块石回填淤泥基坑开挖施工及支护技术研究

张满红

(福建省建筑设计研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

福州、莆田、宁德等地滩涂存在大量的第四纪全新统海相沉积淤泥层，这些软土均具有含水率高、渗透性小、固结速度慢、压缩性高、力学强度低、灵敏度高等特性[1-2]，这些地区进行基坑开挖常出现基坑支护结构失稳、坑底隆起等工程问题，造成巨大的经济损失。合理的选择此类区域的基坑支护技术值得探讨。本文以福鼎某实际基坑支护工程为例，针对在基坑支护设计中遇到流态淤泥、丰富的基坑涌水及临近新建道路对基坑支护设计的影响等问题进行分析，并提出有效的解决办法，以供借鉴。

1 工程概况

福鼎某工程共分为5个地块，分别为7#、8#、10#、11#、12#地块，本文以8号地块基坑支护为例。场地北侧、南侧为拟建规划道路，西侧为拟建7号地块(原为养殖池塘)，两地块之间亦为拟建规划道路，目前北侧、南侧红线位置及红线外分布有养殖池塘(塘深约1.0 m～1.5 m，水深约0.3～1.0 m)，东侧为在建铁锵大道。地下室呈不规则方形。基坑周长约1000 m，基坑面积约24 000 m2，基坑开挖至底板垫层底约2.05 m～5.15 m，主楼承台挖深最深达6.3m。基坑支护结构安全等级为二级。8号地块包括7#、8#、9#、10#、12#、13#和15#，共8座拟建高层建筑。基坑支护总平图及周边环境如图1所示。

图1 基坑支护总平图及周边环境

2 工程地质条件

2.1 场地地质条件

场地内原始地貌主要为海湾冲淤积滩涂(潮间带)地貌，后因在场地外围修筑海堤，形成场地内水产养殖区，区内地表水充沛。政府交地前，场地大部分用碎块石(块径在5 cm～1 m间)回填整平，由于碎块石级配不良，孔隙大，在孔隙间藏有大量的地下水。地势总体较平坦、开阔。

2.2 场地岩土层结构及水文地质条件

基坑开挖影响范围内的土层，自上而下分述如下：

①1素填土(Qml)，松散状态，稍湿～湿，成分主要由粘性土等回填而成，局部含少量块石、碎石。近期回填，属欠固结土，层厚0.90 m～3.80 m。

①2碎石填土(Qml)：松散～稍密状，稍湿～饱和，主要由碎块石等回填而成，空隙间充填物主要为粘性土及砾石，下部夹少量淤泥。近期回填，属欠固结土，层厚0.80 m～4.00 m。

②淤泥(Q4m)：饱和，流塑状，主要由粉、粘粒组成，局部含少量石英砂粒及有机质。该层土的天然含水量超过60%，孔隙比大于1.675，该层全场地均有分布，最厚达20.00 m。

③、⑥粉质粘土(Q4al)：大多为可塑，成分主要由粉、粘粒组成，局部含少量石英砂粒。力学强度一般～偏低，层厚1.00 m～11.40 m。

④含泥细砂(Q4al)：稍密，饱和，含细粒石英颗粒及云母等，级配较差，局部含少量泥质，层厚1.00 m～7.80 m。

⑤淤泥质土(Q3al)：饱和，流塑～软塑状态，含少量贝壳有机物，该层主要在场地北侧有分布，层厚1.20 m～7.10 m。

⑦卵石(Q3al+pl)：饱和，呈稍密～中密状，卵石含量占55.9～70.2%(颗分结果)，粒径一般在20 mm～90 mm，孔隙间充填物主要为粘性土及砂性土，层厚0.50 m～14.20 m。

场地的孔隙潜水赋存于素填土①1、碎石填土①2中，场地原为养殖鱼、虾塘，场地内地下水混合稳定水位埋深0.1 m～2.7 m，受海水、大气降水的影响。因隔水层厚，含泥细砂、卵石孔隙中的承压水对基坑支护影响不大。

2.3 基坑支护结构设计参数

根据岩土工程勘察报告，基坑支护相关土层的物理力学参数详如表1所示。

表1 基坑支护设计相关土层的计算参数

3 支护结构设计

宁德地区淤泥具有含水率高、孔隙比大、强度低、高压缩性，触变性强、灵敏度高、结构性强等特性。在该地区进行一层地下室开挖，开发商出于成本考虑，往往不重视一层地下室的基坑支护，导致很多工程问题。

8号地块原为养鱼池塘，与周边未回填的鱼塘水力联系紧密；政府局部回填碎石移交给开发商，淤泥受扰动程度不一样，土层性质差异大；东侧为在建铁锵大道，需考虑基坑开挖对道路的影响。因此该基坑设计的重点、难点在于块石填土中围护桩成桩方法的选择、地下水的控制、基坑侧壁的止水及支护结构的整体稳定性控制、流态淤泥开挖施工的坑底隆起和边坡变形控制等。

若采用常规的双轴水泥搅拌桩止水，因表层用大尺寸碎块石回填，直接成桩困难，需先用钻机引孔，引孔成本高且工期长；若采用高压旋喷桩，因碎石间空隙大、含水率高，水泥浆难以和碎石填土拌合凝固为新的固结体，止水效果不好[3]。根据当地工程经验，块石回填土淤泥土层中采用钢板桩施工时，钢板桩能将块石挤入到周边的淤泥层中，具备成桩的可行性。综合考虑选用可循环使用、施工便捷的拉森钢板桩，环环相扣，沿基坑四周形成闭合止水帷幕。拉森钢板桩与土钉墙通过用双拼槽钢腰梁连接，形成整体，起拉锚作用，这样能达到挡土及止水的双重效果[6,7]。采用理正深基坑7.0软件进行支护设计，典型支护剖面如图2所示。

图2 基坑支护剖面图一

东侧紧邻在建铁锵大道，长约175 m。该侧路面行车荷载较大，在深厚淤泥软土层基坑，易产生坑底隆起及较大的侧向变形。综合考虑，采用坑内被动区加固来减少坑底隆起量，结合型钢+预应力锚索的支护形式来控制基坑侧向变形。基坑支护剖面图如图3所示。

图3 基坑支护剖面图二

4 施工中遇到的问题及原因分析

4.1 问题1：15#楼基坑出现坑底隆起、支护结构变形大，基坑开挖施工困难问题

主要原因分析：现场未按图纸施工，在开挖前，未形成闭合止水帷幕，且没有遵循分层、分段、均衡、对称开挖的原则。建设单位为了能尽早办理预售许可证，等不及政府完成场地的三通一平，局部主楼先行开挖。在开挖15#楼前，沿基坑四周未形成闭合止水帷幕，而只在15#北侧、西侧做支护，其他位置均未支护。在开挖过程中发现淤泥处于流态，无法成形，一挖就塌，造成地表开裂，裂缝最宽处约200 mm，裂缝平行于基坑支护结构的边线。分析其原因，首先该场地原为鱼塘，淤泥长期泡水，含水率高，强度低，其次15#主楼先行开挖，该处土体的自重应力释放，使得土体发生回弹变形，开挖场地周边的淤泥，都往开挖区域流动。局部开挖后，主动土压力和被动区土压力不平衡，使得该位置支护结构变形大，拉森钢板桩整体沉降，并向坑内倾斜，挤压土体，以致于出现坑底隆起现象[5]。

4.2 问题2：13#楼基坑出现基坑涌水量大，开挖施工困难问题

主要原因分析：15#楼基坑先行施工完成后，工程部又把目标锁定在相邻的13#楼。本以为有15#楼基坑开挖的经验，13#楼开挖会顺利，但遇到完全不同的情况——源源不断的基坑涌水。在开挖13#楼过程中，现场施工反馈，用多台大功率水泵联合工作，仍然无法满足基坑开挖条件。分析其原因，该场地原为鱼塘，后采用碎块石回填，而碎石填土层孔隙度大，透水性强，且与周边未回填的鱼塘水的水力联系紧密，地下水丰富。13#楼先开挖，导致基坑底部地势低，形成水力坡降，周边大量的鱼塘地表水对填土地下水的补给量大。通过观测场地外北侧养鱼池塘水位，发现二者水位相近。在未设置钢板桩止水帷幕的情况下，地势低的基坑成为周边场地汇水地区。

4.3 问题3：9#楼、10#楼基坑淤泥处于流态，出现淤泥流土严重，存在土体位移大，坡顶出现开裂、坑底出现隆起现象问题

主要原因分析：北侧13#、12#楼均无法先行开挖，工程部又转向南侧10#、9#楼。政府交地时，因8号地块仅北侧部分有回填，为便于桩基施工，现场工程部决定自东向西用碎石填土回填整平8号地块。而此时政府在8号地块南侧红线外自南向北回填。在开挖10#、9#楼基坑时，发现该范围内淤泥物理力学性质更差，不仅处于流态，直接往坑内涌动。探究其原因，南北两侧同时回填堆载，导致土体产生剪切破坏，滑裂面一旦贯通，出现流土现象[4]。由于淤泥的渗透系数低，透水性差，土体中的孔隙水或孔隙气来不及排出，产生超静孔隙水应力，水头高度明显高于场地内静止水位[8]。局部开挖过程中，随着回填土产生的淤泥超静孔隙水应力不断往非回填处开挖基坑的淤泥扩散，形成挤压淤泥带，土体位移变形大。

4.4 问题4：8号地块基坑东侧边坡出现变形过大问题

主要原因分析：东侧距离在建铁锵大道约20 m，基坑支护设计初期，铁锵大道处于建设中。工地因各种原因，停工8个月，再次复工时，铁锵大道已建成并通车。其路面标高比基坑支护设计初期高出1.3 m～2.3 m,该范围内淤泥厚约15.8 m～16.5 m。前期采用台阶式放坡+型钢(拉森钢板桩)+土钉墙支护形式，由于周边环境的改变已无法满足新环境条件下基坑的变形控制要求，造成东侧基坑边坡变形过大。

5 应急措施

现场未按图施工，出现问题后，施工单位迅速联系设计单位求助，设计方到场了解情况后，给出了应急措施，使得变形得到有效控制。目前8号地块基坑已回填，主楼也已封顶，证明按图施工，该支护方案可行。

(1)针对问题1、问题3，9#、10#楼、15#楼等基坑开挖进展举步维艰，经综合分析，按图2支护设计方进行施工，同时采用坡顶卸土是经济有效的处理方式。施工时将坡顶3 m宽范围内土进行卸土减荷，卸载高度大于1 m，最终顺利完成基坑开挖施工。

(2)针对基坑开挖过程中问题2，基坑地下水源源不断受到补给的情况，结合地勘报告，场地含水层的性质及现场开挖实况，周边鱼塘水位的涨幅与场地内水位标高相对应。基坑涌水源于周边鱼塘水补给及碎石填土埋藏的孔隙潜水，地下室开挖前，设置止水帷幕隔断坑内地下水与周边地表水体的水力联系，并在坑内采用集水明排是行之有效的措施。施工中通过设置拉森钢板桩,形成闭合的止水帷幕，顺利完成开挖施工。

(3)针对问题4，考虑到已建成的铁锵大道及已铺设的管线，东侧临近道路现状及支护环境条件的变化，该侧基坑的支护形式改为型钢+预应力锚索，被动区采用单轴水泥搅拌桩加固。因锚索在淤泥层中锚固效果较差，为保证有足够的锚固力，控制边坡变形，要求预应力锚索穿透淤泥层，进入卵石层不少于5.0 m，锚索轴向拉力标准值需通过现场拉拔试验来验证。典型支护剖面如图3所示。实践证明，该支护形式行之有效，较好地控制了边坡变形。

6 结语

福鼎等地滩涂的含块石淤泥具有高含水量、力学强度低、灵敏度高、渗透性小、固结慢等特点，此类软土基坑开挖易出现流泥、位移大、坑底隆起，基坑失稳等事故。软土基坑支护设计时应综合考虑周边环境条件、水文地质条件、工程地质条件、施工工况等合理选择适宜的基坑支护形式。当支护环境条件产生变化时，应及时调整支护方案。在有块石回填的滩涂淤泥一层基坑中开挖，采用拉森式钢板桩相此水泥搅拌桩具有较强的成桩可行性，且挡土、止水效果较好，结合淤泥被动区加固及锚入较好地层的土层锚杆，能较好地控制基坑边坡的侧向变形。

滩涂淤泥场地的回填状态对淤泥基坑开挖土体的稳定性影响较大，基坑开挖宜在场地回填完成后一段时间，待淤泥固结度提高后再进行，避免发生淤泥受扰动后土体产生过大的塑性流动或发生土体失稳。