浅谈超大直径圆形深基坑支护

2017-04-26王学贤

河南建材 2017年2期

关键词：承压水围护结构圆形

王学贤

福建一建集团有限公司（365001）

浅谈超大直径圆形深基坑支护

王学贤

福建一建集团有限公司（365001）

随着城镇建设中高层及超高层建筑的大量涌现，以及大型市政设施的施工及大量地下空间的开发，产生了大量深基坑工程。然而基坑支护体系是临时结构，安全储备较小，具有较大风险，如何选择及设计深基坑支护便显得尤为重要。文章对侨苑山庄现场环境进行分析，设计出适合该工程的支护方案，希望能为其他工程的深基坑支护设计提供思路。

深基坑支护；地下墙；基坑降水

1 工程概况

1.1 工程简介

本工程位于东莞市侨苑山庄内，地下三层、地上16层，建筑面积866 47.3 m2。结构形式框架剪力墙，基础采用冲孔灌注桩。工程总价约2.8亿。

1.2 地质条件

本工程地基土均属第四系河口～滨海相、滨海～浅海相沉积层，主要由饱和黏性土、粉性土、沙土组成，缺失第⑧层粉质黏土，第⑥层土是一层很好的不透隔水层，自第⑥层以下埋藏有高水头的承压含水层，为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承压含水层的连通区，承压含水层埋深为27.88 m,承压水的水头高差18.18 m,电梯井开挖深度达25.89 m，坑底已经进入了第⑥层土，距离承压水层只有2.0 m左右的覆土。

1.3 基坑围护简介

塔楼区位于基坑中央，基坑采用直径为100 m圆形地下墙围护结构，面积7 855 m2，开挖深度18.35 m，墙厚1.0 m，地下墙一般深31.55 m，临近电梯井深坑处为33.55 m，地下墙入土系数0.701～0.217，地下墙顶采用钢筋混凝土顶圈梁连成整体，地下墙内侧设三道钢筋混凝土环形围檩,不设支撑,坑底被动区采用宽5.0 m深4.0 m格栅式高压旋喷桩加固。电梯井深坑为“坑中坑”，采用12.0 m长Ф800@900钻孔灌注桩围护，内设一道钢支撑，面积2 116 m2，开挖深度25.89 m。围护结构断面如图1所示。

1.4 工程特点

1）地下墙成槽深度一般为34 m，最深36 m须穿越第⑥层暗绿色粉质黏土、进去⑦1层沙质粉土夹粉砂约8.0 m左右，其中第⑥层土内的内聚力达到40 kPa，标准灌入值达到55，成槽机在该层的挖掘难度很大，且⑦1俗有“铁板砂”之称，更增加了成槽取土的难度。

图1 围护结构断面图

2）有6根Ф700×14钢管桩（深度接近70 m）分布在四幅地下墙内，要充分表现出其圆形结构的空间受力特点，就必须在原位成墙，碰桩区地下墙施工是该工程施工的一大难点。

3）承压水对基坑安全影响大。当基坑下有承压含水层存在时，开挖基坑减少了含水层上覆不透水层厚度，当它减少到一定程度时，与承压水的水头压力不能平衡时能顶裂或冲毁基坑底板，造成突涌现象[1]。由于基坑底部覆土自重小于第⑦层承压水头压力，须降低承压水压力以确保基坑和周围环境的安全。

4）本工程地下基坑围护结构厚度1.0 m，基坑直径达100.0 m，厚度与直径比1/100，技术含量高施工难度大。

5）本工程基坑面积7 855m2，属大面积圆形深基坑,取土量约16万m3,必须加强周边环境的观察，实施信息化施工，最大限度地减小基坑的变形是施工的又一关键技术。

2 关键施工技术

2.1 超深地下墙施工

本工程地下墙施工跟常规相比，圆形地下墙围护结构同心圆精度控制以及槽深度达到设计标高时地下墙施工的两大重点。

1）由于基坑是由正多边形构成的圆形围护结构，要充分表现出其圆形结构的空间受力特点，地下墙的同心圆精度控制要求较高。导墙是地下墙施工质量控制的标准，因此，只有控制好导墙施工精度，才能保证地下墙的施工精度。

在导墙施工放样中，建立以基坑圆心为极坐标测量系统，使用红外线全站仪，每隔1.0 m设置圆弧控制点,导墙的内圆半径实际偏差控制在±1.0 cm以内，为下一步地下墙同心圆精度控制创造了良好的条件。

2）根据本工程的地质特点，地下墙穿越第⑥层暗绿色道草绿色质黏土,进入第⑦1铁板砂层，成槽难度较大，针对硬土层成槽时先采用全导杆式成槽机挖至25 m，有利垂直度的控制，再采用勃海尔绳索式成槽机开挖至设计标高。

利勃海尔可在标准贯入度达100击的弱风化岩石中成槽，有强力纠偏功能，而且由于强力纠偏装置的作用，地下连续墙的垂直度控制良好。

2.2 碰桩区地下墙施工

有6根Ф700×14钢管桩分布在地下连续墙槽段内，绝对标高-10.5 m，根据国内目前施工技术现状，要将约70 m长的钢管桩拔出来，没有成功的先例，国内一般做法如图2（a）、（b），该处理方法围护结构无法形成正圆，不能充分表现出其圆形结构的空间受力特点，设计要求必须在原位成墙。

图2 碰桩区地下墙常规施工方法

碰桩区地下墙施工,由于受钢管桩的影响，不能像常规方法一样成槽取土，只能利用成槽机、钻孔机、高压水枪相结合的办法取土，砂石泵方循环清底。先根据钢管桩的位置进行槽段的划分，将钢管桩划分在4个槽段内。

考虑到高压水冲很可能造成槽壁坍塌，对槽壁两侧采用1 000护壁高压旋碰桩加固,深度34.0 m，水泥掺量20%，垂直度不大于1/100，养护1月以上，实际上碰桩区地下墙施工时旋碰桩养护达45 d以上。

图3中阴影部分为接缝处封闭旋喷桩，其目的封闭已施工完地下墙与旋喷桩之间的接缝，使碰桩区加固形成封闭的空间，不仅防止高压水冲塌槽壁,实际上在基坑开挖过程中起到很好的止水效果。

碰桩区地下墙施工非常艰难，四幅地下墙施工时间占整个地下墙施工的1/3。但是,基坑开挖后，接缝处混凝土密实，墙面平整。为基坑的安全开挖创造了有利条件,碰桩区地下墙施工步骤如图3所示。

图3 碰桩区地下墙施工步骤

2.3 碰桩区地下墙局部补强措施

碰桩区地下墙通过采取各种措施，完成了地下墙混凝土的浇灌，围护体形成一封闭圆，但是地下工程看不到摸不着,地下墙施工有不可预见性风险，是否存在夹泥或混凝土，不密实不连续等现象都难以预料[2]。

为确保基坑的安全，在碰桩区的外围护壁旋喷桩内套一排1 000@200钻孔排桩，深度34 m；坑内被动区土体加固由4.0 m加宽到9.0 m，深度由5.0 m加深到13.0 m，压顶圈梁加宽到4.3 m将钻孔排桩与地下墙连成整体,其目的是弥补地下墙缺陷，提高基坑的稳定性。碰桩区地下墙从整体看施工比较成功，但如果局部接缝存在夹泥或混凝土的不密实等现象，可能会造成环向应力受阻，钻孔排桩用来抵消后侧土体压力，环向应力通过加大混凝土环梁的截面等措施来弥补应力受阻。

2.4 深井减压降水施工技术

从地质剖面图可以看到第⑥层土是一层很好的不透隔水层，自第⑥层以下埋藏有高水头的承压含水层，为第Ⅰ、Ⅱ承压含水层的连通区，承压含水层埋深为27.88 m，承压水的水头高差达到18.8 m。电梯井开挖深度达25.89 m,坑底已经进入了第⑥层土，距离承压水层只有2 m左右的覆土，基坑坑底抗承压水稳定安全系数ky＝0.194，远远小于规范的要求的1.05。

2.4.1 基坑底板稳定性分析

本基坑开挖较深，场区承压含水层顶板与基坑底板之间土层厚度较小，故应对基坑底板进行稳定性分析，以防止产生高水压承压水从最不利点突涌的不良现象。

据勘察报告，第⑦1层的层顶标高为-23.88～-25.37 m，顶板埋深为27.88～29.37 m。从最不利的角度考虑，选取承压含水层顶板埋深为27.88 m，承压含水层水头埋深为9.70 m（依据抽水试验），按照上述公式计算，深坑开挖至25.89 m，确保基坑稳定时承压水水头下降14.92 m，故承压水头须降至地面24.62 m以下，但考虑到基坑开挖面到⑦1顶板仅厚2.0 m，为安全起见应将⑦1水头降到26.00 m左右，以保证施工的顺利进行。

2.4.2 深井减压降水的布置

基坑工程地下水控制应根据场地工程地质与水文地质条件、基坑挖深、地下水降深以及环境条件综合确定[3]。通过计算，共布置16口减压井，因减压井抽水需持续到地下构筑的重量足以满足基坑底板稳定性要求后才能停止凑水，并考虑到基坑无支撑无法固定减压井以及井点保护、封堵井点难度大等因素，故减压井布置以坑外为主，坑外布井以基坑中心为圆心，以55 m为半径，在345.5 m长的圆周上等间距布置14口降水井。坑内布置2口备用井，抽水井开孔、终孔直径为650 mm,孔深56 m，井管为273 mm的钢制焊缝管，过滤管长21 m，沉淀管1.0 m，滤管为桥式过滤器，孔隙率30%，自孔底至孔深28 m，环填石英圆砾，以形成良好的过滤层，在23～28 m深处先环填5.0 m黏土球封孔以避免上部潜水漏入井内，尽可能控制降水引起的地面沉降，其后填黏土至孔口，以进行管外封孔。不设1口坑外和2口坑内观测井，坑外不设分层沉降观测井和孔隙水压力孔各1口，开终孔直径为350 mm，井管直径为127 mm，井深34 m，过滤器长3 m。通过理论计算并结合抽水试验,单井出水量50～70 m3/ h，高峰期处水量约15 000 m3/d。实际实施过程中，单井出水量1 300 m3/d，在基坑开挖过程中，对减压井降水运行分阶段控制，见表1，即满足了承压水在基坑开挖阶段的减压要求，又通过严格控制抽水量及缩短抽水时间，减小了对周围环境的影响。

2.4.3 基坑内疏干井布置

由于基坑面积7 855 m2，坑内潜水通过疏干井降水，排除对基坑有影响的淤泥层及其以上各层土内的潜水，每口井的降水有效面积按200 m2，坑内需布置40口疏干井，直径650 mm，深度22.0 m，井1 740岩土工程学报2006年采用直径273 mm焊接钢管，过滤头长度15 m，沉淀管长度1.0 m，为基坑土方开挖和结构施工创造良好的条件。

表1 降水控制阶段表

2.5 对称、均匀、分层开挖技术

为控制基坑变形以及圆型基坑均匀受力，工程土方采用分层、分块、对称、均衡开挖，基坑从立面分7层12次开挖，第③、⑤、⑦、⑨层土方开挖分别在第②、④、⑥、⑧层土方开挖后连续进行，在加强垫层强度达到80%后连续进行⑩11层土方开挖，待深坑顶圈梁和钢支撑安装后进行地12层开挖，随挖随浇筑垫层，挖土工况见图4。

图4 挖土工况图

每层开挖时对称、分层开挖基坑周边的土方,为使得基坑受力均衡,要求离地下墙15 m范围内土方高差不得大于1.5 m，其他控制在2 m左右，再对称浇捣混凝土环梁，基坑中心岛土堤待混凝土环箍封闭后强度达到80%后再开挖。

基坑周边土体开挖时（可看作为环形沟槽），分四区两次对称开挖，环形混凝土浇筑分四段两次对称浇筑，即1区和3区同时挖土同时浇筑环梁混凝土，2区和4区同时挖土同时浇筑环梁混凝土。

为考虑大型基坑开挖和施工要求，基坑内设置四个独立的挖土栈桥，栈桥长20 m，宽6.5 m，栈桥有钢筋混凝土桥面、桥身、桥桩组成，桥面通过格构柱+钻孔灌注桩作为支撑架，与地下墙完全脱离，降低对围护结构的影响。

由于整个圆形基坑开挖基本遵循了设计要求的“对称、均衡、分层”的原则，因此各测点的变形比较协调，变化规律基本一致。实际变形值接近预测变形值（预测报警值30 mm），至基坑开挖结束时，无论是垂直方向还是水平方向变形数据均比较接近，离散性小，在一定程度上保证了整个圆形基坑的均衡受力。

2.6 电梯深基坑围护方案优化

电梯井深坑位于塔楼基坑中部,为坑中坑形式，开挖深度8.04 m，面积约2 116 m2约楼基坑面积27%，原电梯井电梯井围护设计方案采用直径800@900，深度为14.0 m钻孔排桩，外加2.0 m宽，设计深度为13.0 m高压旋喷桩止水帷幕，设两道钢支撑、坑底抽条加固，抽条加固宽度4.0 m，深度5.0 m，间距4.0 m。其目的是增加被动土压力，减小围护体变形，防止工程桩产生较大的位移。

由于基坑底位于第⑥层为暗绿色粉质黏土层，渗水系数小，含水率低，属超固结土，考虑到长期的疏干降水和减压降水对土体起到了很好的固结作用,采用旋喷桩止水帷幕和坑底抽条加固意义不大，为节省造价，深坑围护体系改为原工程钢管桩间套打。两根Ф900或一根Ф1 200钻孔灌注桩组成符合型围护结构，设一道H200×500型钢双榀支撑，取消高压旋桩止水帷幕和坑底抽条加固。开挖情况良好，仅旋喷桩一项节约成本600余万元，取得了良好的技术效果和经济效益。

3 深基坑信息化监测

基坑支护设计应根据支护结构类型和地下水控制方法确定基坑监测项目[4]。深基坑工程施工过程中进行信息化施工监测，有利于实时掌握围护结构及周边环境的动态变化。根据监测结果动态调整优化施工参数，指导施工。应用超大直径圆形无支撑深基坑施工技术以及监测信息和施工参数变化规律预测下一步施工工况，及时提出应对措施。塔楼监测于2005年3月30日结束,历时14个月累计监测结果见表2。