第（9）層砂質(zhì)泥巖(C3t)：石炭系上統(tǒng)太原組巖石層，灰色、灰褐色，中等風(fēng)化-微風(fēng)化，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，整體較破碎，巖石屬軟巖，失水易崩解，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。厚度：5.40m；層底標(biāo)高：688.10m。飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=4.33MPa。

第（9）-1層煤(C3t)：石炭系上統(tǒng)太原組巖石層，黑色，中等風(fēng)化，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，整體較破碎，巖石屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。厚度：0.70m；層底標(biāo)高：687.40m。

第（10）層泥質(zhì)砂巖(C3t)：石炭系上統(tǒng)太原組巖石層，灰黑色，中等風(fēng)化-微風(fēng)化，巖體層理及節(jié)理裂隙稍發(fā)育，整體較完整，巖石屬軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。厚度：4.50m；層底標(biāo)高：682.90m。飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=5.25MPa。

第（10）-1層煤(C3t)：石炭系上統(tǒng)太原組巖石層，黑色，中等風(fēng)化，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，整體較破碎，巖石屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。厚度：0.40m；層底標(biāo)高：682.50m。

第（11）層砂質(zhì)泥巖(C3t)：石炭系上統(tǒng)太原組巖石層，灰色、灰褐色，中等風(fēng)化-微風(fēng)化，巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，整體較破碎，巖石屬軟巖，失水易崩解，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。未穿透，揭露厚度為6.64m。飽和單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值frk=6.27MPa。

3 高層建筑工程地理位置的特殊性分析

（1）場(chǎng)區(qū)位于老舊河道回填地段，屬于大面積填方地段，回填范圍廣、厚度大。填方為新近自然回填，填料含大量的磚塊、煤渣，未經(jīng)分選、分層壓實(shí)，土質(zhì)疏松，透水性強(qiáng)。

（2）場(chǎng)區(qū)位于丘陵區(qū)溝谷段，地勢(shì)整體北高南低、東高西低，屬于聚水區(qū)，雖用地下涵洞自場(chǎng)地西側(cè)引流，但是，場(chǎng)地雨季地表匯水的下滲及北側(cè)上游河水的側(cè)滲仍無(wú)法阻斷。

（3）場(chǎng)區(qū)位于密集居民區(qū)，場(chǎng)地東、北兩側(cè)均緊鄰現(xiàn)狀多層建筑，南側(cè)緊鄰市政道路，周邊環(huán)境復(fù)雜，影響因素多。

（4）擬建建筑為地下2層、地上32層建筑，基礎(chǔ)埋深大，基底壓力平均壓力約500kPa。淺層天然地基承載力特征值均不滿足設(shè)計(jì)要求，即使按深寬修正后承載力離設(shè)計(jì)要求也相差較遠(yuǎn)。

4 勘察對(duì)高層建筑地基及基礎(chǔ)工程的建議

4.1 地基處理方案分析

該高層建筑工程設(shè)計(jì)±0.00為722.90m，地下室底板埋深為-8.60m（714.30m）。該高程處基礎(chǔ)持力層為第⑵層角礫層，基底以下土層厚度5.70m。

如采用淺層換填，換填如此厚的墊層，其成本高昂，且施工質(zhì)量不易控制，而且根據(jù)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，除采用混凝土剛性墊層整體換填外，其它材料的墊層承載力均難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求的500kPa，因此，該工程淺層換填方案是不可行的。

按該建筑基底土層厚度5.70m計(jì)，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2012)中的各種復(fù)合地基類(lèi)型試算，復(fù)合地基承載力均達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的500kPa。

4.2 基礎(chǔ)及基坑支護(hù)方案建議

對(duì)該工程而言，天然地基和地基處理不可行，基礎(chǔ)形式唯有采用樁基礎(chǔ)。根據(jù)場(chǎng)地地層的空間展布，并通過(guò)試算，該工程主樓樁端持力層宜選用第（9）層砂質(zhì)泥巖或第（10）層泥質(zhì)砂巖。樁基需穿越較厚的巖石層，因此，靜壓預(yù)制樁方案不可行；場(chǎng)地地處密集居民區(qū)，緊鄰現(xiàn)狀建筑，如采用帶震動(dòng)的沖孔樁，擾民且不安全；考慮場(chǎng)地存在埋藏較淺的賦存于上部填土及下伏角礫層中的流動(dòng)地下水，如采用人工挖孔灌注樁，在挖掘過(guò)程中，孔壁填土及角礫層容易在動(dòng)水壓力下坍塌。綜合安全、成本等因素考慮，該工程樁基形式建議選用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁。

泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁以機(jī)械成孔，可以在有地下水的條件下成孔成樁，不需降水就可以施工，而且對(duì)各地層均有較好的適應(yīng)能力，但其費(fèi)用較高，且孔底的沉渣清除和樁身質(zhì)量較難控制，進(jìn)而影響單樁承載力。鑒于場(chǎng)地復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，樁基成孔時(shí)樁底沉渣、樁側(cè)泥皮清除難以保證時(shí)，也可考慮采用后注漿灌注樁工藝。

基坑開(kāi)挖建議采取樁錨結(jié)構(gòu)支護(hù)后進(jìn)行開(kāi)挖，支護(hù)樁建議采用泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁。

樁基工程施工前，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)挖試樁，以核實(shí)施工條件，核實(shí)成樁孔的可能性，確定需采取的支護(hù)措施及防水措施，并根據(jù)試樁結(jié)果驗(yàn)證單樁承載力及變形參數(shù)，必要時(shí)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果作適當(dāng)調(diào)整；樁基工程完工后，應(yīng)進(jìn)行樁基檢測(cè)及驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后方可進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)的施工。

5 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)選型及施工階段的調(diào)整

5.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)選型

基坑支護(hù)設(shè)計(jì)采用雙排樁支護(hù)體系；建筑地基設(shè)計(jì)采用大直徑疏樁（素混凝土樁）復(fù)合地基進(jìn)行地基處理,樁端持力層為第（9）層砂質(zhì)泥巖層，單樁承載力特征值要求不小于2800kN,復(fù)合地基承載力特征值要求不小于550kPa，基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)；樁型均為泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁，旋挖鉆機(jī)施工。

5.2 試樁施工中出現(xiàn)的問(wèn)題

受限于狹小的場(chǎng)地環(huán)境，樁基施工時(shí)未設(shè)置專(zhuān)門(mén)的泥漿池進(jìn)行泥漿調(diào)配，采用在樁基施工時(shí)直接向樁孔內(nèi)傾倒素土、干水泥的方式進(jìn)行施工，結(jié)果在支護(hù)樁施工過(guò)程中，樁基施工至角礫層后，角礫層浸水坍塌嚴(yán)重，長(zhǎng)時(shí)間難以成樁，產(chǎn)生了比較大的安全風(fēng)險(xiǎn)；且因孔壁土層坍塌，樁孔中心發(fā)生偏移；而且土體坍塌破壞原有的土體結(jié)構(gòu)，可能會(huì)降低對(duì)樁基的側(cè)向阻力，降低樁基承載力。因此，試樁暫停，在臨時(shí)回填后研究解決。

5.3 解決方案

按照以往的實(shí)踐，此類(lèi)地質(zhì)環(huán)境下，樁基施工采用鋼護(hù)筒護(hù)壁，施工是有保障的，但是，松散土層的坍塌及基底以下近6m厚的土層產(chǎn)生的大側(cè)阻力，致使鋼護(hù)壁在成樁后難以拔起后再次使用，成樁成本過(guò)高。

如何在盡可能控制成本的前提下解決成樁問(wèn)題？經(jīng)多方研討，決定按照當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)“在場(chǎng)地四周布置降水井降水試行人工挖孔樁”的方案：（1）采用鋼護(hù)筒護(hù)壁、旋挖鉆機(jī)成樁工藝施工降水井，確保地下水下降到場(chǎng)地完整巖石層下；（2）進(jìn)行人工挖孔樁施工作業(yè)，挖孔過(guò)程中采用預(yù)制鋼筋混凝土管護(hù)壁（單節(jié)長(zhǎng)度1m），類(lèi)似于沉井基礎(chǔ)（護(hù)壁采用吊車(chē)起吊就位，人工掘進(jìn)過(guò)程中在自重及旋挖鉆機(jī)輔助靜壓作用下下沉），施工至進(jìn)入第⑸層頁(yè)巖完整巖石層中；（3）旋挖鉆機(jī)施工至設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)。另外，制定了“在成樁過(guò)程中如因孔壁坍塌導(dǎo)致樁間土破壞，則在成樁后對(duì)樁間土進(jìn)行注漿加固”的預(yù)備方案。該方案在確保施工安全的同時(shí)也解決了因孔壁坍塌導(dǎo)致的樁位偏移問(wèn)題，也加快了施工進(jìn)度。

在制定可靠的安全施工方案及應(yīng)急預(yù)案后，現(xiàn)場(chǎng)在場(chǎng)地四周先施工降水井，降水井采用定做的6m長(zhǎng)鋼護(hù)筒護(hù)壁，旋挖鉆機(jī)成樁；成井較順利，井中抽水試驗(yàn)，單井出水量約50m3/h；地下水得到控制后，開(kāi)始試驗(yàn)成樁，人工每掘進(jìn)0.2～0.5m，旋挖鉆機(jī)輔助施以壓力，循環(huán)施工至進(jìn)入完整巖石層，孔壁無(wú)大的坍塌。全部試樁安全可行之后大面積實(shí)施，直至順利完工?；炷吝_(dá)到齡期后，經(jīng)載荷試驗(yàn)檢驗(yàn)，單樁及復(fù)合地基承載力均滿足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)樁基規(guī)范條文說(shuō)明第6.2.1條，人工挖孔樁在遇有流動(dòng)性淤泥層、流砂層時(shí)，易引發(fā)安全和質(zhì)量事故，不得選用此種工藝[1]。該工程考慮角礫層遇水坍塌，故在勘察階段，對(duì)基礎(chǔ)方案的建議中，自然排除了該樁型，可是，在該工程中又得到成功應(yīng)用。成功實(shí)踐的原因在于在施工時(shí)，在場(chǎng)地外圍采用降水井進(jìn)行了降水工作，且在地基處理樁土層施工時(shí)采用了預(yù)制鋼筋混凝土護(hù)壁，該工藝具有一定的沉井法的特性，在確保施工安全的同時(shí)也解決了因孔壁坍塌導(dǎo)致的樁位偏移問(wèn)題?？傊?，該工程可作為一個(gè)復(fù)雜地質(zhì)、復(fù)雜環(huán)境條件下高層建筑工程基礎(chǔ)處置的特殊案例，可為同類(lèi)工程的地基處置及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。