软土地区某平面形状复杂的基坑围护设计与施工技术探讨

2016-11-03王金修

科技视界 2016年18期

王金修

【摘要】软土地区某基坑平面形状复杂、平面形状不规则、开挖面积较大、周边环境复杂、工程地质条件较差。基坑围护采用水泥土搅拌桩重力式挡墙方案，对平面形状复杂等薄弱部位采用有针对性的补强加固措施，制定分层分区、限时开挖挖土顺序，并在施工中实行信息化施工，保证了基坑的顺利开挖，达到了预期效果。

【关键词】基坑；平面形状复杂；围护结构；水泥土搅拌桩；软土地区

0 引言

基坑工程的区域性、个性、综合性、时空效应等均强，基坑围护设计施工的安全历来为相关人员及民众所关注，平面形状复杂的基坑在安全性等方面即更甚[1-8]。本文阐述了软土地区某平面形状复杂基坑采用重力式水泥土挡墙进行基坑围护设计与施工的成功案例。

1 工程概况

某工程位于上海宝山区，地面建筑主要包括3幢8F的办公楼和3F裙房，地面以下设有1层地下车库；地下车库基坑周长约466米，呈不规则多边形；面积约6667平方米；取场地自然地面平均绝对标高为+3.800m，基坑开挖深度为4.3～4.5m。

本基坑具有以下特点：

（1）基坑平面形状复杂、展布不规则、拐点多，见图1；

（2）基坑南侧、北侧均为市政道路、地下管线众多，基坑西侧为既有建筑，周边环境较复杂；

（3）开挖面积较大，保护要求高。

2 工程周边环境

本基坑工程地下结构距离红线较近，拟建筑物基坑东侧，地下室边线距离道路红线约6～10m，红线外约5.0m为雨水、电力等管线。南侧本工程地下室距用地道路红线约6～7m，道路上有雨水、污水、电力等管线。基坑西侧有一既有建筑，该地下室边线距离红线6.5m。基坑北侧地下室边线距道路离红线远近不一，近处仅5m。基坑周边邻近市政道路、地下管线众多，基坑周边环境较复杂，保护要求较高。

3 工程地质条件

场地在地貌上属长江三角洲入海口滨海平原，地基土按成因类型、形成时代、工程性质等自上而下可分为7层。场地地层情况及物理力学性质见表1。

浅部土层分布有潜水，主要补给来源为大气降水和地表径流，地下水稳定水位埋深0.50m。

场地第①层填土厚度在1.5m，该层土工程性质较差，成分复杂；场地第③层夹多量粉性土，渗透性强，并影响水泥土搅拌桩桩体成桩质量，基坑开挖时，在水头差的作用下极易产生管涌及流砂现象。场地内不良地质条件包括一个厚填土区和一条暗浜，厚填土区位于场地北部宽约10m，暗浜位于场地中偏东侧呈南北向横亘场地，宽约15m；见图1。

4 基坑围护方案

根据本基坑工程的挖深、规模和基坑周边道路、地下管线和周围建筑物等情况，按三级基坑进行设计，要求围护结构变形控制在50mm以内。

4.1 基坑围护方案

基坑围护的意义在于保障基坑工程的安全，确保地下结构的顺利施工；同时，也必须考虑对周边环境的保护。在满足安全和环境保护要求的前提下，基坑围护结构的设计应造价经济合理、尽可能的节约工期，即达到“多快好省”。

经设计方案的安全性、经济性、施工工期及其它等方面进行综合比选，选定的基坑围护方案：水泥土搅拌桩重力式挡墙。

由于本基坑平面形状复杂、平面形状不规则，并且有暗浜区、厚填土区，为保证基坑稳定，针对平面形状复杂等薄弱环节采取了如下重点加固补强保护措施。

（1）平面拐点区补强

基坑平面拐点处采用加竖向锚杆加长、重点注浆等措施予以补强。水泥土搅拌桩比一般区域多二排、提高该区围护抗渗能力及增大围护结构安全储备。

南侧搅拌桩基坑被动土压力侧加宽坝体宽度，确保围护结构稳定性的可靠性。

（2）长边效应控制

由于本工程基坑面积较大、东侧北侧边长较长，基坑“长边效应”的控制，为了控制基坑围护体的变形，减小基坑开挖对周边环境的不利影响，长边区为控制“长边效应”在坑内被动区中部设置坑底搅拌桩抗滑墩措施加固，加固宽度4.2m，加固厚度4m，以提高被动区土体抗力。

再就是通过分块开挖控制因“长边效应”引起的附加变形。可据地下室底板后浇带位置分批进行基坑开挖，做到开挖“分层、分块、对称、平衡、限时”，尽可能减小围护体暴露长度、暴露时间，控制基坑变形。

（3）暗浜区域、厚杂填土区

暗浜区域：在围护体范围内的浜填土区采用分区换土垫层法措施予以处理，对浜填土进行彻底清除必须挖除，且以较好的素土分层密实回填，填土时应碾压，保证填土的密实度，要求压实度达到95%以上，并注意处理后地基的整体均匀性与协调性。

厚杂填土区：对于围护体范围内的厚填土区根据厚杂填土的土性、压实度、厚度等酌情采用换土垫层法或不作处理。

（4）集水井落深区补强

集水井落深区采用主动土压力区采用水泥土搅拌桩加宽坝体+坑底水泥土搅拌桩加固复合补强方案，确保落深区安全及作为围护结构整体稳定的加强点，并采取有效的施工措施。

4.2 主要计算成果

计算参数与其他计算数据的采用：

（1）坑外超载：施工超载为20KN/m2；

（2）搅拌桩坝体及主动土压力取值：采用c、φ值采用固结快剪峰值均值，水土合算；

（3）考虑地下水位埋深0.50m；

（4）主动侧土压力计算方法：朗肯主动土压力；水压力计算方法：静止水压力；整体稳定计算方法：瑞典条分法。

水泥土搅拌桩重力式挡土墙主要计算结果：地下车库一般区域（挖深4.50m），最大位移50mm，整体稳定安全系数1.80，坑底抗隆起安全系数2.30，抗倾覆安全系数1.45，抗滑移安全系数1.85，抗渗流安全系数7.50。

从主要计算结果可知水泥土重力式挡墙基坑围护体系的稳定安全系数均满足要求。

5 基坑施工技术要点[6-12]

5.1 施工顺序

地下车库围护桩阶段施工顺序依次为：工程桩施工→根据设计图纸，准确定位基坑围护桩→围护水泥土搅拌桩施工→重点区补强→监测超前、工程施工同步监测→轻型井点打设及运行→土方分层分区开挖。

5.2 水泥土搅拌桩施工技术

（1）施工前应根据设计要求进行试验性试桩，并应根据试验性试桩确定施工参数；试验性试桩数量不得少于2根。

（2）双轴水泥土搅拌桩单桩断面尺寸700×1200，相邻桩搭结200mm。双头水泥搅拌桩采用P.O42.5普通硅酸盐水泥，水灰比0.5，水泥掺入量为13%（暗浜区提高至15%）。

（3）搅拌桩桩体施工为两喷三搅工艺，即搅拌桩机定位—搅拌下沉—喷浆提升—搅拌下沉—喷浆提升—下沉—搅拌提升—完成—移位。

（4）钻头每转一周提升（下沉）1.0～1.5cm为宜，确保有效桩长范围内桩体强度的均匀性。当钻头预搅下沉至预定标高、水泥浆液到达出浆口时，应在水泥浆液与桩端土充分搅拌30s后再提升钻杆。钻头每转一周提升或下沉量10～15mm，额定浆量在桩身长度范围内应均匀分布。施工中因故停浆时，应将钻头搅拌下沉至停浆点一下0.5m处，待恢复供浆时再喷浆搅拌提升。停机时间>3h时，应先拆卸输浆管路，并对管路进行清洗。钢管和钢筋的插入应在水泥土搅拌桩成桩后15h内施工，插入位置和深度应符合设计要求。

（5）水泥土搅拌桩应连续施工，相邻桩间歇不得超过10小时，且喷浆搅拌时钻头下沉速度不宜大于1.0米/分，提升速度不宜大于0.5米/分。

（6）水泥搅拌桩下沉时不得采用冲水下沉，以免影响搅拌桩桩身强度。制备好的浆液不得离析，不得停置时间过长，超过二小时的浆液应降低标号使用。泵送应连续进行。

（7）水泥土搅拌桩强度采取钻孔取芯的检测方法。水泥土搅拌桩养护期不得少于28天，无侧限抗压强度qu>0.8MPa时方可开挖基坑。桩位偏差不大于20mm，挡土桩垂直度偏差不大于1/100。坑内加固搅拌桩应注意避开工程桩。重力式水泥土搅拌桩墙采用插入钢筋、钢管等构造加强措施。

（8）水泥土搅拌桩养护，满足养护期后，结合分块开挖区域分层分段开挖至坑底标高（缩小开挖面积及暴露时间），并浇筑混凝土垫层。

5.3 坑内轻型井点降水技术

基坑降排水是保证基坑工程稳定的重要举措。本基坑据基坑挖深、工程地质条件等实施轻型井点降水。

（1）基坑围护结构施工结束后，土方开挖前要进行基坑降水，本基坑采用轻型井点降水，基坑开挖前预降水10天以抽取基坑内土中的滞水，降水深度控制在坑底或局部落深区以下1.0m。降水井点相对均匀布置于基坑内。使基坑内土体疏干，从而达到使基坑安全、顺利施工的目的。

（2）轻型井点的布置需根据挖土流程进行调整，实现区域封闭降水。除坑内降水措施外，地面及坑内应设排水措施，及时排除雨水及地面流水。

（3）轻型井点管要确保冲孔直径≥300mm，滤管长度取1.0m，主管标高应尽量下放以满足抽水要求及真空度；井点平面布置套距为15～20m，支管间距为1.2m，总管50m为一套。轻型井点管的灌砂量要经过计算，满足抽水要求。

（4）抽水系统和真空系统安置完毕后，应进行试抽，达到要求后转入正常抽水，除遇特殊情况外，一般应连续工作。

（5）抽水期间，应做好各种记录，及时测报抽水量及坑内外水位。遇有情况及时协商解决。

5.4 基坑土方开挖施工技术

（1）挖土期间应确保坑内土体处于较干燥状态，防止坑外明水倒灌入坑内，土方据“分层分区”的要求进行施工，分层厚度小于2.5m。

（2）基坑边严禁大量堆载，地面超载应控制在20KN/m2以内。基坑开挖期间禁止在坑外2倍基坑开挖深度范围内堆放建材、大型机械等重物且不得行走重车。

（3）开挖最下一层土方时，坑底必须留200mm～300mm厚基土用人工铲除及修平。开挖至坑底时，混凝土垫层“随挖随浇”，随挖随浇捣垫层，混凝土垫层需直接浇捣至围护桩内侧面。当开挖约150平方米左右的土方后（无垫层坑底暴露时间不得超过12小时），垫层便需跟进浇捣，并掺入早强剂，施工时需确实保证垫层的平整度、厚度和强度，使混凝土垫层能够起到一道地撑的作用，以减小围护桩后期位移。

（4）严禁机械碰撞围护墙，其周边200mm～300mm范围内的土方应采用人工挖除；土方开挖和外运过程中，应做好地下管线、道路及测点的保护措施。

（5）挖土后在坑内设明沟或盲沟集水井明排水，明沟及盲沟应避免沿基坑底边布置，宜利用电梯井等加深部分作为集水井。

（6）电梯井、集水井等局部落深区必须先挖至浅坑标高，待大面积垫层形成后才能向下开挖。

6 基坑监测技术

基坑监测包括对周边环境的保护监测和对本围护体系的安全监测，及时预报施工过程中可能出现的问题，及时控制和调整施工进度和施工方法。从而达到优化施工方案、防止意外事件的发生、信息化施工的目的。监测的主要项目：

（1）监测内容：①围护墙体顶端水平位移及沉降；②邻近地下管线、构筑物的水平位移及沉降；③坑内外地下水位，每日抽水量；④坑外地表沉降。

（2）监测要求：①围护结构施工前，须测得初读数；②在基坑降水、开挖期间，须做到一日一测。在基坑施工期间，可视测得的沉降、位移等变化情况加密。测得的数据应及时分析；③监测报警值：一般情况下，水平、垂直位移大于5mm/d或累计大于35mm；坑外地表沉降最大变形>35mm；变化速率≥2mm/day，且持续2天以上；地下水位变化>500mm；变化速率≥150mm/day，且持续2天以上；周边道路、建筑物、地下管线最大变形>20mm；变化速率≥2mm/day，且持续2天以上。

若监测值达到上述界限须及时报警，引起重视，综合分析，采取相应措施，控制位移与沉降，确保基坑施工安全。

7 实施效果

经数月的基坑围护、降水、开挖、基础底板浇注等施工，监测成果显示：基坑平面拐点最大位移4.5cm，围护结构体最大位移3.5cm，最大沉降3.0cm，沉降、位移等诸多数据均在规定范围内，控制效果良好，满足要求。由此可见：软土地区常见的平面形状复杂的浅基坑采用重力式水泥土挡墙形式进行基坑围护是安全可行的。

8 结语

1）软土地区平面形状复杂的浅基坑采用水泥土搅拌桩重力式挡墙进行基坑围护、基坑降水采用轻型井点预先降水可取得较好的效果；

2）本基坑平面形状不规则、变化大、周边长，平面的拐点处基坑阳角区域采用加宽重力式水泥土墙等措施予以补强；由于坑底均为深厚的软弱淤泥质土，在长边坑底被动区应进行搅拌桩加固处理；厚杂填土区、浜填土区采用换土垫层法措施予以处理；效果良好；

3）软土地区的基坑围护设计施工应充分考虑场地岩土工程条件、周边环境条件、基坑挖深、基坑大小、基坑形状等，基坑围护设计、施工前，应先查清地下室周边环境及地下管线的布置，做到精心设计、精心施工；

4）由于地下工程的复杂性与不可预见性，尽量做到“分层、分块、对称、平衡、限时” 开挖，做到信息化施，在施工过程中，根据实测数据综合分析，及时调整与优化施工。

本文参考了宝山区有关场地的资料，没能注明出处，在此致谢。

【参考文献】

[1]黄立雄.大型住宅小区大面积浅基坑围护设计方案优化[J].建筑施工，2013，36（5）：498-500.

[2]龚晓南.基坑工程发展中应重视的几个问题[J].岩土工程学报，2006，28（Supp.）：1321-1324.

[3]葛明军.基坑围护施工中特大自来水管道保护技术[J].探矿工程（岩土钻掘工程），2009，36（4）：66-69.

[4]王英锐，董红霞，黄新林.上海中心城区复杂地质条件下基坑围护设计与施工 [J].施工技术，2011，40（12）：35-37.

[5]卢辰.上海雪野路隧道工井不规则基坑围护设计与施工[J].施工技术，2010，39（11）：54-56.