复杂地质环境下大型深基坑工程支护技术<br/>——以泉州市公共文化中心工程项目为例

复杂地质环境下大型深基坑工程支护技术
——以泉州市公共文化中心工程项目为例

2019-01-09肖泽泓黄端权

福建建筑 2018年12期

肖泽泓黄端权

( 1.安徽建筑大学安徽合肥 230601；2.福建省第五建筑工程公司福建泉州 362000)

0 引言

目前，国内常用的深基坑支护结构，主要有灌注桩排桩支护地下连续墙支护土钉墙等，并辅以内支撑锚索等支撑形式，各自的适用条件及效果差异较大[1-5]，需要根据基坑尺寸及深度周边环境地质情况等具体条件，灵活选择合理的基坑支护结构，以确保基坑工程安全。

泉州市公共文化中心，位于泉州东海新区，属于沿海城市低海拔区域，地下水位高，杂填土及淤泥等软土层较厚，孤石多，设计基坑面积大且深，地质环境复杂，可借鉴的工程案例少，支护结构的选择及施工难度大，不确定性风险高。因此，本文拟总结该项目的支护结构设计及施工经验，为类似环境下大型深基坑工程的支护结构选择及施工提供借鉴。

1 基坑工程概况

泉州市公共文化中心，用地面积129 629m2，基坑近似360m×310m的矩形，项目设一至两层连体地下室，地下室总建筑面积192 219m2，基坑开挖深度约10.94m～11.91m，整个基坑支护周长约1500m，属于超大型深基坑工程，基坑侧壁安全等级为一级，重要性系数为1.10。

2 工程重难点分析及应对措施

(1)周边环境复杂

该项目施工场地，位于丰泽区东海片区综合大道与景观西路交汇处，场地四周均为新建道路，邻近基坑西北侧为景观西路北侧综合大道(图1)，绿化带埋设有污水管电缆天然气管道等地下设施，地下管线埋深1m～3m，与基坑最近距离约6m(处于基坑开挖深度范围以内)，受基坑工程施工影响大，不具备采用放坡开挖的条件。

图1 基坑及周边道路平面图

为了避免因基坑内大面积降水而导致周边土体沉降变形，进而破坏周边道路及市政管线设施，该项目工程宜采用灌注桩排桩支护+截水帷幕，并加强相关变形监测，制定完善的基坑监测方案。

(2)地质条件差，开挖深度深，基坑面积大

图2 工程地质典型剖面图

根据地勘结果(图2)，该项目工程拟建地下室基坑开挖范围内土层，主要为素填土①淤泥②粉质粘土及中砂③残积砂质粘性土④全风化花岗岩⑤层，基坑侧壁稳定性差。基坑底土层主要主要为残积砂质粘性土④，个别区域为粉质粘土及中砂③ 全风化花岗岩⑤及碎块状强风化花岗岩⑦，其中，残积砂质粘性土④和全风化花岗岩⑤，具有遇水易软化易坍塌强度较低等特性,抗剪强度较差，且基坑开挖时在局部区域存在突涌等不良影响。开挖土层处于杂填土淤泥等软土层厚度较深(超10m)，上部土体承载力低，整体稳定性差，且基坑开挖深度深，采用单一的灌注桩排桩支护结构悬臂端过长，在土侧压力作用下易出现过大变形而倾覆，故基坑支护需要增加支撑。

但由于基坑面积大，且需分区施工，不适合采用内支撑体系，因而选择多道预应力锚索来约束排桩支护变形的拉锚形式，以确保基坑侧壁安全稳定。此外，由于地质条件差，部分预应力锚索位于杂填土及淤泥等软土层中，土体与锚固体极限摩阻力低(10～20kPa)，采用普通的预应力锚索施工效果极差，锚固力低，故需设计为扩孔锚索以提高锚固效果，确保施工质量。同时，设计时需充分考虑周边浅部埋有地下管线的情况，适当调整了锚索间距及深度。

(3)孤石多，施工难度大

基坑范围内除表层覆盖较厚的杂填土淤泥等软土外，还存在大量的孤石(图2)，给支护结构施工带来很大的困难。因此，针对预应力锚索扩孔施工时，需金刚钻头和扩孔钻头配合使用，先采用金刚钻头取孔钻进孤石，再换扩孔钻头施工扩孔，方可确保锚孔施工质量及效率。

(4)地下水位高

该项目工程场地的地下水，主要为赋存于填砂孔隙中的潜水，以及花岗岩风化岩层孔隙～裂隙中的承压水。场地地下水混合水位标高4.20m～4.50m，在基坑开挖深度范围内，对地下室施工影响较大；在二层地下室基坑开挖部位，当含水层上覆的相对隔水层厚度较小时，基坑开挖时场地内的承压水有可能产生突涌现象，必须采用止水或降水方案并加强水位监测管理。

①基坑降水

主要采用高压旋喷桩止水与井点降水法相结合，沿排桩外围施工高压旋喷桩形成悬挂式止水帷幕，并在基坑内布置降水井，共计153个，井深13m(土方开挖至-7m左右开始打井)，采用负压降水。同时，应对止水帷幕质量严格控制，如控制桩的垂直度两桩搭接排桩与旋喷桩间距等。土方开挖前，需对坑内进行试降水，检查止水效果，以确保开挖后不出现大面积漏水。

②基坑排水

坡顶四周应设排水沟和集水井，以排除地表滞水，四角直线边间隔20m～40m设集水井，集水井比沟底深0.5m，根据地形采用泵排水或自然排除。所以，在开挖过程中，设置临时排水沟(或盲沟)，并酌情在坑底(间隔20m～40m)设若干集水井，采用污水泵抽水，明沟和集水井随开挖深度加深，抽水排到坑外明沟，经集水井沉淀后排入市政下水道。排水沟布置如图3所示。

图3 排水沟布置示意图

图4 基坑分区及支护剖面范围示意图

(5)基坑工程工作量大，工期短

基坑规模大，周边环境及地质情况变化大，且工作量大工期短，故需要分区域进行基坑支护结构设计，并分区组织流水施工。根据上部建筑情况，将基坑分为6个区14种剖面类型施工(图4)，先进行1区2区5区6区施工(上部有主楼)，再进行3区和4区施工，并根据开挖深度及周边环境条件进行支护结构设计。典型区段的支护结构如图5所示：上部采用放坡加土钉支护(2道锚管)，局部剖面坡顶增加竖向锚管加固土体，下部采用灌注桩排桩支护，桩径1000mm，间距1300mm，桩间采用双重高压旋喷桩止水，并根据不同区段地质情况和开挖深度，设计2～3道预应力锚索，部分区段(位于厚软土层中时)锚索采用扩孔锚索；一层和两层地下室交接部位(剖面14)采用3道锚管+木桩组合支护系统；除了整个基坑四周采用排桩支护+预应力锚索支撑外，场内前后施工的两个区之间(1区与3区，5区与3区，2区与4区，6区与4区)采用放坡开挖，分层分段，交接部位留设临时施工道路三级退土，并沿3区向4区退土，完成整个基坑开挖及支护工作。

图5 典型区段的支护结构剖面图

3 工艺流程及施工技术要点

3.1 工艺流程

测量放样→灌注桩排桩施工→双重管高压旋喷桩施工→第一级土方开挖至灌注桩冠梁垫层底标高→上部放坡加土钉施工(2道锚管)→下部第一道预应力锚索施工(部分剖面为扩孔锚索)→第二级土方开挖至第一道腰梁垫层底设计标高→第二道预应力锚索施工→继续开挖土方，施工锚索→土方开挖至地下室底板垫层底设计标高。

其中第一级土方开挖细化工艺流程如下：

坡顶竖向锚管施工→挖至第一道锚管设计标高，按要求放坡→施工第一道锚管→布钢筋网加强筋→喷射C20素砼，厚度按设计要求→挖至第二道锚管设计标高，按要求放坡→施工第二道锚管→布钢筋网加强筋→喷射C20素砼，厚度按设计要求→挖至冠梁垫层底标高→施工第一道预应力锚索→施工冠梁。

3.2 施工技术要点

由于周边环境复杂，地质条件差，地下水位高，基坑周边市政道路管线多而近，基坑内杂填土淤泥等软土层厚孤石多，季节性降水量大，施工情况复杂，因此在施工中要随时关注施工技术要点。如：在软土层中采用普通的预应力锚索锚时，易出现严重的孔洞涌水涌沙塌孔等现象，导致第一次注浆易被返水流走；采用封堵办法注浆时，水泥浆会从外侧边坡返出，锚索无法成孔，而第二次压力注浆虽不返浆但无压力，且在超出设计注浆量的情况下会出现从边坡上冒浆，并导致边坡开裂。

(1)在淤泥层上打桩施工时，应保证机器设备安放的稳定性，护筒埋设需准确，周围用粘土回填夯实，避免孔斜。如果必要，采取局部换填或铺设周转性钢板的方式进行场地平整加固。

(2)由于基坑上部多为杂填土及淤泥，土体承载力低，因此采用机械开挖分层放坡时，计划安排可靠合理的车辆行走道路，对表层土体无法满足行车要求的区域，采用换填或铺设钢板的措施，避免支护桩及工程桩由于土体挤压扰动而产生偏移等现象。

(3)锚索施工前，应先核实周边市政管线深度，并建议采用BIM技术进行激光扫描和实体建模，通过碰撞分析局部调整锚索布置，避开地下管线。

(4)软土层较厚的区域，采用扩孔式预应力锚索施工工艺，锚固段扩孔孔径500mm，自由段成孔直径150mm；预应力锚索拉杆采用4根直径15.2钢绞线制作，每根钢绞线由7根直径5mm的钢丝组成，拉杆钢绞线采用隔离架隔开，隔离架绑扎间距端部为1000mm，中部及顶部为2000mm，隔离架采用厚度3mm铁板制作，提高锚固效果。

(5)采用扩孔锚索替代普通锚索施工时，先用钻机带水泥浆(水灰比0.7)引180mm口径孔到设计深度+50mm，再用旋喷钻头钻杆下锚索至设计深度，最后按设计要求旋喷锚索锚固段。

(6)普通锚索施工时，在易塌孔区段，宜采用水泥浆护壁成孔，注浆时统一按3次注浆方式(采用3根注浆管)，一次常压注浆，二三次为高压注浆，以提高锚固力。

(7)由于地下水位较高，在钻进的过程中，若遇到大量涌砂涌泥现象时，加大锚孔倾角，在自由段加设钢套管并适当向外延伸，提高套管外端口标高，以平衡水压。

(8)遇到孤石时，先采用金刚钻头取孔，套管跟进，穿过孤石后，取出金刚钻头，换上扩孔钻头继续施工，一次扩孔成型率高，确保了扩孔效率及质量。

(9)锚索施工结束后，进行拉拔力试验检测，合格后进行下一道工序施工。