厚填石层大型基坑支护设计

李吉林，孙 旭

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250100)

1 工程概况

盐田国际行政办公大楼场地位于盐田国际集装箱码头北侧三期工程场地内，占地约20000 m2。大楼建筑面积约33292 m2，主楼25层，高度122.7 m，结构形式为钢筋混凝土框架，地下室2层，深10 m，局部14.1 m，基础采用桩基础。大楼基坑平面尺寸不小于125.775 m×121.35 m，基坑开挖深度一般不小于8.7 m，局部14.4 m。

大楼桩基与基坑工程技术要求：在地基工程施工期间，基坑开挖和降水产生的土体位移及沉降不得引起周围建(构)筑物、路面和管线的变形和损坏，对此提出预测和防止对策，且对周边场地的位移和沉降进行监测；基坑支护施工、土方开挖可分为无支护与有支护开挖方法；基坑工程要求安全可靠、经济合理、施工便利、保证工期，还应结合主体工程设计进行基坑总体方案设计。

2 地质条件

2.1 工程地质条件

场地原始地貌为滨海地貌，地势较低，经人工填海处理后地形开阔平坦。

地层结构自上而下依次为：人工填石层、第四系海相沉积层、第四系海陆交互相沉积层、第四系残积层，下伏基岩为侏罗系凝灰岩及燕山期侵入的花岗岩。各岩土层特性分述如下：

①人工填石层(Qml)：主要为微风化凝灰岩及微风化花岗岩的碎块石组成，填石直径一般20 cm～80 cm，夹有少量粘性土，填石经强夯处理，呈中密～密实状态；

②第四系海相沉积层(Qm)：为灰黑色含有机质粉土，局部以粉砂为主，标准贯入试验平均击数3.8击。一般厚度0.5 m～6.6 m，层底标高-7.17 m～-12.39 m；

③第四系海陆交互相沉积层(Qmc)：主要为黄灰色含砂粉质粘土和含粘性土粉细砂。前者呈饱和、可塑状态，后者呈饱和、松散状态。该层中均含有砂、砾石、小卵石等，局部含少量有机质。层底标高-9.22 m～-14.30 m；

④第四系残积层(Qel)：由凝灰岩及花岗岩风化残积而成，可塑状态，下部呈硬塑状态，局部呈全风化夹层，层顶标高-7.71 m～-14.30 m；

⑤基岩：从上往下依次为全风化、强风化、中风化、微风化，层顶埋深16.7 m～38.7 m，层顶标高-12.6 m～-34.35 m。

2.2 水文地质条件

2.2.1 含水层的分布和特征

地下水位受海水潮汐的影响而涨落。最高地下水位埋深约2.6 m，标高约1.6 m；最低地下水位埋深约4.0 m，标高约0.2 m。地下水属孔隙潜水及基岩裂隙水。孔隙潜水与海水联系紧密，主要受海水补给；基岩裂隙水主要赋存于强、中风化基岩裂隙中，属微承压水。

2.2.2 地下水的侵蚀性

地下水对混凝土结构具中等腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋在长期浸水条件下具有弱腐蚀性，对钢结构具中等腐蚀性。

2.3 不良地质条件

填石层厚度较大，填石的粒径较大且经强夯处理，对基坑开挖和桩基施工带来困难；地下水与海水紧密相连，海水补给充分，填石层为强透水层，要保持基坑内干燥施工，场地需做好止水和降水措施；花岗岩和凝灰岩的侵入接触带岩层破碎，在岩层顶部，有微承压裂隙水。

3 基坑支护设计

3.1 方案比选

根据本工程填石层结构和工程结构特征，初步选择地下连续墙方案、排桩方案、放坡开挖加封水帷幕方案进行比较：

(1)地下连续墙支护方案：结构质量和安全性方面是可以保障的，具有整体刚度大、施工噪音小、就地浇筑的地连墙接头止水效果好等优点。但泥浆处理、水下钢筋混凝土浇筑施工工艺复杂、造价高，特别是填石层中成槽较困难，施工设备多、速度慢，相互干扰大，难以满足要求。

(2)排桩支护方案：排桩结构刚度较大、施工工艺和设备相对简单、对周边环境影响较小。但桩间接头止水要作好，本工程在填石层成孔较困难，需要较大数量的冲击式钻机方可满足工期要求，还存在与桩基施工干扰大，废浆排放困难等不利因素。

(3)放坡开挖加封水帷幕方案：本工程周边场地相对开阔，无大型建(构)筑物，填石层抗剪强度指标φ值较大，有放坡条件，而且放坡开挖施工简单，相互干扰少，施工速度快，造价低。

经过综合分析比较，结合场地条件，本工程基坑支护采用放坡开挖加封水帷幕方案。

3.2 设计要点

充分利用浅层填石的特性和周边环境条件，采用放坡开挖形成基坑，同时为了确保基坑在桩基础施工时形成干地作业条件，需在基坑周边设置一道封水帷幕墙，相对隔断基坑内外填石层等透水地层的地下水，并在基坑内布置一定的降水管井，降低基坑内地下水位在其基底2.0 m以下。该工程关键技术是如何在深厚填石层中形成封水帷幕。根据以往十多个特大型基坑堆石体围堰工程隔水防渗帷幕实践经验，采用专用块石灌浆施工工艺穿过填石体形成可控灌喷桩封水帷幕，灌注膏状稳定浆液，特别适合块体填石层，不仅施工方便、技术成熟、造价低，且施工速度快，干扰少。

(1)基坑结构设计要点：基坑平面尺寸上坡开口线125.775 m×121.35 m、下坡脚线106.2 m×99.6 m；基坑开挖深度一般为8.7 m，局部14.4 m；开挖一般放坡1:1.25，斜坡段长度10.875 m，对于因地下管线等影响或局部场地布置窄小地段，在采取喷锚支护或坡顶削方减载等工程措施后，开挖边坡坡比变陡为1:1。施工开挖便道坡比1∶10，宽度8.0 m。

(2)封水帷幕设计要点：在上坡开口线外3.0 m处，由单个可控灌喷桩搭接而成整体，桩间距1.0 m，直径1.2 m。桩在填石层中主要采用灌入膏状稳定浆液形成桩体并用高压喷射灌浆工艺予以加强，在粉质粘土等土层中采用高压喷射灌浆工艺形成旋喷桩体。桩端控制进入至残积土内1.0 m。根据地层条件，平均桩长为13.7 m(填石层顶部2.5 m可不处理)，其中在填石层中的桩体平均长度约为7.7 m，在土层中的桩体平均长度约为6.0 m。

(3)降水系统设计要点：为了控制基坑内地下水位在施工作业面2.0 m以下，需要在坑内布置一定数量的降水井。降水井平面间距30 m一个，共计16个。降水井施工可先施工周边井，封水帷幕作好后，先行降低坑内地下水位，以方便开挖，再根据现场情况逐步施工中间部位降水井。

3.3 可控灌喷桩设计

块石中灌浆工艺在浆体材料选择上很重要。采用析水率小于5%，有一定塑性屈服强度和塑性粘度的稳定浆液的塑性灌浆技术，适用于有效粒径d10大于0.5 mm、渗透系数k大于10～1 cm/s的粗颗粒土，包括灌注大孔隙块石和碎石层、不均匀土层中的大孔洞等。只需采用1～2种浆液配比，孔内循环，自下而上灌浆；或采用纯压式自上而下灌浆方法，工艺简单，浆液有较大的塑性屈服强度，在强透水区达到一定范围即停止扩散，既可形成完整防渗体，又可以避免浆液过分流失。由于析水率小，省去排除浆液多余水份的灌浆时间，并且不会因灌浆后的浆液继续析水而留下未充填的孔隙，灌浆质量较有保证。形成的结石体强度高、防渗性好，抗化学溶蚀能力强。浆液塑性屈服强度大于20 Pa，必须用螺杆泵压送的塑性浆液、膏状稳定浆液和可控制胶凝时间的水泥化学浆液。

3.4 基坑边坡稳定计算

基坑开挖主要在填石层内，对于临时开挖边坡和稳定计算可采用圆弧滑动法计算。

(1)计算公式为：

式中：k为整个滑体剩余下滑力计算的安全系数；l为单个土条的滑动面长度(m)；W为条块重力(kN)，浸润线以上取重度，以下取饱和重度；β为条块的重力线与通过此条块底面中点半径之间的夹角(度)；cu，φu为土的抗剪强度指标。采用总应力法时，取总应力指标；采用有效应力法时，取有效应力指标。

(2)计算简图：

边坡坡比1∶1.25，边坡高度8.7 m。计算简图如图1。

图1 边坡圆弧滑动稳定计算简图

(3)计算成果：通过圆弧滑动法计算，当边坡采用1∶1.25时，搜索最小安全系数K=1.19；对爆破石渣料回填层采用直线法计算安全系数K=1.10，能满足临时边坡稳定要求。

3.5 基坑降水计算

(1)未设置封水帷幕基坑降水计算

计算模型采用均质含水层潜水完整井、基坑远离水源边界模型，见图2。

图2 潜水完整井模型

计算公式采用均质含水层潜水完整井、基坑远离水源边界模型公式：

式中：Q为基坑涌水量(m3/d)；k为渗透系数(m/d)；H为潜水含水层厚度(m)；S为基坑(降水井壁外侧)水位降深(m)；R为降水影响半径(m)；r0为基坑等效半径(m)。主要土层计算参数见表1。

表1 主要土层计算参数

在无封水帷幕条件下，在基坑周边设置管井抽水，经计算基坑每日抽水量将超过88518 m3/d，并会引起周边地面沉降。

(2)设置封水帷幕后的基坑涌水量计算

计算采用均质含水层潜水非完整井、基坑远离边界模型，计算公式为：

式中：l为过滤器有效工作部分的长度(m)；hm为潜水含水层厚度与动水位以下的含水层厚度的平均值(m)；

式中：h为为动水位(井壁外侧水位)以下的含水层厚度(m)；其它符号同上。经计算基坑涌水量Q=3860 m3/d。

3.6 封水帷幕计算

封水帷幕方案关键在于帷幕位置、帷幕体厚度以及帷幕在坑内降水后产生应力计算。

(1)位置确定：计算方法采用库仑土压力定理和散粒体力学理论。计算结果见表2。

表2 土压力影响范围

根据计算结果和现场实际情况，确定在距离基坑上开口边线3 m设置封水帷幕，既减少了大部分水压力的影响，又使工程量相对经济，并且不影响工期。

(2)厚度确定：根据实际水头差和容许水力坡降，确定封水帷幕厚度为40 cm。

(3)防渗帷幕应力验算：在封水帷幕两侧存在约6 m水头差，封水帷幕受到一定的弯矩、剪力，并产生位移。经计算，坑外侧弯矩为37.9 kN· m，帷幕最大位移为5.8 mm。封水帷幕为柔性结构，根据摩尔—库仑定理验算，墙体可以满足强度和变形要求。

4 基坑监测设计

根据基坑的具体情况及地质条件，监测内容主要包括地面沉降观测、边坡稳定观测、地下水位观测等，有针对性的布设各类监测点，并兼顾验证设计和指导施工的需要，做到少而精。

4.1 地下水位监测

在基坑四边封水帷幕内侧各布置1个水位观测孔，基坑中央布设1个水位观测孔。这样既能观测基坑每侧地下水位变化情况，也能形成地下水位观测断面，有利于分析水位变化情况。

4.2 地面沉降监测

在基坑封水帷幕外侧三边3 m～5 m位置各设置1个水准点，另外一边3 m、8 m、15 m位置各设置1个水准点，并在距基坑较远且稳定安全的位置设置1组垂直位移工作基点。

4.3 边坡稳定监测

基坑采用放坡开挖形式，开挖主要在填石层中进行。边坡稳定监测主要在基坑四周上坡开口边线附近各设置测斜管1套，对基坑施工期和维护期进行边坡变形稳定监测。

5 结论

(1)本工程需开挖大型基坑，且浅层为厚填石层，基坑支护防渗难度较大，选择合适的支护和防渗方案非常关键。

(2)通过方案比选，本着安全可靠、经济合理、施工便利的原则，本工程最终选定了放坡开挖加封水帷幕的基坑支护方案。

(3)通过灌喷桩、基坑边坡、基坑降水、封水帷幕等各种计算，得出了基坑支护各种设计参数，在技术上是可行的。

(4)通过现场实施，证明基坑支护防渗设计方案可行，可控灌喷桩在厚填石层中应用防渗效果较好。

(5)通过现场监测，降水井布设合理，地下水水位控制良好，确保干地作业施工条件，地面沉降很小，边坡在施工期间处于稳定状态。

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