廖文智

(闽武长城建设发展有限公司,福建 福州 350013)

深基坑开挖时如何有效控制地下水,是确保基坑施工安全的主要任务[1]。采用截水帷幕截水是控制地下水的常用方法,在现有规范中也有要求对地下水的渗流稳定性进行计算。现有多篇文献对止水帷幕的施工及工作机理进行了研究。但各文献都是深大基坑,建设方及施工方都会高度重视,且多数止水帷幕均穿过透水层进入隔水层,而在实际工程中经常会有在深厚含水层中且基坑深度不深的基坑,基坑周边较近处又存在浅基建筑物。由于基坑较浅,建设方及施工方对地下水控制不重视。若截水帷幕穿过透水层进入隔水层,在经济上会造成浪费;若采用悬挂式截水帷幕,则必须计算取值正确截水帷幕长度。本文通过典型的基坑工程实例,分析在深厚透水层中开挖较浅基坑采用悬挂式截水帷幕设计时平时容易忽略的点及在整个施工过程中的注意事项。

1 工程概况

该工程位于某街道,场地位于冲洪积平原地貌单元,原已建物尚未完全拆除,待基坑开挖时该建筑将被全部拆除,距离场地西侧约5.0 m外均为2～6层砖混结构民房,距离南侧约2.0 m为生产厂房,基础型式为浅基独立基础,东西两侧均有一水泥便道,交通较便利。

本场地现场整平高程为19.0 m。本基坑工程为一层地下室,基坑开挖至承台垫层底时,基坑开挖深度为4.8～5.7 m。

1.1 工程地质条件

根据本次钻探结果,场地上部为素填土、泥质细砂和卵石,中部为燕山期二次侵入的花岗岩风化层,下伏基岩为燕山期二次侵入的花岗岩。岩土体物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数

1.2 水文地质条件

本场地位于冲洪积平原地貌单元,场地全部钻孔均有揭示地下水。②泥质细砂和③卵石中的孔隙型潜水,透水性较好,富水性一般,补给来源主要为大气降水和水头位置较高的同一含水层的侧向补给,其水位动态受季节影响变化较大。根据地区经验,②泥质细砂的渗透系数约在3 m/d,③卵石的渗透系数约在50 m/d。花岗岩风化层中的裂隙型潜水,其透水性差,富水性一般。根据地区经验,④砂土状强风化花岗岩的渗透系数约在1 m/d,⑤中风化花岗岩的渗透系数约在0.5 m/d。勘察期间场地初见水位埋深在3.2～3.8 m之间,标高为15.64～15.93 m,稳定水位埋深在3.0～3.5 m之间,标高为15.84～16.23 m,地下水年水位变化幅度约为0.5 m。通过调查附近民用钻井资料,可知场地3～5年最高水位标高约为16.50 m,历史最高地下水位标高约为19.00 m。

2 原支护方案及存在问题

2.1 原支护方案

根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)[2]要求,通过计算比较,基坑截水型式可采用悬挂式截水帷幕。根据式(1)计算截水帷幕进入基坑底的插入深度,其中潜水位采用勘察报告提供的稳定水位值,基坑开挖深度取最深处,即5.7 m。计算得到截水帷幕进入基坑底的插入深度为2.3 m,根据计算结果,设计截水帷幕总长为8.0 m。

(1)

式(1)中,ld为截水帷幕在坑底以下的插入深度,m;D1为潜水面或承压水含水层顶面至基坑底面的土层厚度,m;γ′为土的浮重度,kN/m3;Δh为基坑内外水头差,m;γw为水的重度,kN/m3;Kf为流土稳定性安全系数,安全等级为一、二、三级的支护结构,Kf分别不应小于1.6、1.5、1.4。

根据勘察报告提供的基坑周边钻孔的地层信息,截水帷幕均在稍密的泥质细沙层中,故在基坑外侧布置单轴搅拌桩作为截水帷幕。整体采用“排桩+内支撑支护+单轴搅拌桩”截水帷幕支护。单轴搅拌桩在卵石层面层。基坑整体采用“排桩+钢筋混凝土”内支撑。基坑降水采用井点降水,设置回灌井。

2.2 存在问题

施工单位根据设计图纸施工围护桩及截水帷幕。在施工单轴搅拌桩截水帷幕过程中,由于实际地层卵石面有起伏,搅拌桩无法在中密卵石层施工,部分搅拌桩未达到设计图纸长度,截水帷幕仅施工至卵石层面。施工单位未及时通知建设及设计单位,在施工完围护桩、截水帷幕及内支撑后,施工单位开始对基坑进行抽水并分层开挖。基坑开挖时正值雨季,工程所在地连续两周下大雨,施工单位担心雨水回灌故加大了基坑的抽水量。雨停后基坑周边出现多处下沉裂缝,且基坑侧壁局部也发生了流土现象,基坑周边浅基房屋墙壁产生裂缝。地面沉降裂缝宽约20 mm,高差约80 mm,基坑周边砖砌围墙裂缝呈八字形,情况十分危急,严重影响基坑周边房屋及人员安全。

根据后期水位监测数据,基坑存在过度抽水现象。大雨期间地下水位比勘察报告提供的潜水位高出近1.5 m。根据施工记录,发生流土现象处搅拌桩长度未达到设计长度。

3 临时抢险措施

险情发生后立刻组织施工单位进行抢险,回灌地下水使水位恢复正常值,采取土方回填反压措施,土方回填至排桩冠梁底面,并且要求提高监测频率。着重监测地下水位,最终监测单位反馈的监测数据表明,基坑顶地表水平位移及沉降、坡体深层水平位移、坡顶建筑竖向、水平位移及倾斜等监测数据,均小于预警值。地下水位也恢复至原水位。

4 事故发生原因分析

此次事故发生的主要原因是地下水。首先在最初设计时,采用稳定水位进行计算截水帷幕。该区域地下水水位受季节影响较大,应事先向建设单位了解基坑开挖施工时间,若在雨季进行施工,则应该取最高水位计算。若暂时无法确定施工时间,由于距离基坑较近处存在浅基民房,应采用最高水位计算悬挂式截水帷幕长度。在选用截水帷幕桩型时应综合考虑整个场地的地层情况,按最不利的情况选用桩型。其次搅拌桩施工不能达到设计要求长度时,施工单位应及时反馈给设计单位及时进行调整。同时当天气情况异常时,应及时反馈建设单位及设计单位,不应私自过多抽水。施工搅拌桩时桩垂直度未达到要求,且搭接宽度亦未达到设计要求。最后在施工过程中监测未按设计及规范要求频率进行。在地下水位及沉降位移超过预警值时未及时进行预警。

5 方案变更设计

鉴于本基坑工程存在以上问题,必须对现有的截水帷幕进行变更,以确保基坑自身稳定及周边建构物的安全。加固处理同时应考虑以下几个因素:①已将原设计的支护桩施工完成,本次变更方案应尽可能利用原支护桩,以免造成浪费;②控制基坑及周边建构物的继续变形,最终保证基坑开挖过程的稳定。

5.1 变更方案

根据监测数据及现场分析,基坑周边发生沉降的主要原因为过度抽水,基坑侧壁发生流土现象主要是因为搅拌桩长度不够。综合以上原因,基坑加固的主要方案为调整增加截水帷幕。由于支护灌注桩已施工,无法在桩之间施工咬合桩,经过综合考虑及计算最终在支护灌注桩后施工一排咬合桩。咬合桩桩径为800 mm,间距为600 mm,搭接长度为200 mm,桩长增加至15 m。咬合桩采用旋挖成孔,灌注素混凝土及M7.5水泥砂浆。素混凝土桩与水泥砂浆桩咬合形成截水帷幕。

5.2 计算分析

基坑浅基础荷载取45 kPa,周边地表沉降图如图1所示。

图1 周边地表沉降图

选3～5年场地最高水位及地层最不利钻孔以及监测时最高水位进行渗透稳定性计算。水位埋深为0.5 m;水位标高为18.0 m;卵石层顶标高为11.5 m。根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)[2]对渗透稳定性进行验算(式(1))。按咬合桩长15 m计算,得到流土稳定性安全系数为3.8,大于1.6,满足要求。由图1可知,坑顶最大沉降量为17 mm,距离基坑5 m处最大地面沉降为8 mm,满足要求。

6 变更方案施工与检测

咬合桩施工顺序示意图如图2所示。图中A1～A5为素混凝土桩Φ800,B1～B5为水泥砂浆咬合桩Φ800。施工顺序为: B1→B2→A1→B3→A2→B4→A3→B5→A4→B6→A5。

图2 咬合桩施工顺序示意图

水泥砂浆桩强度等级为M7.5,素混凝土强度为C20。水泥砂浆桩应在场地整平标高后采用旋挖成孔进行施工。桩身检测[3]:水泥砂浆桩应在28 d龄期后综合采用试块试验检测[4]。浆液试块强度试验每台班抽检一根桩,每根桩2个取样点,每个取样点制作3件试块,试块均满足要求。 咬合桩满足设计要求,同时也符合《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)[3]、《建筑地基基础工程施工质量验收规范》(GB 50202—2018)[5]、《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[6]中有关规定及质量验收标准。

7 基坑监测

基坑施工期的监测由第三方具有资质的单位进行,监测单位根据设计方案出具了监测方案,并严格按照监测方案进行监测。基坑在原有监测方案中新增了部分深层水平位移监测点、基坑地表水平位移及沉降监测点、基坑周边建筑竖向、水平位移及倾斜监测点以及地下水位监测。其中,基坑深层水平位移累计值为15.5 mm,支护桩身变形(测斜)累计值为14.0 mm,坑顶地表沉降累计值为11.0 mm,基坑周边建筑最大沉降累计值为6.0 mm。各项监测数据均满足规范要求,表明本次变更方案起到了控制地下水的作用,并使基坑开挖过程处于稳定安全的状态。

8 结论

在地下水丰富及地层透水性良好的地区开挖基坑要特别重视对地下水的控制。在地下水变化受季节影响较大且坑底以下含水层厚度大的地区,采取悬挂式截水帷幕时,应对地下水从帷幕底绕流的渗透稳定性进行验算。在设计截水帷幕采用何种桩型时,应综合考虑整个场地的地层情况,切忌仅参考基坑边线的钻孔资料。施工单位在施工过程中严禁盲目私自变更方案或偷工减量。基坑开挖过程中要有完整的监测体系,监测单位应按设计或监测方案进行监测,及时反馈监测数据。