基于精细化理念的卵石砂岩地层超深基坑施工成套技术

彭 真

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

随着我国城市化进程的加速推进，土地资源稀缺的问题越来越突出，对超高层建筑的需求也越来越迫切。目前，我国超高层建筑主要集中在东部沿海地区，在西北部地区还相对较少。随着我国东部地区超高层建筑建设的日趋饱和，越来越多的超高层建筑将出现在我国的中西部地区，工程建设面临的水文地质条件将大不相同，为大面积超深基坑的建设带来全新的挑战[1-5]。

本文以兰州鸿运金茂综合体一期工程为背景，立足富水卵石砂岩地层特性，从精细化理念出发，探讨我国西北地区典型双层土特性下的超深基坑全过程精细化施工解决方案。

1 工程背景

兰州鸿运金茂综合体一期工程位于我国甘肃省兰州市，工程主要包括2栋超高层办公塔楼、大型综合商业裙楼及配套地下设施等，两塔楼建筑高度分别为249.8 m和149.8 m，商业裙楼建筑高度为43.8 m；项目共设地下室4层，局部区域设5层地下室；基坑开挖面积约2万 m2，周长约560 m，其中塔楼区域基坑最大开挖深度为23.6 m，裙楼区域基坑最大开挖深度为21.6 m，曾是我国兰州地区房建领域的最深开挖基坑。

本工程基坑支护形式采用“地下连续墙结合圆形内支撑体系”，其中围护形式为：东、西、南三侧采用“两墙合一”地下连续墙，北侧考虑综合体二期工程阶段性开发，采用临时隔断地下连续墙，地下连续墙均厚800 mm；水平支撑形式为：普遍区域采用“2道圆环支撑＋桁架支撑”，局部近接深层区域设置3道混凝土角撑，南、北及东侧支撑圆环距离基坑边较近区域设置混凝土临时加强封板，由于施工场地严重受限，为了方便施工场地布置，在场地西南角、东北角分别设置施工栈桥平台及坡道（坡度不大于1/10）1处。竖向支撑形式为：钻孔灌注桩内插角钢格构柱结合桩端后注浆。基坑支护形式详见图1。

图1 基坑支护形式

2 工程难点

本工程地处我国西北地区黄土高原的腹部—兰州，工程所处区域地表覆盖着第四系冲击层，其下广泛分布着第三系巨厚风化砂岩，又称红砂岩，由上至下依次为人工填土（层厚0.5～5.4 m）、粉砂层（层厚0.3～2.8 m）、卵石层（层厚1.8～10.6 m）及砂岩层（层厚大于55 m）；其中卵石含水层透水性较好，水量较大，渗透系数高达27 m/d，主要受上游和高阶地潜水、河水补给，以侧向径流为主；砂岩含水层渗透性较差，水量较弱，渗透系数为4 m/d，与上覆卵石层互联互通，形成统一潜水含水体系。受限于工程水文地质条件及周边环境，本工程施工主要面临以下2个方面的难题：

1）本工程基坑开挖深度范围内水文地质条件极为复杂，呈现较为典型的双层土特性，即卵石层存在卵石粒径分布范围较广（粒径分布范围2～20 cm）、粒间填充物较少、含水量丰富且渗透性较强等特点；砂岩层存在厚度较大、遇水易软化、含水扰动后强度急剧降低、渗透性弱等特点。上述土体的不良特性为钻孔灌注桩成桩、地下连续墙成墙、大面积超深土体高效开挖等提出了诸多难题，如成孔（墙）难度大、易发生塌方、工艺参数调节难度高、砂岩原基保护要求高等。

2）本工程地处兰州市中心城区，具有人口密度较高、交通流量较大、市政生命管线错综复杂、周边建（构）筑物众多等难题；其中东侧及南侧信息管线距离基坑最近1.3 m，西侧甘肃省信息中心大楼（地上14层，地下2层，埋深约7 m）距离基坑边线最近6.2 m，北侧居民楼（地上5—6层砖混结构）距离基坑边线最近8.5 m；均在2倍基坑开挖深度范围之内，环境保护及文明施工要求较高。

3 精细化施工成套技术

3.1 精细化选型

大面积超深基坑工程支护方案的选型至关重要，不同的支护方案工期、造价以及施工便利性差异很大。如何在满足基坑安全的前提下，合理选择基坑支护结构，以最大限度满足工程工期、经济性以及施工便捷等多方面的要求是超深基坑工程选型的关键因素。

本工程在多方面比较“地下连续墙＋内支撑”及“地下连续墙＋预应力锚索”方案优缺点的基础上确定了地下连续墙结合2道圆形支撑的支护形式：

1）若采用“地下连续墙＋预应力锚索”支护形式，首先考虑到锚索锚固力以及支锚刚度较小，为控制基坑围护体的受力和变形，基坑裙楼普遍区域沿竖向须设置6道预应力锚索，塔楼区域沿竖向须设置7道预应力锚索，锚索的数量偏多；其次，锚索在卵石层内的成孔难度大，卵石粒径的不均匀性极易导致成孔受阻或成孔偏斜的情况，影响最终的锚固效果；再次，锚索成孔完成后，须用清水冲孔，如在砂岩层内，将导致孔壁周边砂岩软化，强度丧失，严重影响最终的锚固效果。若采用“地下连续墙＋内支撑”的支护形式，则不受场地特殊地质条件的影响，整个基坑只须设置2道圆环支撑，整体基坑支护结构施工工期较短。

2）若采用“地下连续墙＋预应力锚索”的支护形式，预应力锚索施工容易对周边已有市政设施及建（构）筑物地下空间等造成破坏，增加后期紧邻工程建设的清障工作量。

因此，虽然“地下连续墙＋内支撑”支护形式的经济性不如“地下连续墙＋预应力锚索”有优势，但是从满足基坑安全及文明施工的角度出发，采用地下连续墙结合内支撑的支护形式优于地下连续墙结合预应力锚索的支护形式。

3.2 精细化成墙

本工程地下连续墙施工面临的最大问题是：如何在上部是坚硬卵石层、下部是遇水强度急剧衰减的砂岩层进行高质量（无泥浆流失、槽壁稳定性好、槽底沉渣少、成槽垂直性高等）、高效率成槽作业。

为此，本工程在地下连续墙正式施工前，分阶段进行了有针对性的2次成槽试验，每次成槽深度均根据不同地层特性进行精细划分，并对设备参数、沉渣厚度、泥浆性能指标等进行了详细记录和检测。

通过2次试成槽，对泥浆性能进行了全面优化，实现了不同土性不同深度情况下泥浆比重、黏度、含砂率等技术指标的精细化调控，大幅提高了成墙过程中的墙壁稳定性，降低了塌方、缩颈等质量事故发生的概率，该项技术也在钻孔灌注桩成孔工艺中得到了大幅应用，实际效果显著。

3.3 精细化成桩

由于本工程水文地质条件特殊，卵石砂岩2种土体特性差异巨大的土层呈上下叠层分布，为钻孔灌注桩施工带来了前所未有的挑战。首先，超厚大粒径卵石层的成孔作业不仅对钻进设备功率、钻机钻速等要求较高，同时对设备的清障能力（如大直径漂石等）提出了更高要求；其次，传统钻孔灌注桩施工工艺不能适应新型卵石砂岩双层土地基，需根据试成孔全过程的精细化检测对钻头选型、工艺参数等进行逐项优化。

如针对不同地质条件采取不同类别的旋挖钻机钻头进行施工：填土层采用挖土钻头钻进，粉细砂层采用双底板捞砂钻头钻进；卵石层中先用螺旋钻头钻进，再用旋挖筒取渣；砂岩采用嵌岩短螺旋钻头钻进，配合用双底板捞砂钻斗清渣，成孔后，更换专用清底钻头对桩端沉渣进行清理；当钻孔中遇到大漂石时，采用特制的大漂石抓取钻对漂石进行处理。

同时，在格构柱垂直度控制方面，本工程研发了特制格构柱调垂架，结合辅助调垂装置，通过全站仪和内置在调垂架上的手动调垂机构（图2）可实现格构柱的高效精准就位。

图2 格构柱调垂架示意

3.4 精细化开挖

得益于原始砂岩层承载力较高的特性，本工程采用筏板基础，以砂岩层作为上部建筑的持力层，但由于该地区上部卵石层含水量较大、地下水位较高，且红砂岩具有遇水软化、含水扰动后强度急剧降低的特性，为基坑工程土方开挖造成了巨大困难。

因此，如何在保证不扰动红砂岩地基承载力的基础上，实现上部富水卵石砂岩地层的精细化降水、大面积超深基坑土体高效安全精细化卸载成为制约本工程施工的重大技术难题。

在精细化降水方面，本工程卵石层中地下水由于受上游和高阶地潜水/河水补给，以侧向径流为主，水量较大，如何将卵石层地下水充分抽排疏干，确保下部砂岩层不受上部卵石层潜水的影响成为基坑降水的重点。为此，本工程开挖前进行了卵石层预降水，并在开挖至卵石层后，沿地下水径流方向布置截水明沟进行二次降水。同时，考虑到对砂岩层的保护，本工程砂岩层采用了“多级分层按需降水”方案，即通过在基坑内设置3道抽水线，根据砂岩层含水量变化情况，并结合土方开挖进度实时调整井点布置方案，以达到精细化降水目的。

在精细化土方卸载方面，本工程土方开挖量约43万 m3，如何在施工场地严重受限、砂岩层原基保护要求高、降水工艺烦琐的情况下实现大面积超深基坑土体高效安全卸载成为基坑开挖的重点。为此，本工程提出了“岛盆结合、精准分层”的开挖方案，即总体流程为“岛→岛→岛→岛→盆”5批次分层开挖，并通过在两侧斜向栈桥平台延伸设置临时上下坡道，控制连续放坡坡度、开挖面高差、开挖与支撑施工工序等的合理筹划，解决了空间受限条件下的超大面积土方卸载难题。

同时，为了减少大型设备开挖对下部砂岩层的扰动，临近基础标高800 mm左右时，采用小型机械进行土体开挖，并结合人工清底，尽量减少对砂岩层原基的扰动影响。

4 工程施工效果

1）本工程钻孔灌注桩共计194根、地下连续墙共计97幅。在施工过程中均未出现坍孔、缩颈、槽壁失稳、桩身倾斜等质量缺陷，所有受检桩基及地下连续墙均未发现缺陷，墙深完整性较好，均判定为Ⅰ类，满足设计及规范要求。

2）通过对基坑开挖阶段周边管线、市政道路及建筑物的沉降及变形监测，最大沉降33 mm，距离基坑最近的信息中心大楼最大沉降1 mm；地下连续墙最大侧向位移47 mm。上述数据表明：本工程采用“地下连续墙＋内支撑”的支护方案，结合精细化降水及开挖方案，有效控制了围护桩自身变形，保证了基坑整体安全，降低了工程施工对周边环境的扰动影响。

5 结语

西北地区典型的富水卵石砂岩土特性为传统基坑工程施工带来了全新的技术挑战，本工程围绕基坑支护方案选型、地下连续墙成墙、钻孔灌注桩成桩、大体量土方开挖及降水施工等面临的技术难题，从精细化管控的理念出发，有针对性地对相关施工工艺及主要参数进行了优化，在西北富水卵石砂岩地层中成功施作了地下连续墙及钻孔灌注桩，解决了超深基坑大面积土方卸载难题，为后续该地区类似工程设计及施工提供了参考。