岩溶区复合地层条件下超深超宽基坑施工关键技术

2022-11-08王明峰

中国建筑金属结构 2022年10期

王明峰

0 引言

随着城市地下空间的不断开发，深基坑工程越来越多。南京和燕路过江通道工程江南工作井及明挖段位于栖霞区和燕路，所在地层上软下硬，岩土分界线高，岩层强度大，部分地段有溶洞发育，道路两侧多为居民区、学校、商铺等建筑物，紧邻地铁线、景区、长江边，施工难度大、工期紧迫。本文结合南京和燕路过江通道江南工作井及明挖段基坑工程，对基坑施工关键技术进行了研究。

1 工程概况

江南工作井及明挖段全长808.8m，主要采用明挖顺做法施工，局部采用盖挖顺做法施工，明挖规模大，基坑超深超宽，明挖暗埋段基坑宽度为28.2～40.6m，基坑深度为1.5～36.8m，江南工作井长度为24m，宽度为50m，深度为45.4m。本工程地下连续墙围护结构施工范围广、数量大，大部分地下连续墙底部在岩层中，特别是江南工作井段地下连续墙厚度为1 500mm，深度为51m，入岩深度最深达41m，岩石最大强度达54Mpa，如图1 和表1 所示。

图1 地下连续墙位置示意图

表1 地下连续墙施工工程量表

1.1 地质情况

主要地层包括（3）-2 粉质黏土、（3）-3 粉质黏土、（6）3ns 泥质砂岩、（7）3s1-1 含砾砂岩、（7）3s 中风化石英砂岩、（9）3 中风化灰岩，江南工作井基底位于（7）1sl全风化含砾砂岩、（7）2sl 强风化含砾砂岩中。

1.2 水文情况

施工范围内地下水分为松散岩类孔隙潜水、基岩裂隙水和岩溶水。松散岩类孔隙潜水主要分布浅部填土层（1）层、（2）1 层黏性土，厚度为5～20m 不等，呈弱-微透水性。基岩裂隙水主要赋存于含砾砂岩、泥质砂岩中，呈弱透水性。岩溶水分布于左线ZK1+570～ZK1+640 及右线YK1+595～YK1+665 石炭系灰岩中，岩溶水水位埋深为3.7～4.5m，水位标高为11.01～13.21m，水量受溶洞发育程度和连通性控制，不同位置处水量差异大，该含水层呈微承压性。

1.3 周边环境

周边敏感建筑包括学校、居民棚户区和长江水源保护区。施工中所面临的扬尘、噪声、水污染控制等环保任务十分艰巨。

2 工程特点

（1）地层上软下硬，岩土分界线高，岩层强度大。地层主要包括杂填土、素填土、粉质黏土、中风化泥质砂岩、中风化含砾砂岩、中风化石英砂岩和中风化灰岩。岩土分界线呈45°角分布，其中江南工作井地面以下10m 为岩层，地下连续墙入岩最大深度为41m，岩层最大强度为54MPa。

（2）部分地段有溶洞发育。江南明挖暗埋段灰岩地层约70m 范围内揭露石岩系灰岩有溶洞发育，见洞率为50%。溶洞高为0.4～3.3m 不等，一般为粉质黏土充填，含风化岩块，部分为空洞。

（3）周边环境敏感，环境保护要求高。江南工作井距学校37m，距西侧高边坡上棚户区15m；与地铁1 号线北延线吉燕区间、燕子矶车站和燕笆区间平行设置，与车站最近距离为11m，与区间最近距离为7.3m；靠近幕燕景区，紧邻长江边，属于二级水源保护区，是南京市饮用水取水点，距长江水源保护区为880m，环保要求高。

3 重难点及对策

3.1 岩溶探测与处理

（1）岩溶基本情况。工程左线ZK1+570～ZK1+640 及右线YK1+595～YK1+665段分布揭露溶洞，溶洞高度为0.4～3.3m不等，为可塑～硬塑状粉质黏土充填，含风化岩块，部分为空洞，见洞率为50%，单孔线岩溶率为13.1～26.6%，总线岩溶率为9.9%。在地下连续墙施工过程中，遇到溶洞易发生跑浆和槽孔坍塌，造成周边道路、建筑物和管线破坏。结构下方溶洞覆土或岩层如不能支撑上部结构荷载，易造成隧道结构沉降、开裂及塌陷。因此，在施工前需要探明溶洞深度、大小和详细位置。

（2）岩溶探测方案。为查明施工范围内各种岩溶洞穴位置，将岩溶对施工阶段和后期结构影响降到最低，需要对项目结构影响范围内岩溶发育区内可能出现溶洞的位置进行溶洞探测和处理。项目采用了跨孔电阻率CT 和钻探专项勘察施工工艺。岩溶专项勘察主要通过专勘孔进行岩溶勘探，专勘孔施工重点为：一是查明岩溶与非可溶岩接触界线、岩溶边界；二是查明岩溶大小、位置、埋深等发育情况以及岩溶发育规律；三是查明岩溶段岩溶水情况。跨孔电阻率CT 专项勘察以介质电性差异为基础，研究与电性有关的人工直流电场分布规律，通过反演获得两孔之间电阻率分布断面图，达到探测地质构造和寻找异常体的目的，可查明较大规模岩溶、破碎区。

（3）岩溶处理目的。由于溶隙和溶洞填充物性质软弱，随着时间推移，受周边环境变化以及地下水活动影响，同时在施工过程中受荷载作用，很可能会出现洞体坍塌现象。通过对洞体充填物加固处理，提高其自身强度，从而提高洞体稳定性，降低洞体坍塌引起的地层塌陷，减小变形缝处差异沉降。由于溶洞填充物和砂岩地层承载力存在很大差别，通过对地层进行处理，可以提高该处地层承载力，减小不同地层之间差异沉降，从而减少围护结构渗漏，以满足基坑正常开挖。

（4）岩溶对地下连续墙施工影响及处理。地下连续墙在施工过程中易卡钻，产生漏浆、塌孔，因岩溶水易产生渗漏。溶（土）洞处理方法遵循“探、处、检”原则，补充勘察及探摸边界，对发现溶洞作注浆充填，注浆效果检测合格后方可施工地下连续墙。地下连续墙岩溶专项勘察孔采取一槽两钻进行布置，间距为3m，探边孔按照2m 间距向外扩展，基坑外至地下连续墙外侧3m，内至溶洞和土洞边，如图2 所示。采用钢花管注水泥浆，注浆完成后，再进行钻孔取芯，验证注浆效果，如注浆不到位、不密实，则重新钻孔注浆。

图2 地下连续墙处岩溶探测布孔图

（5）岩溶对基坑施工影响及处理。岩溶水具有承压性，基坑结构下方溶洞覆土或岩层如不能支撑上部结构荷载，易造成基坑突泥涌水、破坏支撑体系、管线破坏、建筑物开裂沉降等后果，影响基坑稳定性。在基坑内留白区域，标准段先导孔按6m 距离满堂布设。布孔时，结合临时钢立柱或抗拔桩位置，探边孔按照2m 间距向外扩展。加宽段先导孔按一排或两排布置，间距为6m，探边孔按照2m 间距向外扩展。当纵向边界处探边孔探测出溶洞，则加长探测范围，直至探至溶洞外。用钢花管注水泥浆，待注浆完成后，进行钻孔取芯，验证注浆效果，如注浆不到位、不密实，则重新钻孔注浆。

3.2 岩溶区超深超宽高入岩地下连续墙施工

（1）地下连续墙施工特点。地下连续墙作为围护结构对于深基坑的防水、防渗、做好基面处理、提高支护刚度具有很好的作用，广泛应用于软卧地层深基坑工程。地下连续墙成槽时间长、上部软土极易发生缩槽及塌孔。由于地下连续墙成槽深度深，钢筋笼下放时易出现偏差。地下连续墙接缝处容易产生混凝土绕流，导致接缝处出现渗漏水等质量缺陷，影响基坑土方开挖、支撑及主体结构施工安全和质量。

（2）垂直度及接头质量控制。考虑到超宽超深地下连续墙垂直度难以控制，接缝质量效果较差。施工中，选用了垂直度控制较好的设备，地下连续墙每成槽10m，均通过超声波检测槽段垂直度，采用泡沫板填充翼板内侧，防止混凝土绕流。

（3）复合地层高岩面高强度质量控制。复合地层地下连续墙成槽时间长，上部软土易塌孔。岩面高、强度大，单一采用双轮铣，施工效率较低（0.3～0.4m/h）。为确保地下连续墙成槽质量，地下连续墙施工采用“抓、旋、冲、铣”结合工艺，上部软土采用成槽机成槽，埋深40m 以内岩石采用旋挖钻引孔和冲击钻引孔配合成槽，埋深40m 以下部分岩石采用双轮铣施工。采用冲击钻引孔+铣槽施工效率为0.8～0.9 m/h，采用旋挖钻引孔+铣槽施工效率为0.95～1.05m/h，较单一采用双轮铣施工效率有较大提升。

3.3 岩溶区石方深基坑施工

（1）施工特点分析。江南工作井基坑宽度最大为50m，深度为45.4m，岩层强度高达54MPa，岩层开挖方量为7.9 万m，存在强发育岩溶区；基坑周边施工管线多，涉及电力、雨水、污水、自来水、通信和燃气6 种管线；江南工作井西侧存在软土高边坡、低矮棚户区、学校等敏感建筑物，如图3 所示。

图3 基坑周边建筑物示意图

（2）施工方案比选。考虑到工程位于市区主干道，基坑开挖方式受限，通常采用爆破和机械开挖方式，经综合分析对比，本工程采用机械开挖方式，具有振动小、设备噪声低、对环境影响小等特点，如表2 所示。

表2 开挖方案比选表

（3）环境敏感区石方深基坑施工。由于本工程位于环境敏感区，在石方开挖阶段，针对不同强度岩层，采用不同机械设备，以满足施工生产需求和噪声控制要求。当岩石强度小于20Mpa时，采用高频液压破碎锤施工，施工噪声为30～50dB；当岩石强度为20～50MPa时，采用钻劈裂一体机和液压预裂法施工，施工噪声为0～20dB；当岩石强度大于50MPa 时，采用圆盘锯开槽施工，施工噪声为50～70dB。