深厚砂层中深基坑支护设计及止水措施

2022-11-17赵志孟王建强刘慧芬

工程质量 2022年10期

赵志孟，王建强，刘慧芬

（1.深圳市勘察研究院有限公司，广东广州 518026；2.广东智云工程科技有限公司，广东佛山 528000；3. 佛山科学技术学院交通与土木建筑学院，广东佛山 528000）

0 引言

随着社会经济的飞速发展，国内基坑工程的数量也随之增多，基坑逐渐向着大深度、大面积方向发展，由于地下土体性质、周边环境的复杂性等，基坑开挖与支护的难度越来越大。基坑开挖过程中，常遇到基坑壁过量位移或滑移倒塌、坑底卸荷回弹（或隆起）、坑底渗流（或突涌）、基坑流砂等基坑稳定性问题，特别是在近水砂层的地质条件下，进行基础开挖时，当基坑开挖至地下水位线以下时，从基坑中抽排水，由于渗流会产生动水压力，出现流砂现象［1］；对于坑底以下存在承压水的深基坑工程，当基坑开挖导致上覆不透水层过薄，承压水将顶裂或冲破基坑底部，引发突涌事故［2］，而且基坑突涌是一种非常有害的地质作用，其发生时坑底发生流砂、喷水、冒砂等现象，严重时将会导致基坑失稳［3］。所以，止水问题在超深砂层下开挖基坑中是非常重要的。本文将通过一个具体深基坑支护工程的案例，来阐述深厚砂层地质条件下基坑支护设计［4］以及止水措施。

1 工程概况

1.1 基坑位置及技术特征

项目拟建场地位于北海市银海区境内，基坑东北侧和西北侧均邻近道路，西南面邻近某住宅小区。本基坑开挖深度 4.4～12 m，存在坑中坑，基坑支护长度 626 m（长度为基坑顶边线长度），主要支护方案为支护桩+搅拌桩+锚索，部分剖面辅以放坡的形式。支护桩长 10.5～20.5 m，止水桩长 13～21 m。

1.2 工程地质情况

根据野外钻探揭露，拟建场地分布的地层有人工填土、第四系中更新统北海组冲洪积层和第四系下更新统湛江组冲洪积层。各地层野外特征自上而下分层如下：人工填土（Qml）①，褐灰色，新近堆填，结构松散；第四系中更新统北海组冲洪积层（Q2bal+pl）：含黏性土中砂②灰黄色，干硬湿软，松散状态，含黏性土砾砂③，褐黄杂褐红，稍密状态，粗砾砂④多色，级配较好，稍密状态，黏土④1浅灰，可塑状态；第四系下更新统湛江组冲洪积层（Q1zal+pl）：黏土⑤浅灰，硬塑态，粗砾砂⑥浅灰，饱和，中密状，黏土⑥1浅灰夹淡红色，可塑状态，黏土⑦浅灰、淡红色，硬塑态。其典型地质剖面图如图 1 所示。

本次研究为基坑北侧的部位，即剖面 L-M 段、M-N 段、N-C 段、C-D 段、D-E 段，该部分剖面段基坑开挖深度为 9.7～12 m，基坑平面布置如图 2 所示。基坑各土层基坑支护设计主要物理力学指标值如表 1 所示。

1.3 基坑场地水文特征

场地内未见地表水系。地下水主要分为二种类型：一类为孔隙潜水，另一类为孔隙承压水。孔隙潜水主要赋存于场地的粗砾砂④中，场地黏土⑤和⑦层属相对隔水层，受其影响，赋存于粗砾砂⑥层中的地下水应为孔隙承压水。场地内的孔隙潜水稳定水位埋深为1.80～6.45 m，水位标高为 5.82～6.87 m；场地内的孔隙承压水稳定水位埋深及其水位标高与孔隙潜水稳定水位大体相当，该孔隙承压水局部具有一定的压力水头，水位高出粗砾砂⑥层顶部一般约为 5～10 m 不等。场地地下水位变化幅度为 1.0～3.0 m。

表1 各土层基坑支护设计主要物理力学指标值

1.4 基坑监测方案

本工程监测内容包括坑顶水平及沉降位移监测、基坑水位观测、桩身深层水平位移观测、锚索内力观测，同时对施工中出现的渗水漏砂现象进行监控；其中，地下水位监测通过孔内设置水位管，采用水位计进行量测，潜水水位管在基坑施工前埋设。监测平面布置图如图 2 所示。

图1 典型地质剖面图（单位：m）

2 基坑支护设计方案及技术难点

图2 监测平面布置图

2.1 基坑支护设计方案

本段基坑采用 8 0 m m 厚挂网喷面放坡+φ8 0 0@6 0 0 搅拌桩+φ8 0 0@1 2 0 0 支护桩+2 ×3φS15.2L 预应力锚索，锚索长度为 24.0 m 和 18.0 m。

坡面喷射混凝土原材料采用干净的中粗砂和粒径＜15 mm 的砾石，配合比为水泥∶砂∶碎石=1∶2∶2.5。喷料应搅拌均匀，随搅随用。喷射时，应控制好水灰比为 0.5～0.55，保存混凝土表面平整，呈湿润光滑无干斑或流淌现象（水泥采用 P·O42.5 的普通硅酸盐水泥）。喷射作业时，喷头应与锚索墙面保持垂直，其距离宜为0.6～1.0 m。

锚索水泥浆液采用 P·O42.5 普通硅酸盐水泥，水灰比为 0.5～ 0.55，第一次注浆压力为 0.5～ 1.5 MPa，第二次注浆压力为 2.0～ 3.0 MPa。

基坑支护剖面参数统计如下。

1）放坡段。坡高 3.0 m，坡比 1∶1.5，坡面 8 0 m m 厚挂网细石混凝土，φ6.5@250×250 钢筋网，并打短钉，短钉长度为 1.5 m，间距 1.5 m。

2）支护桩。φ800@1 200 灌注桩，桩长为 11.3 m。

3）锚索。锚索长度分别为 24.0 m 和 18.0 m，采用预应力锚索 3φS15.2L，水平@2 400，锚固长度分别为 17 m 和 12 m，入射角度为 30°。

4）止水桩。φ800@600 搅拌桩，桩长为 16.0 m。

基坑北侧典型剖面大样图如图 3 所示。

在剖面大样图 3 中可以看出：基坑底部以下均为砂层，支护桩底部位于第二层砂土（粗砾砂）中，本次设计的止水帷幕穿透粗砾砂层位于黏土层中。

2.2 技术难点

深厚砂性土层深基坑支护工程的关键问题在于基坑的变形控制和地下水的控制。对本工程而言，主要需解决的技术难度如下。

1）基坑上部砂层较厚，厚度达 15.9 m，并且地下水位较高，水量丰沛，锚索在钻孔过程中容易发生涌水涌砂的现象，造成塌孔，不能够有效成孔。

2）水泥搅拌桩初凝一般需要 3 d，由于场地砂层较厚且砂层透水性大，水泥浆液易被流动的地下水稀释或流失导致不能成型，因此水泥搅拌桩在富水砂层中容易失效。

3）本基坑坑内降水采用降水井的形式，在施工过程中，需要对降水井抽水过程中的含砂量进行监控，预防涌砂现象。在开挖过程中，需加强基坑的巡查，发现周边的漏水点，并采取有效措施进行止水。

3 止水遇到的问题及解决方案

根据 JGJ 120-2012《建筑基坑支护技术规程》，本基坑工程安全等级为一级，根据现场地质情况，采用直径 550 mm 搅拌桩进行引孔，再施工直径 800 mm 的搅拌桩进行止水并结合降水井进行坑内降水。按照：整平场地→施工支护桩→施工止水桩→施工锚索→施工冠梁→张拉锚索→第一层土方开挖→施工腰梁→施工锚索→土方开挖依次循环施工。

3.1 深厚砂层富水下成桩质量问题

水泥搅拌桩在施工前首先要进行成桩试验，钻孔抽芯检测数量不少于总数的 1 %且不少于 5 根，由于地下水位较高，在水压作用下可能会在成桩过程中，造成水泥浆被水流稀释，出现抽芯不见水泥的现象，造成水泥搅拌桩无法成桩或者成桩质量低，止水帷幕失效。水泥搅拌桩作为止水帷幕失效的原因大致可以分为两点。①桩搭接长度不够、水泥掺入比不当等参数设计问题；②施工管理不到位，桩身垂直度偏差较大、打桩间隔过长、断浆等。针对上述问题本工程采用工艺比选的测试方法来挑选适合本工程的施工工艺。

对基坑北侧进行试桩工作，以验证水泥土搅拌桩喷搅工艺效果，共设 9 处试桩点，3 处为一组，分为 A、B、C 组，分别对该三组试点进行一喷两搅、两喷两搅、两喷三搅的施工工艺，通过对测试桩进行抽芯、声波透射检测，结果显示如下。

1）A 组一喷两搅测试桩桩体完整性较差，3 根测试桩桩长均不足，且均匀性较差，耗时短。

2）B 组两喷两搅测试桩状体完整性和均匀性均良好，桩长偏差小且符合规范要求，耗时较大。

3）C 组两喷三搅测试桩桩体完整性较好，均匀性介于 A 组和 B 组之间，桩长偏差小，耗时最长。

对比 A、B、C 三组测试桩结果可知，成桩质量与喷浆量正相关，同时也与施工参数的设计息息相关［5］，因此，采取如下措施。

1）水泥搅拌桩应穿透砂层进入黏土层，阻断基坑外侧高水头富水砂层中地下水在止水帷幕底端绕流，施工过程中若发现局部地段深搅拌成桩困难，可采用桩间高压旋喷、花管注浆等方法替代深层搅拌桩形成止水帷幕，确保止水帷幕闭合。

2）为减小水泥搅拌桩水泥浆液稀释程度，应严格保证每米水泥掺入量和采用低水灰比，控制喷浆浆液水灰比在 0.5～0.6，水泥掺量约为 170 kg/m，水泥掺量为 18 %，钻进和提升速度≤1.5 m/min，同时掺入一定比例速凝剂，减少水泥浆液的初凝所需时间。

3）严格控制水泥搅拌桩的机械垂直度和搭接长度，避免因垂直度偏差过大造成止水帷幕漏缝，确保桩与桩之间搭接长度为 20 cm，桩身垂直度偏差≤1.0 %，桩位偏差≤2.0 cm。

3.2 锚索施工涌水涌砂问题

根据设计要求采用两道锚索，第一道锚索位于 -3.2 m 处，第二道锚索位于 -6.8 m 处，两道锚索均处于粗砾砂层中，地下水位位于 -5.82 m，第二排锚索开孔位置位于地下水位以下约 1.5 m，需在水下成孔，当锚索桩孔穿过止水帷幕时，在高水头压力作用下，由于砂层的黏聚力低，极易出现涌水涌砂的现象，本工程锚索各剖面均有分布，总锚索数 724 根，地下水位以下锚索 372 根；存在于地下水位以下中粗砂土层中的 372 根锚索在施工中存在风险。当进行大面积的锚索施工时，可能会使得止水桩坑外侧的砂层大量流失，其累计效应可能会造成周围地面沉降甚至塌陷，采取如下方法以应对施工过程中的涌水涌砂风险。

1）开孔。开孔直径 160 mm，入射角度 30°，预先采用小型开孔钻机进行开孔，对支护桩开孔时预留100 mm 的厚度，以避免直接开孔后跟管钻进施工的间隙时的涌水涌砂。

2）成孔。锚索钻机就位，对预先开孔部位跟管钻进，同一步的后续施工物资及人员就位，当钻机打破预留厚度时，压入第一节套管，以钻机钻压和自重平衡孔口水土压力，随后用堵漏材料封堵套管与孔口间隙。当第二节套管加管时，随着渗流路径的增大，涌水涌砂风险逐渐降低。

3）安放锚索及一次注浆。依据下料长度形成的成孔深度，对锚索自由端涂润滑油和套塑料袋后放入孔内，注浆管随杆体放入孔内，在锚索孔口外侧绑扎止浆袋，并预留好注浆管。注射过程中时刻关注注浆量和注浆泵的工作压力，待浆液从空口溢出时完成注浆。

4）封孔及二次注浆。一次注浆后拔出套管时孔口仍有涌水涌砂风险，以绑扎止浆袋解决该问题，在一次注浆拔出套管的瞬间，马上向止浆袋内注入早凝水泥浆液，完成孔口封堵，在一次注浆完成后 4～6 h 进行二次注浆。止浆袋设置如图 4 所示。

图4 止浆袋设置示意图

5）墙后注浆。尽管上述施工过程对砂土的流失进行了有效的控制，但仍不可避免地存在部分流失情况，因此通过对基坑外围打入注浆花管进行注浆处理，以保证基坑周边环境稳定。

4 施工效果评价

对现场本文研究区各剖面选取监测点对第二排锚索进行分析，MG-7 标准值 240 kN，锁定值 170 kN；MG-10 标准值 205 kN，锁定值 145 kN；MG-12 标准值250 kN，锁定值 175 kN；MG-14 标准值 240 kN，锁定值 165 kN。其锚索内力变化曲线如图 5 所示。

可以看出，锚索工作后，其内力值整体出现一定的增长，并趋于稳定。MG-10 监测锚索前期出现了一定的应力损失，但并未低于设计值的 70 %，锚索正常工作。

采用上述方法有效的解决了预应力锚索在饱水砂层成孔施工过程中出现的涌水涌砂问题，完成了本工程饱和砂土中 372 根锚索的施工任务，同时采用墙后注浆的方式对施工中不可避免产生的砂土流失进行了处理，保证了基坑周边环境的安全，降低了墙后土体沉降的风险。