饱和砂性土层中的深基坑施工

上海公路桥梁（集团）有限公司 上海 200023

1 工程概况

1.1 泵站深基坑概况

背景工程泵房基坑位于常州市城北污水处理厂区内，基坑尺寸31.45 m×27.2 m，采用排桩+内支撑形式，外侧设置三轴水泥土搅拌桩止水帷幕，基坑深14 m。施工1 排钻孔灌注桩，桩身长24.8 m（图1）。

施工区域内地质主要为：①杂填土，③1黏土，③2粉质黏土，⑤1粉砂，⑤2粉砂，⑤3粉砂夹粉土，⑧2粉砂夹粉土。

1.2 泵站深基坑施工难点

1.2.1 砂性土层

本工程泵站围护桩桩身长24.8 m，排桩深入地下⑤1、⑤2粉砂层，含砂量大。

1.2.2 地下不明管线、障碍物众多

泵站基坑施工区域内存在较多未探明的管线，由于基坑已抵近污水处理池结构物及φ1 220 mm管道，东西向管道改迁工作存在较大困难。

图1 泵站基坑平面示意

1.2.3 地上建（构）筑物限制施工

本工程基坑尺寸为31.45 m×27.2 m，业主移交的场地尺寸为45 m×54 m，基坑施工区域内及周边存在配电间、厂区污水处理池、改迁管道及污水井、运行中的污水处理格栅等构筑物。

2 针对砂性土层的改进措施

2.1 砂性土层分析

砂性土属典型的多孔介质，其渗透性强，胶结作用弱。由于多孔介质的颗粒和孔隙都具有不规则性、自相似性、模糊性和非线性等特点，且整体结构表现出复杂性，因此传统方法对多孔介质的结构及渗流过程的直观定量描述难以有更大的进展。

根据目前的研究成果，我们引入分形几何及分形维数2 个概念，利用分形几何原理用于岩土力学领域。研究表明，砂砾类土的分布具有分形分布特征，且粗粒土粒间孔隙的分布及细颗粒充填到粗颗粒孔隙之间的方式也表现出分形规律。通过研究其颗粒级配分维值D与不均匀系数Cu及渗透系数K之间的关系，我们能够通过颗粒级配分维来反映砂性土的颗粒大小及级配规律，比较直观定量地描述砂性土渗透系数的大小，从而为在施工中改善砂性土层土质，保证施工质量提供理论依据（图2）。

图2 级配分形维数的物理意义示意

2.1.1 土层颗粒分析

砂性土的颗粒级配是影响渗透系数的重要因素。通过颗粒分析法得出砂性土的颗粒级配曲线，可以求出颗粒的不均匀系数Cu；在级配曲线上对小于某粒径的颗粒百分含量依次对半分割，然后在颗粒粒径与百分含量的双对数坐标中进行线性回归分析，其拟合的直线斜率绝对值即为级配分形维数D。然后对分形维数与渗透系数进行线性回归分析，从而分析渗透系数K与级配分维值D的相关关系。颗粒级配曲线如图3所示。我们由此得知，颗粒级配越好，大颗粒之间的孔隙被细小颗粒充填，不均匀系数Cu越大，直线斜率即分维D越小。

图3 颗粒级配曲线

2.1.2 颗粒级配与土层渗透系数的相关性

砂性土的渗透性较好，主要表现在它具有较大的孔隙度。砂性土的渗透性主要受粒径大小与级配、孔隙度、矿物成分、土的结构以及饱和度的影响。因此，土的级配好坏直接影响着土的颗粒组成、结构以及孔隙度的大小，对渗透系数的大小起着决定性的作用。根据渗透试验所测定的各试件渗透系数K，将分维值D和渗透系数K进行线性回归分析（图4）。

图4 渗透系数与分维值D的相关性

分维值D与渗透系数K之间呈正相关关系，且相关度较好。土的级配越好，不均匀系数Cu越大，分维值D越小。反之，级配越差，颗粒均匀程度越高，分维值D也越大，颗粒间的堆积排列方式较疏松，此时孔隙度n增大，过水面积增大，渗透系数K也越大。

2.2 砂性土施工针对性措施

砂性土的颗粒及孔隙分布具有分形特征，由于砂性土的渗透性及含泥量较少，胶结作用不明显，钻孔灌注桩施工过程中使用的自然造浆易形成坍孔、颈缩等现象。

1）改进措施：针对自然造浆无法满足土体及洞口稳定，采取膨润土人工造浆，改善砂性土层的颗粒级配，以细小颗粒填充，产生胶结作用，以达到稳固土体的目的。

2）膨润土泥浆：膨润土是以钾、钙、钠蒙脱石为主要成分（含量一般大于65%）的黏土矿物， 具有膨胀性和触变性。膨润土具有触变性，经搅拌的具有黏性及流动性的液体膨润土泥浆能有效地填充于砂性土层中，改善了其颗粒级配，达到土质改良的目的，同时，处于静止状态的膨润土泥浆将具备良好的胶凝特性，成孔质量得到了提高。

3）施工要点如下：

（1）泥浆相对密度为1.2～1.45，黏度为19～28 Pa·s，含砂率为4%～8%，胶体率≥96%，失水率≤15%，30 min泥皮厚度≤2 mm， 静切力3～5 Pa，pH值为8～10。

（2）施工过程中对泥浆进行过程中检测，检测内容包括含砂率、黏度等。

（3）在实际施工中，由于土层的含砂量较大，为了进一步防止在施工中出现颈缩现象，在钻孔完毕后需进行1～2 次自上而下的扫孔。

3 穿越障碍物的施工措施

工程区域内，地下沉井蓄水池、管道、管线、障碍物众多，且距离较近，施工难度较大。施工措施为：

1）事先进行管线探摸，排除施工隐患。

2）采用小型挖机进行前期沟槽开挖，避免出现安全事故。

3）钻机调整钻机参数，当钻进地层遇到明显障碍物时采取反复钻进，若地下废弃管道口径较大、质地坚硬，则更换钻头后再次进行试钻。若遇无法清除的障碍物，经现场确认无法施工时，采用补桩措施，补桩与原设计桩径、桩长、水泥含量等同。

4 排桩穿越建筑（构）物狭长走廊的施工

4.1 W4#污水井及污水处理格栅（狭长走廊）

采用现代Hyundai R215-7C与现代Hyundai R60-7两种挖掘机进行作业。R215-7C型挖掘机自重为20 700 kg，R60-7型挖掘机自重为5 850 kg。

W4#污水井为砖砌结构，污水处理格栅为地下沉井，地下埋深约14 m（图5）。钻孔灌注桩沟槽开挖后，表层覆土被清除，土体无法提供侧向支撑，井位结构受力不均匀，机械自重易对土体造成挤压，导致土体发生侧向移动，危及构筑物安全。因此施工前需对W4#临时污水井及污水处理格栅区域2 座构筑物进行保护处理，确保其施工期间的稳固后，方可进行下道工序施工。

施工时使用现代Hyundai R60-7挖机在内部开挖沟槽，使用现代Hyundai R215-7C挖机外部等待出土+槽钢支撑。

图5 W4#污水井及污水处理格栅

4.2 施工特点难点

1）机械自重较大，盲目进入将危及井室安全。

2）施工面积狭小，大型机械无法进入。

3）W4#污水井为砖砌结构，且浅埋于地表以下。

4）W4#临时污水井、污水处理格栅为正常使用设备，停止运转将造成市区污水上涌地面等后果，上层覆土进入污水井后吸入泵机将造成设备损坏，污水无法处理。

4.3 施工措施

4.3.1 技术措施

1）采用槽钢支撑，W4#污水井与污水处理格栅形成相互的侧向支撑；

2）沿井壁外侧施打钢板桩，保证其井位结构稳固；

3）沿井壁内侧制作钢支撑围檩，以防止土的侧向应力对井壁造成破坏；

4）采取井位外壁注浆进行土体加固，井位南侧处于卸荷状态，通过支撑使力达到平衡，通过北侧土体注浆，使井外壁土体处于稳固状态。

4.3.2 施工管理措施

1）合理计划施工顺序。

2）合理划分施工区域。施工场地对机械的选型要求较高，合理划分施工区域对完成工作有积极作用。

3）多机械协同配合施工。吊装、开挖、支撑、注浆、型钢拼接等工序协同配合。多机械的协调配合施工需要现场组织管理人员科学合理地对机械进行调配，以免造成拥堵及混乱。

4）合理组织材料人员。考虑到井位的特殊的重要性，一旦施工，应当尽快保证材料的及时性，保证设备运行安全。

5 结语

砂性土层作为地下工程施工中常见的一种土层，其本身具有的特性，对地下工程产生了不利的影响。为改善土体特性，针对砂性土的颗粒及孔隙分布的分形特征、砂性土的渗透性及含泥量较少，胶结作用不明显等特点，在桩基施工过程中采用人工造浆方法，改善土体的颗粒级配，增加胶结作用，减少砂性土体的渗透性，同时通过强化管理措施，不断修正施工参数，建立长效监控机制，以达到保证施工质量的目的[1-5]。

在市区环境下进行狭小范围内的深基坑施工，涉及到对现有建（构）筑物及地下重要管线的保护，在施工中应根据现场情况，做到“情况清楚、统筹兼顾、保障安全”，坚持“大半径、小区域、轻重结合、随挖随撑”的构筑物开挖保护原则，强化施工管理，合理调配机械、材料、人员，重视建立建筑物突发应急抢修机制及施工管理长效化信息管理制度。