岩土结合地质条件下深基坑工程的施工技术研究

2023-02-05宋文豪武汉市昌厦基础工程有限责任公司湖北武汉430022

砖瓦 2023年1期

宋文豪（武汉市昌厦基础工程有限责任公司，湖北武汉 430022）

随着我国城市化进程的推进，土地资源供应紧缺，使得城市建筑需要从地下以及空中争夺空间，这便导致一线城市中高层建筑以及地下工程的蓬勃发展。在此背景下，深基坑开挖的深度与面积越来越大，且由于地质条件的复杂与敏感，基坑开挖、支护、监测过程所遇到的困难与风险进一步增加，若施工技术不到位，便极易引发恶劣事故，比如塌陷、隆起等，不但会给施工单位、建设单位等带来经济损失，甚至还会影响到社会的稳定性。因此，加强对其施工技术的研究是十分必要的，为此从深圳某大厦基坑开挖工程入手展开分析。

1 工程概况

1.1 基本情况

该工程位于龙岗区与规划园区之间，整体用地面积为6106m2，为产业用地。拟在地下建立3层地下室，在地面上建设30 层办公楼。场地北侧道路宽度为24m，东侧道路宽度为26m，南侧与某银行基坑工程相邻。基坑西侧与南侧存在某银行所搭设的临时水管，东侧存在电力、通信、污水等基础管线，在正式施工前已与相关部门进行沟通后改迁。

1.2 地质条件

该地区的初始地貌为河流作用下产生的冲洪积阶地貌，经过人为改造后在其表面修筑房屋，工程现场为拆迁后场地，较为平坦。

深圳地区的主要地质构造为深圳大断裂破裂带。由于受到多次岩浆侵入与断层活动，其结构并不完整，很难对展布形式进行判断。根据相关勘察资料，该工程场地内并不存在断裂情况，但其风化层厚度变化较大，分布并不均匀。其岩性条件主要分为四类，具体如下：

一是人工填土层。此部分为素填土，整体呈现褐色与黄色，由黏性土构成，结构较为松散并不均匀含有碎石块，石块最小直径为40mm，最大直径为90mm，含量在10%～25%。由于场地为拆迁后场地，所以其表面存在较多的建筑垃圾和杂物。整体来看，此层面的物理性质较为不稳定，并且由于各类素土与垃圾堆积时间较短，并未形成土体固结，岩芯采取率在75%左右，揭露层最小厚度为1.9m，最大厚度为14.5m，在全场均有分布。

二是第四系冲洪积层。此部分存在两类土质，一是泥炭质土，整体呈现灰黑色，局部为淤泥，存在淤腥味，并存在无法分辨种类的有机质残骸。此部分岩芯采取率在80%左右，揭露层最小厚度为2m，最大厚度为5m；二是黏土，呈现浅黄色与褐黄色，可塑性较强，由河流冲积而成，湿度较高，干强度与韧性中等。且不存在摇振反应，其岩芯采取率在80%左右，揭露层最小厚度为0.8m，最大厚度为6.5m。

三是第四系残积层。此层面由黏土构成，整体呈现黄色、青灰色，其可塑性较强，韧性中等，且不存在摇振反应，整体土质较为均匀，此部分岩芯采取率在86%左右。

四是侏罗系粉砂岩。此部分主要以灰白色与褐红色、黄色为主，矿物成分有石英与长石。按照风化程度可分为下述几类，一是全风化粉砂岩，此部分呈现褐灰色与黄色，岩芯硬度较高。与黏性土呈渐变关系，局部存在强风化碎块。此碎块若与水相遇，极易变软，岩芯采取率在85%左右，揭露层最小厚度为1m，最大厚度为5.4m；二是土状风化粉砂岩，呈现褐黄色与灰色，岩芯较硬，且多数为柱状，采取率在70%左右，整体结构破碎程度较高，遇水极易崩解，揭露层最小厚度为2.4m，最大厚度为17.5m；三是块状风化粉砂岩，整体呈现褐灰色与黄色，岩芯为半岩柱状，采取率在65%左右，其整体结构多数已破碎，硬度较低，遇水崩解，揭露层最小厚度为1.8m，最大厚度为20m；四是中风化粉砂岩，整体呈现灰白色，主要由长石与石英构成，岩芯硬度较高，呈石柱状，采取率在65%左右。整体结构破碎程度较高，揭露层最小厚度为1.3m，最大厚度为8.2m。

根据相关勘察报告，该工程地下水类型可分为两种，分别为基岩裂隙水以及松散孔隙水。松散孔隙水主要分布在第四系孔隙层中，此部分透水性较强，主要受降雨补给。粉质黏土与砂质黏土的渗透系数不高，透水性不强，其内部存在较为丰富的地下水，补给能力较强，但周围沟渠较多，若水未能及时渗入会随着附近沟渠外排。基层裂隙水的分布形状为网络状，此部分补给来源为基坑周围的地下水与松散孔隙水。

2 施工方案与岩土分析评价

2.1 施工方案

为确保深基坑工程的安全性，首先要对基坑进行设计，使用合理施工方案以及支护方案进行施工，以此为上部30 层的办公楼奠定良好的基础施工空间，降低开挖过程对周围环境的影响。

2.1.1 支护设计

支护是深基坑工程重点，必须确保基坑自身以及周围环境的安全，并在保障施工安全性的前提下，兼顾节约型。

该工程基坑开挖深度为14m，计划建设地下3 层，围护结构周长为300m。考虑到安全性、便利性以及经济性，结合上述地质条件，该工程选择以混凝土支撑为主、咬合桩为辅的支护方式。

在基坑四周均匀分布由三重管旋喷桩与灌注桩咬合而成的咬合桩，以此实现对基坑变形的控制，并防止外部地下水渗透至内部。支护桩则采用钻孔灌注桩，此桩单桩承载力较高，桩径尺寸为1200mm，并在正式施工前，在3m 以上的深度埋设钢护筒，使用间隔钻孔技术进行施工。三重管旋喷桩则是选择800mm桩截面与600mm桩截面，并将其设置在灌装柱间，互相咬合进而形成围护体系。剖面图如图1所示。

图1 支护剖面图

此工程为一层内支撑结构，其支撑梁所采用混凝土强度等级为C30，横截面为1000mm×1200mm，均匀分布在基坑内部。其中，在基坑东西水平方向共设置三道，并在拐角处设置角撑，设置800mm×1000mm的支撑梁进行连接。立柱方面则采用直径为800mm的旋挖成孔灌注桩。

2.1.2 施工方法

为确保施工安全，该工程采取分层、分段的开挖方式。开挖后禁止长时间暴露，要迅速对基坑进行支护，并当支撑强度未达到相关要求时，禁止继续开挖。该工程开挖深度为14m，可将施工步骤大体分为五步：一是咬合桩施工，按照上述的支护设计方案，在土方正式开挖时，便要进行咬合桩施工；二是对第一层土进行挖掘，当开挖土层在1.5m左右时，要及时对工程桩顶部存在的浮浆进行清理；三是对第二层土进行开挖，当开挖深度达到4.5m时，需要在此处安装内支撑体系；四是当支撑强度与设计要求相符时，对第三层土进行开挖，深度为14m，当开挖结束后立即进行底板施工，最大限度减少基坑底部的暴露时长。

2.2 岩土分析评价

岩土分析评价是深基坑工程的核心施工技术，此部分是基于各项勘察结果，以实际情况为准，获取该工程的场地、地基稳定性以及地震效应、抗浮情况与地下水控制情况。

2.2.1 场地稳定性

该场地为拆迁后场地，原始地貌已经被改变，整体地形较为平坦。场地范围内不存在滑坡、塌陷、崩塌等地质灾害。但地下水位较浅，对施工存在一定影响，所以将场地等级设置为二级。由此可见，该场地稳定性较强，用作建筑场地是极为合适的。

2.2.2 地基稳定性

根据上文地质情况，其表层为素填土，平均厚度为9m，结构较为松散，因此在基坑开挖后需要尽可能对其挖除。而泥炭质土在场内分布较广，平均层厚在3m左右，而且在开挖后，该层会揭露于底部，因此会对地基稳定性产生影响。除此之外，基坑开挖后，下方主要有残积黏土与风化层，由此可见地基稳定性较差。

2.2.3 地震效应

该工程选用型号为GCK24 的地震仪进行钻孔测试，钻孔编号分别为A、B、C。A 钻孔覆盖层厚度为34m，等效剪切波速为151m/s，土类型为中软；B钻孔覆盖层厚度为33m，等效剪切波速为206m/s，土类型为中软；C钻孔覆盖层厚度为25m，等效剪切波速为173m/s，土类型为中软。根据相关规范，根据其剪切波速可得知，该场地地震烈度为7 度，其抗震设计应当属于第一组，地震加速度值为0.1g，周期可以按照0.35s计算。

2.2.4 地下水控制

根据该工程实际地质情况，场地范围内地下水对于基坑存在一定浮托作用，对地下室存在侧压力。除此之外，在基坑开挖过程中还会存在地下降水情况，极易使得周围产生沉降，若变形量较大，便会引起恶劣事故。因此，该工程需要采取一定止水措施。

一是采用明排降水方案。为保证该工程的经济性、便利性与安全性，在施工中需要在顶部设置300mm见方的明沟，以此实现地面外排；

二是将基坑排水系统与市政排水系统相互结合，明沟汇集水必须要经过沉淀才能向市政排水系统中排入；

三是由于深圳梅雨天气较多，需要对地表径流水采取有针对性措施，防止外部地表径流水进入基坑，并在此基础上杜绝施工现场施工垃圾的堆放。

2.2.5 抗浮验算

该项目地坪高为57m，地下结构为三层，地下水会对基坑产生浮托，地下水主要由孔隙水与上层滞水构成。场地最小标高为56.34m，东侧道路最小标高为56.4m，根据相关规范，可按照56m进行抗浮验算，对于地下结构可采用自重压载抗浮。

3 数值模拟下的变形规律分析

数值模拟能够合理反映基坑特性以及变形规律，主要是通过对基坑的挖掘、支护过程进行模拟，以此确定基坑周围易于产生损坏的部分，再根据结果指导基坑具体工作。本文采用Flac 3D软件，以现场实际参数为准，对基坑变形与规律进行研究。

3.1 模型建立

3.1.1 选择几何模型

为解决Flac 3D软件前期建模薄弱的问题，该工程采用了MIDAS 软件进行前期三维模型的建立。在MIDAS中，将开挖土体与结构网格单元加密后，导出网格单元与各个部分的节点结构，最后导入Flac 3D 中，最终得到了265782 单元与50444 个节点。该模型x 轴为180m，y轴为190m，z轴为30m。

3.1.2 计算参数

此部分参数可分为土体参数与结构参数。

土体参数需要将土层进行简化，将力学性质相近的土层看作一层土，结合y 轴深度划分6 层土层，每层厚度相等，对其取样后得到物理参数，见表1。

表1 物理参数

再根据物理参数计算体积模量与切变模量K值与G值，具体计算公式如下：

式中K为体积模量；G为切变模量；E为弹性模量；μ为动摩擦因数。

结构参数则需要根据下述公式进行计算：

式中D代表钻孔桩径；t代表桩净距；ℎ代表地下连续墙的厚度。

3.2 实测分析

根据该工程实际条件，监测点位设置如下：

一是路面沉降监测点（D）。此监测点位于周围道路与空地中，选点处挖长300mm、高400mm 凹坑，并使用钢条嵌入坑底，截面直径16mm，长度600mm，露出地表30mm，沿着基坑每隔20m布设一个，共计23个；

二是建筑物沉降监测（JC）。此部分采用水准测量仪，共计19个点位；

三是坑顶位移监测（W）。该点位布设在坑顶，并在基坑周围均匀分布。采用全站仪，每隔15m 设置一个，共计20个。

3.2.1 坑顶水平位移

根据上文模型参数计算方法与实测数据，坑顶水平方向位移监测情况如图2所示，所取数据来自6个监测点位。由图可知，随着开挖的深入，坑顶水平方向所产生的侧移变量在不断增大，当完全挖除后，变形量趋近平稳。根据变量变化情况，整体可分为四个阶段：一是在开挖第一层时，坑顶位移速率较小，由于其深度较浅，基坑变形并不明显；二是在开挖第二层时，由于内部支撑结构未建立，位移变量较大；三是在内支撑结构建立后，其位移变量逐渐降低，此部分说明内部支撑可有效抑制形变；四是在开挖结束后的底板施工阶段，坑顶位移形变速率趋于稳定。

图2 水平位移监测结果

3.2.2 地表沉降

地表沉降监测结果如图3所示，图中选取了D监测点4 个，JC 监测点4 个。此部分可分为三个阶段：一是在工程桩施工中，内部处于刚刚开挖状态，沉降形变较小；二是在开挖过程中，周围沉降形变量在迅速增长；三是在开挖结束后，地下室施工阶段，地表沉降量逐渐稳定。由此可见，土地沉降形变量最大时为开挖时期，所以，在开挖前期要着重注意基坑自身的稳定性，以此确保工程周围的安全。