复杂环境下花岗岩残积层地区超大型基坑施工技术

2021-11-05张利锋

建筑施工 2021年7期

张利锋

上海建工四建集团有限公司上海 201103

1 工程概况

深圳大学西丽校区建设工程（二期）位于深圳市南山区学苑大道，南侧为学苑大道，西侧为笃学路，北侧为二线关路，东侧为南科一路，如图1所示。本工程总建筑面积约29.4万 m2，包括中央图书馆综合楼、法商学部、行政办公与专职科研用房等，共9栋，以及地下室、室外工程。

图1 二期工程建设场地航拍鸟瞰

基坑底周长约1 292.86 m，基坑支护范围面积约79 109.68 m2，估算基坑土方量约100万 m3，基坑深度在11.20～15.50 m之间。主要采用桩锚支护和放坡土钉墙支护这2种形式，地下室出入口共有4个坡道需要支护，均采用放坡＋土钉墙的形式进行。可见本项目基坑属于超大型基坑，开挖面积大，弃土量巨大，施工协调难度大[1-2]。

2 工程地质概况和周边环境

2.1 工程地质情况

场地原始地貌单元属丘陵及丘间沟谷，地形较复杂，大部分场地已经人工改造平整，场地内地下水含水量较丰富，补给来源主要为大气降水和邻近地下水的侧向径流补给。地下水稳定水位埋深为0.10～6.70 m，场地地下水季节变化幅度1～2 m。场地内地层主要有：第四系人工填土层、第四系冲洪积层、第四系坡积层、第四系残积层及燕山晚期花岗岩。施工所涉及的土层为：①1素填土、①2杂填土、②1粉质黏土、②2淤泥质粉质黏土、②3砾砂、③含砾粉质黏土、④砾质黏性土、⑤1全风化花岗岩、⑤2强风化花岗岩、⑤3中风化花岗岩、⑤4微风化花岗岩。本项目开挖深度为11.20～15.50 m，主要在人工填土层、粉质黏土层和砾质黏性土进行土体开挖。而围护桩将进一步嵌入全风化花岗岩层。值得注意的是，本场地浅表土主要是由燕山期花岗岩风化残积而形成，因此将会在场地范围内出现花岗岩风化球，这将会对围护桩的施工造成一定的影响。

2.2 周边地上及地下建（构）筑物分布情况

基坑附近有在建箱涵隧道结构和已建长西引水渠工程，如图2所示。由图2可见，本项目东侧与南侧现有长西引水渠与本项目基坑围护桩东南角相互冲突，长西引水渠在基坑施工红线范围以内。

图2 箱涵及长西引水渠位置示意

本项目北侧在建箱涵隧道结构，全长298 m，共分为9节段。采用明挖法施工。箱涵结构与本项目基坑围护桩间距14 m，因此，基坑开挖过程将可能对箱涵隧道变形产生不利影响。场界内部已明确存在燃气管、弱电管，且位置确定，部分弱电管与基坑围护冲突。

3 基坑围护结构施工主要措施

3.1 围护桩主要施工措施

本项目主要采用钻孔灌注桩结合锚杆的形式进行基坑支护，典型的围护结构如图3所示。钻孔灌注桩采用旋挖钻机成孔。为最大程度地保证施工进度，制定了围护桩的施工顺序：围护桩施工由公共教学楼开始施工，依次为图书馆综合楼→公共教学楼→法商学部→行政综合楼。受到引水渠改道施工影响，法商区支护桩无法施工闭合，故先施工教学楼区支护桩，在引水渠改道完成之后，再施工行政楼区域支护桩，详细路线如图4所示。为保障桩基质量，旋挖成孔应跳桩施工，并在混凝土灌注后24 h方可进行邻桩施工。

图3 桩锚支护

图4 围护桩施工方向示意

由于场地为花岗岩风化场地，围护桩成孔过程可能遇到大块孤石、花岗岩球形风化体，此时采用冲击钻头破碎孤石或球形风化体，冲程不宜过高，以免因对孔底振动较大而引起坍孔事故，然后通过用冲抓锥抓取排除冲击形成成小块的孤石。如此循环直至穿越孤石或球形风化体。

3.2 旋喷桩施工措施

由于场地地下水位高，为形成有效的止水帷幕，通过在支护桩间设置旋喷桩，通过旋喷桩与支护桩共同作用进行全封闭截水。旋喷桩采用三管旋喷法施工。

喷射时，应先达到预定的喷射压力、喷浆旋转30 s，水泥浆与桩端土充分搅拌后，再边喷浆边反向匀速旋转提升注浆管，提升速度为10～20 cm/min，直至距桩顶1 m时，放慢搅拌速度和提升速度，并保证桩顶密实均匀。中间发生故障时，应停止提升和旋喷，以防桩体中断，同时立即检查排除故障，重新开始喷射注浆的孔段与前段搭接不小于1 m，防止固结体脱节。

3.3 预应力锚索施工措施

本工程预应力锚索设计孔径为φ 150 mm，锚索长度20～25 m，规格为4×7φ5 mm锚索。锚索的注浆材料为P·O 42.5水泥。孔径不小于150 mm，钻孔倾角25°～35°，倾斜度允许偏差为3%，孔深应超过设计长度0.5 m，根据地质变化情况控制钻进速度，保证成孔方向。遇到坍孔时，采用增加泥浆比重或全套管法成孔。在锚索钻孔过程中，应该核对钻孔长度范围内是否存在地下管线，若发现管线与钻孔冲突的情况，应该及时报告，调整设计方案。

混凝土强度达到设计要求，锚固体强度大于15 MPa并不小于设计强度的75%后，方可进行张拉锁定，每根锚索均应按设计拉力的1.1倍进行预张拉。正式张拉宜分级加载，每级加载后应恒载3 min，记录伸长值，直到为设计锚固力值的80%，最后一级荷载应恒载5 min，记录伸长值。

3.4 喷射混凝土施工工艺

本项目喷锚面积约13 687 m2。喷射混凝土强度为C20，厚度为100 mm。采用的水泥材料为P·O 42.5R水泥，砂为中粗砂，粗骨料粒径不宜大于15 mm，参考质量配合比为水泥∶砂石=1∶4.5，计划安排2台喷锚机施工。

喷射混凝土应分层分段进行，同一分段内喷射顺序自下而下，喷射第1层混凝土，厚度为30～50 mm，其后每一次喷射厚度为50 mm。喷射时应掌握好喷头与受喷面的距离、角度，控制好水灰比和喷头运行轨迹，确保混凝土密实、表面平整，喷射混凝土终凝后2 h洒水养护。

3.5 土方开挖主要施工措施

本基坑总面积约7.9万 m2。土方开挖采用盆式与中岛式交替开挖的原则，总原则严格实行“分层、分段、分块、留土护壁、限时开挖”的原则，将基坑变形带来的对周围设施的变形影响控制在允许的范围内。在开挖至锚索层时采用中心岛式挖土以保证锚索腰梁可以先行施工，同时保证锚索腰梁强度的形成和锚索的张拉。开挖过程中随挖浇筑垫层并进行结构施工。土方开挖严格控制挖土量，严禁超挖。

为使土方开挖和基坑围护施工能够顺利穿插进行，考虑锚索腰梁施工及锚索张拉应在达到锚固体设计强度80%，且大于15 MPa后方可进行的要求，一般灌浆完成后10 d可以张拉锁定。故将现有基坑分为两大区块：高标高区和低标高区，各区域内各自形成相应循环施工穿插，各区再进行循环施工，保证各区的腰梁施工和锚索张拉等待期间不影响整体挖土施工。保证现场施工的有序搭接，如图5所示。

图5 施工工况搭接

4 场地施工的主要难点及对策

本项目位于深圳，属于亚热带季风气候区，夏季长且雨量大，气候因素对基坑施工影响大。另外，施工区附近地下建（构）筑物复杂，众多市政管道在场地内外均有分布，开挖施工影响大。此外，开挖土方量大，工期紧，应优化开挖次序，确保工程顺利完成。本项目的其他施工难点及对策可归纳如下：

1）本项目北高南低，在支护及挖土施工阶段，深圳5—9月为多暴雨和多台风时期，对施工进度和施工安全影响较大，防汛排涝为本工程重中之重。解决方案：在基坑坡顶位置及基坑坡脚位置设置排水沟，基坑未开挖至坑底时，基坑中设置明沟与临时集水井，基坑的开挖逐步加深，明沟断面采用梯形，沟底宽度0.3 m，临时集水井每隔50 m开挖一处直径0.5 m、深1 m的集水坑，用挡土板作为临时支护，井底铺厚0.3 m的砾石，以防泥沙堵塞水泵。再用抽水设备将集水井中的水排至坑顶排水沟排除。坡顶及坡脚排水沟设置如图6所示。针对项目北高南低的现象，设置放坡区，采用喷射混凝土加固，在坡顶位置设置排水沟，在排水沟两侧设置集水坑，采用抽水设备将集水井中的水排至坑外的排水沟，以减少雨水流入下部基坑而导致下部基坑大面积积水的现象。

图6 排水沟示意

2）周边环境复杂，北有正在施工的丽康路下沉隧道，东侧、南侧有西丽水库引水渠，场地内外分布有众多市政管线。基坑开挖将会引起邻近建（构）筑物发生大位移甚至结构破坏。解决方案：制定引水渠保护方案，并实时监控基坑开挖对渠道的变形影响，在施工过程中，尽可能减少重载车辆对引水渠的影响，若无法避开，除钢筋混凝土硬化措施外，在引水渠保护范围内增加铺设钢板。对于临时建筑的设置，禁止集中堆载，办公区基础设置以尽可能减少引水渠受力为原则。目前箱涵隧道也在建设中，随时关注隧道的建设情况，并在隧道内设置沉降和水平位移观察点，掌握隧道变形动态，及时调整施工方案。对于场地内外市政管线，首先，通过物探、坑探等手段查明场地内的管线分布，联合各家权属单位对场地内的管线进行改迁工作。对于场地外的地下管线，应该标记其位置、埋深，特别注意管线是否与锚索施工存在空间上的相交可能，如发现管线位置恰好与锚索位置相交，应该及时调整锚索角度和长度，以避让管道。在进行锚索施工前，应该再次通过物探校核，以确保锚索钻孔安全。在基坑开挖过程中，加强对地下管线变形的监测，每日汇报管线的变形数据。

3）工艺工序多、流水作业多、交叉节点多，施工组织要求详细。解决方案：为保证总体工期要求，需要按期提供土方挖运、支护桩、搅拌桩、锚杆索、喷射面等施工作业面信息，须投入充足的设备、人员，科学合理组织施工，加强现场管理，确保按期完成。制定详细可行的施工方案，按照施工进度计划安排相应工班进场施工。指派专人（施工员）进行跟进协调，避免工艺冲突或工艺脱节。

5 结语

深圳大学西丽校区二期工程超大型基坑所处地层为典型的花岗岩残积土地层，基坑开挖面积大，采用旋挖桩结合锚索作为主要的支护结构，通过支护桩间施工旋喷桩形成止水帷幕。基坑周边存在复杂的结构物，如在建箱涵隧道、引水渠以及密布的地下管道。基坑施工过程有可能对邻近的结构物产生不利影响。通过施工措施优化和提出相应的解决措施，顺利完成了该超大型基坑的施工，施工经验可以为类似工程提供借鉴。