晋城东河河道高层建筑地基处置技术分析

宋晓琼

（晋城合为规划设计集团有限公司，山西 晋城 048000）

0 引言

山西省晋城市为典型的山地型城市，其城区属于典型的盆地型地貌，四周群山环绕，总体呈现“四周高、中间低”的地形形态。城区盆地内部亦不平坦，整体呈北高南低的缓倾状；区内发育一系列的近南北向褶皱带，经受长期侵蚀，以褶皱凹陷处为基座，形成了城区内部的河流分布格架。区内河流主体均呈近南北向，流向均为自北向南流，具有较大的水力坡度（平均约0.1）。河槽内覆盖层以粉质黏土层、卵石、角砾等冲、洪积层为主，其相互之间交叉出现，越近河道中心，越显杂乱无序，呈现典型的山间河道冲洪积堆积特征。投资者计划在这样的河道上建设高层建筑。本文在概述岩土环境的基础上，对该高层建筑的地基处置技术进行分析。

1 高层建筑地基环境分析

该工程场地位于晋城市城区盆地北部边缘东河褶曲带。该片区东河呈北高南低的缓倾状，自北向南穿行；东河向东为爬坡地形、过渡为山地，向西地形相对较平缓。该片区因煤矿开采及居住建筑的不断扩张，致使东河水流量不断减小，河道收缩，在城建历史中被逐步自然填平；当前河水通过埋设于场地西侧的地下涵洞导流。该片区内填土主要为邻近居民生产生活产生的建筑垃圾与生活垃圾为主的杂填土。填土分布深厚，为新近自然堆填，堆填年代约5～20年，填料成分杂乱、疏松。

该场地内赋存地下水（潜水），水位埋藏较浅；水流主要赋存于上部填土及下伏地层中的角砾层中，因填土层与角砾层较高的渗透特性，场地内地下水与上游河水联系紧密；跟随河水的流面，场地地下水亦具有较大的水力坡度。

该场地东、北两侧均紧邻现状多层建筑，南侧紧邻市政道路，边缘最大距离均不足10m；场地拟建设地下2层、地上32层的高层建筑。

2 高层建筑场地水文地质与工程地质

2.1 场地水文地质

勘察时段为7月份，属于当地水文周期的丰水期。据调查，场区为东河原始河道，2018年城市黑臭水体治理时，采用地下涵洞对该河段河水进行引流，涵洞位于场地西侧，场地段河流平水位约为718m左右，常年有水。场地地下分布一层地下水，属于潜水，地下水稳定水位约为717.04～718.60m，受上游河水侧向下渗及雨季降水垂直下渗补给。根据区域水文地质资料，该区域地下水水位年变化幅度在1.0m左右。

钻孔提取水样进行水质分析，结果显示，该场地地下水在干湿交替和无干湿交替作用下对混凝土结构的腐蚀性等级均为微腐蚀。

2.2 场地地层分布

以2#孔为例，地面高程722.30m。

第（1）层杂填土(Q4ml)：新近人工堆积层，杂色，松散，稍湿，以砖块等建筑垃圾及炉渣等生活垃圾为主，混杂少量的粉质黏土。厚度：6.70m；层底标高：715.60m。重型圆锥动力触探试验N63.5修正值2.9～7.1击，平均4.9击。渗透系数建议取0.05cm/s。

稳定地下水位718.10m。

第（2）层角砾(Q4al+pl)：第四纪全新统冲、洪积土层，杂色，稍密，稍湿，以砂页岩碎屑为主，粉质黏土胶结。厚度：3.30m；层底标高：712.30m。重型圆锥动力触探试验N63.5修正值4.4～6.8击，标准值4.9击，天然地基承载力特征值fak建议值160kPa。渗透系数建议取0.05cm/s。

第（3）层粉质黏土(Q2al)：第四纪中更新统冲积土层，棕红色，可塑，稍湿，含大量氧化铁锈及少量铁锰结核、铁锰颗粒等，底部见少量砂页岩碎屑等；切面较光滑，稍有光泽，韧性中等，干强度较高，无摇振反应；压缩系数范围值0.26～0.32，平均0.29，压缩性中等。厚度：1.20m；层底标高：711.10m。标准贯入试验N修正值11.9～14.0击，标准值12.3击，天然地基承载力特征值fak建议值180kPa。

第（4）层角砾(Q2al+pl)：第四纪中更新统冲、洪积土层，杂色，稍密-中密，稍湿，以砂页岩碎屑为主，含少量的砂岩碎石颗粒，粉质黏土胶结。厚度：2.50m；层底标高：708.60m。重型圆锥动力触探试验N63.5修正值5.4～7.7击，标准值6.0击，天然地基承载力特征值fak建议值200kPa。渗透系数建议取0.05cm/s。

第（5）层页岩(C3t)：石炭系上统太原组岩石层，灰黄色，强风化，具层理，岩体整体破碎，岩石遇水软化，属于极软岩，岩体基本质量等级为V级。厚度：6.60m；层底标高：702.00m。饱和单轴抗压强度标准值frk=2.45MPa。

第（6）层泥岩(C3t)：石炭系上统太原组岩石层，灰褐色，中等风化，岩体节理裂隙较发育，整体较破碎，岩石为软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。厚度：5.40m；层底标高：696.60m。饱和单轴抗压强度标准值frk=3.11MPa。

第（7）层灰岩(C3t)：石炭系上统太原组岩石层，青灰色，中等风化，岩体较破碎，岩石属于软岩-较软岩，岩体基本质量等级为V级。厚度：2.40m；层底标高：694.20m。饱和单轴抗压强度标准值frk=11.23MPa。

第（8）层煤(C3t)：石炭系上统太原组岩石层，黑色，强风化-中等风化，岩体节理裂隙较发育，整体破碎-较破碎，岩石属极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。厚度：0.70m；层底标高：693.50m。饱和单轴抗压强度标准值frk=1.60MPa。

第（9）层砂质泥岩(C3t)：石炭系上统太原组岩石层，灰色、灰褐色，中等风化-微风化，岩体节理裂隙较发育，整体较破碎，岩石属软岩，失水易崩解，岩体基本质量等级为Ⅴ级。厚度：5.40m；层底标高：688.10m。饱和单轴抗压强度标准值frk=4.33MPa。

第（9）-1层煤(C3t)：石炭系上统太原组岩石层，黑色，中等风化，岩体节理裂隙较发育，整体较破碎，岩石属极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。厚度：0.70m；层底标高：687.40m。

第（10）层泥质砂岩(C3t)：石炭系上统太原组岩石层，灰黑色，中等风化-微风化，岩体层理及节理裂隙稍发育，整体较完整，岩石属软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。厚度：4.50m；层底标高：682.90m。饱和单轴抗压强度标准值frk=5.25MPa。

第（10）-1层煤(C3t)：石炭系上统太原组岩石层，黑色，中等风化，岩体节理裂隙较发育，整体较破碎，岩石属极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。厚度：0.40m；层底标高：682.50m。

第（11）层砂质泥岩(C3t)：石炭系上统太原组岩石层，灰色、灰褐色，中等风化-微风化，岩体节理裂隙较发育，整体较破碎，岩石属软岩，失水易崩解，岩体基本质量等级为Ⅴ级。未穿透，揭露厚度为6.64m。饱和单轴抗压强度标准值frk=6.27MPa。

3 高层建筑工程地理位置的特殊性分析

（1）场区位于老旧河道回填地段，属于大面积填方地段，回填范围广、厚度大。填方为新近自然回填，填料含大量的砖块、煤渣，未经分选、分层压实，土质疏松，透水性强。

（2）场区位于丘陵区沟谷段，地势整体北高南低、东高西低，属于聚水区，虽用地下涵洞自场地西侧引流，但是，场地雨季地表汇水的下渗及北侧上游河水的侧渗仍无法阻断。

（3）场区位于密集居民区，场地东、北两侧均紧邻现状多层建筑，南侧紧邻市政道路，周边环境复杂，影响因素多。

（4）拟建建筑为地下2层、地上32层建筑，基础埋深大，基底压力平均压力约500kPa。浅层天然地基承载力特征值均不满足设计要求，即使按深宽修正后承载力离设计要求也相差较远。

4 勘察对高层建筑地基及基础工程的建议

4.1 地基处理方案分析

该高层建筑工程设计±0.00为722.90m，地下室底板埋深为-8.60m（714.30m）。该高程处基础持力层为第⑵层角砾层，基底以下土层厚度5.70m。

如采用浅层换填，换填如此厚的垫层，其成本高昂，且施工质量不易控制，而且根据以往的工程经验，除采用混凝土刚性垫层整体换填外，其它材料的垫层承载力均难以达到设计要求的500kPa，因此，该工程浅层换填方案是不可行的。

按该建筑基底土层厚度5.70m计，根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)中的各种复合地基类型试算，复合地基承载力均达不到设计要求的500kPa。

4.2 基础及基坑支护方案建议

对该工程而言，天然地基和地基处理不可行，基础形式唯有采用桩基础。根据场地地层的空间展布，并通过试算，该工程主楼桩端持力层宜选用第（9）层砂质泥岩或第（10）层泥质砂岩。桩基需穿越较厚的岩石层，因此，静压预制桩方案不可行；场地地处密集居民区，紧邻现状建筑，如采用带震动的冲孔桩，扰民且不安全；考虑场地存在埋藏较浅的赋存于上部填土及下伏角砾层中的流动地下水，如采用人工挖孔灌注桩，在挖掘过程中，孔壁填土及角砾层容易在动水压力下坍塌。综合安全、成本等因素考虑，该工程桩基形式建议选用泥浆护壁钻孔灌注桩。

泥浆护壁钻孔灌注桩以机械成孔，可以在有地下水的条件下成孔成桩，不需降水就可以施工，而且对各地层均有较好的适应能力，但其费用较高，且孔底的沉渣清除和桩身质量较难控制，进而影响单桩承载力。鉴于场地复杂的地质环境，桩基成孔时桩底沉渣、桩侧泥皮清除难以保证时，也可考虑采用后注浆灌注桩工艺。

基坑开挖建议采取桩锚结构支护后进行开挖，支护桩建议采用泥浆护壁钻孔灌注桩。

桩基工程施工前，应在现场挖试桩，以核实施工条件，核实成桩孔的可能性，确定需采取的支护措施及防水措施，并根据试桩结果验证单桩承载力及变形参数，必要时根据试验结果作适当调整；桩基工程完工后，应进行桩基检测及验收，验收合格后方可进行上部结构的施工。

5 设计基础选型及施工阶段的调整

5.1 设计基础选型

基坑支护设计采用双排桩支护体系；建筑地基设计采用大直径疏桩（素混凝土桩）复合地基进行地基处理,桩端持力层为第（9）层砂质泥岩层，单桩承载力特征值要求不小于2800kN,复合地基承载力特征值要求不小于550kPa，基础采用筏板基础；桩型均为泥浆护壁钻孔灌注桩，旋挖钻机施工。

5.2 试桩施工中出现的问题

受限于狭小的场地环境，桩基施工时未设置专门的泥浆池进行泥浆调配，采用在桩基施工时直接向桩孔内倾倒素土、干水泥的方式进行施工，结果在支护桩施工过程中，桩基施工至角砾层后，角砾层浸水坍塌严重，长时间难以成桩，产生了比较大的安全风险；且因孔壁土层坍塌，桩孔中心发生偏移；而且土体坍塌破坏原有的土体结构，可能会降低对桩基的侧向阻力，降低桩基承载力。因此，试桩暂停，在临时回填后研究解决。

5.3 解决方案

按照以往的实践，此类地质环境下，桩基施工采用钢护筒护壁，施工是有保障的，但是，松散土层的坍塌及基底以下近6m厚的土层产生的大侧阻力，致使钢护壁在成桩后难以拔起后再次使用，成桩成本过高。

如何在尽可能控制成本的前提下解决成桩问题？经多方研讨，决定按照当地工程经验“在场地四周布置降水井降水试行人工挖孔桩”的方案：（1）采用钢护筒护壁、旋挖钻机成桩工艺施工降水井，确保地下水下降到场地完整岩石层下；（2）进行人工挖孔桩施工作业，挖孔过程中采用预制钢筋混凝土管护壁（单节长度1m），类似于沉井基础（护壁采用吊车起吊就位，人工掘进过程中在自重及旋挖钻机辅助静压作用下下沉），施工至进入第⑸层页岩完整岩石层中；（3）旋挖钻机施工至设计桩长。另外，制定了“在成桩过程中如因孔壁坍塌导致桩间土破坏，则在成桩后对桩间土进行注浆加固”的预备方案。该方案在确保施工安全的同时也解决了因孔壁坍塌导致的桩位偏移问题，也加快了施工进度。

在制定可靠的安全施工方案及应急预案后，现场在场地四周先施工降水井，降水井采用定做的6m长钢护筒护壁，旋挖钻机成桩；成井较顺利，井中抽水试验，单井出水量约50m3/h；地下水得到控制后，开始试验成桩，人工每掘进0.2～0.5m，旋挖钻机辅助施以压力，循环施工至进入完整岩石层，孔壁无大的坍塌。全部试桩安全可行之后大面积实施，直至顺利完工。混凝土达到龄期后，经载荷试验检验，单桩及复合地基承载力均满足设计要求。

6 结束语

根据桩基规范条文说明第6.2.1条，人工挖孔桩在遇有流动性淤泥层、流砂层时，易引发安全和质量事故，不得选用此种工艺[1]。该工程考虑角砾层遇水坍塌，故在勘察阶段，对基础方案的建议中，自然排除了该桩型，可是，在该工程中又得到成功应用。成功实践的原因在于在施工时，在场地外围采用降水井进行了降水工作，且在地基处理桩土层施工时采用了预制钢筋混凝土护壁，该工艺具有一定的沉井法的特性，在确保施工安全的同时也解决了因孔壁坍塌导致的桩位偏移问题。总之，该工程可作为一个复杂地质、复杂环境条件下高层建筑工程基础处置的特殊案例，可为同类工程的地基处置及基础设计提供参考。