富水砂層中圓形深基坑地連墻圍護(hù)設(shè)計(jì)實(shí)踐

黃 菁

(北京建材地質(zhì)工程有限公司，北京 100102)

1 工程概況

1.1 基本情況

本項(xiàng)目為銀川市供熱管網(wǎng)擬建輸送主干線(xiàn)之穿越黃河隧道工程，位于黃河二橋以北約600 m處，穿越工程總長(zhǎng)度約2.3 km，穿黃隧道采用盾構(gòu)法施工。本次穿黃場(chǎng)地所在區(qū)域黃河?xùn)|側(cè)大堤為S203省道，黃河西側(cè)大堤為濱河大道。黃河?xùn)|岸設(shè)置盾構(gòu)始發(fā)井，采用明挖法施工。

本文研究主要內(nèi)容為盾構(gòu)始發(fā)井基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)施方案，場(chǎng)地地勢(shì)平整，場(chǎng)坪標(biāo)高1 118.000 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，為圓形基坑，連續(xù)墻基坑內(nèi)徑20.4 m，外徑22.8 m，開(kāi)挖深度為48.8 m，連續(xù)墻兼做永久抗浮結(jié)構(gòu)；盾構(gòu)井主體結(jié)構(gòu)采用倒掛井壁法施工，主體結(jié)構(gòu)內(nèi)徑18 m，壁厚1.2 m?；游鞅眰?cè)為新建機(jī)場(chǎng)高速路收費(fèi)站入口道路；東側(cè)臨近川慶鉆探長(zhǎng)慶鉆井工程總公司機(jī)修公司銀川石油機(jī)械修造廠進(jìn)廠道路，道路與基坑場(chǎng)地存在2 m高差，基坑北側(cè)和南側(cè)均為林地與旱地?；拥叵逻B續(xù)墻基坑周邊環(huán)境情況見(jiàn)圖1，圖形基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置如圖2所示。

1.2 工程地質(zhì)

本場(chǎng)地自西向東依次位于黃河沖湖積平原Ⅰ級(jí)階地、黃河河漫灘、黃河沖湖積平原Ⅰ級(jí)階地。場(chǎng)地各鉆孔孔口高程在1 100.00 m～1 118.68 m之間，主要巖土物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 巖土物理力學(xué)性質(zhì)綜合統(tǒng)計(jì)表

1.3 水文地質(zhì)

場(chǎng)地范圍內(nèi)共觀測(cè)到一層地下水，地下水類(lèi)型為潛水。2017年8月24日實(shí)測(cè)黃河水位高程為1 105.20 m，黃河兩岸水位略高，主要含水層為②細(xì)砂層、③1卵石層、③細(xì)砂層、⑥1卵石層。

2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案比選

目前在地下水豐富的超深基坑中使用較成熟的圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案主要有鉆孔咬合樁+坑內(nèi)排水疏干、沉井+坑內(nèi)排水疏干、地下連續(xù)墻+坑內(nèi)排水疏干方案等。本文研究案例為圓形基坑，且深度達(dá)48.8 m，鉆孔咬合樁精度控制難度較大，難以形成封閉的基坑堵水方案，故不考慮選用。根據(jù)工程及水文地質(zhì)、地面場(chǎng)地條件、基坑深度等情況，對(duì)沉井和連續(xù)墻方案進(jìn)行研究比選，見(jiàn)表2。

表2 沉井和連續(xù)墻方案對(duì)比表

根據(jù)本工程所在場(chǎng)地的工程地質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)沉井施工方案的適應(yīng)性進(jìn)行針對(duì)性的分析：

1)土層中含有大量的大粒徑卵石，且粒徑較大(最大80 mm)，土層均勻性差，且基坑平面尺寸較大(內(nèi)徑20.4 m)，使得沉井施工下沉較難，且易發(fā)生傾斜，豎向精度難以控制，沉井質(zhì)量和工期難以控制。

2)細(xì)砂、卵石對(duì)沉井的側(cè)摩阻較大，需采取一定措施方能施工，對(duì)沉井下沉速度有一定影響，進(jìn)而影響工期。

3)工程所在場(chǎng)地地下水位較高，且基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)細(xì)砂、卵石為主要含水層，沉井施工過(guò)程中坑外地下水易通過(guò)坑底進(jìn)入坑內(nèi)，且基坑封底難度較大，影響基坑穩(wěn)定性，需配合坑外管井降水措施，而場(chǎng)地臨近黃河，所在地層的地下水與黃河有水力聯(lián)系，不適合采用降水法控制地下水。

綜合考慮本工程開(kāi)挖深度范圍內(nèi)地下水的影響、基坑開(kāi)挖深度、地層垂向分布的復(fù)雜性以及周?chē)h(huán)境影響，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+五道混凝土圈梁的支護(hù)方案，坑內(nèi)設(shè)置疏干井，并在坑底設(shè)置高壓旋噴樁隔水層。

3 圓形基坑地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則及標(biāo)準(zhǔn)

1)結(jié)構(gòu)計(jì)算采用極限狀態(tài)法設(shè)計(jì)理論，不同荷載以分項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行組合。

2)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)分為臨時(shí)使用階段和永久使用階段，其中臨時(shí)使用階段設(shè)計(jì)使用年限為24個(gè)月，圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)按γ0=1.1取用。永久使用階段參與主體結(jié)構(gòu)抗浮，設(shè)計(jì)使用年限與主體結(jié)構(gòu)相同為100年，相應(yīng)結(jié)構(gòu)可靠度理論的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期均采用50年。

3)基坑結(jié)構(gòu)包含永久結(jié)構(gòu)、臨時(shí)結(jié)構(gòu)，其中臨時(shí)結(jié)構(gòu)為基坑擋墻結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻及其冠梁為永久抗浮措施，按永久結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4)根據(jù)規(guī)范，本工程基坑變形控制按一級(jí)，沉降控制及基坑結(jié)構(gòu)豎向和水平向變形不大于0.15%H，且不大于30 mm，H為基坑開(kāi)挖深度。

5)圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所考慮的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重、水土壓力、地面超載、支撐及主體結(jié)構(gòu)板傳來(lái)的荷載等。

6)結(jié)構(gòu)側(cè)向荷載為主動(dòng)土壓力及超載產(chǎn)生的側(cè)向壓力，結(jié)構(gòu)計(jì)算中按朗金公式的主動(dòng)土壓力考慮。

3.2 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案概況

1)基坑為圓形，地下連續(xù)墻內(nèi)徑20.4 m，外徑22.8 m，壁厚1.2 m，設(shè)置5道腰梁，倒掛井壁主體結(jié)構(gòu)內(nèi)徑18 m，壁厚1.2 m，基坑開(kāi)挖深度為48.8 m，嵌固深度為20 m，地下水約位于地面下8 m。

本工程利用地連墻作為止水帷幕對(duì)坑外進(jìn)行阻斷，坑內(nèi)設(shè)置降水井，確保施工期間水位降至開(kāi)挖面以下至少1 m；坑底以下分布有透水層，為保證基坑內(nèi)部堵水效果，坑內(nèi)疏干井不可打穿底部加固隔水層。

2)坑底進(jìn)行加固處理，由于坑底無(wú)穩(wěn)定隔水層，場(chǎng)地范圍內(nèi)地下水位較高，且與黃河存在水力聯(lián)系，本工程采用高壓旋噴樁對(duì)坑底以下土體進(jìn)行加固(加固層厚10 m)，起到隔水效果，以保證坑底穩(wěn)定性。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫截面圖見(jiàn)圖3。

3.3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算

1)水平面內(nèi)受力計(jì)算。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)為圓形基坑地下連續(xù)墻，結(jié)構(gòu)按環(huán)向受力進(jìn)行設(shè)計(jì)，內(nèi)力計(jì)算參照CECS137：2015給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程6.2.3中規(guī)定圓形結(jié)構(gòu)水平內(nèi)力計(jì)算方法。

本工程計(jì)算時(shí)分別取基坑深度為9 m，27 m及48.8 m(坑底)位置的地下連續(xù)墻閉合圓環(huán)進(jìn)行分析，摩擦角差值取-8°時(shí)，PB達(dá)到最大，地下水位為-9 m。內(nèi)力為：

NA=PArc(1+0.785 4ω′)，

NB=PArc(1+0.5ω′)，

圓形沉井井壁計(jì)算見(jiàn)圖4。

地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平面內(nèi)配筋見(jiàn)表3。

表3 地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平面內(nèi)配筋

2)基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算。

a.墻底抗隆起穩(wěn)定性驗(yàn)算。

開(kāi)挖至坑底深度為48.8 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)嵌固深度20 m，插入比0.414。

從圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部開(kāi)始逐層驗(yàn)算抗隆起穩(wěn)定性：

支護(hù)底部，驗(yàn)算抗隆起：

Ks=3.593≥1.800，滿(mǎn)足。

深度70.710處，驗(yàn)算抗隆起：

Ks=3.717≥1.800，滿(mǎn)足。

深度77.510處，驗(yàn)算抗隆起：

Ks=4.111≥1.800，滿(mǎn)足。

b.抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算。

基坑底部土抗承壓水頭穩(wěn)定。

4 施工關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

1)連續(xù)墻成槽技術(shù)。本工程連續(xù)墻壁厚1.2 m，最大成槽深度達(dá)68.8 m，由于開(kāi)挖范圍內(nèi)存在較厚的卵石和砂層，地下水位較高，槽壁開(kāi)挖后自穩(wěn)條件差，在成槽、鋼筋籠安放、水下混凝土澆灌過(guò)程中均有較大的施工難度。經(jīng)分析，本文案例地下連續(xù)墻施工擬采用成槽開(kāi)挖擾動(dòng)小、可靠性和穩(wěn)定性較好的液壓雙輪銑槽機(jī)。將圓形基坑輪廓?jiǎng)澐譃?2個(gè)槽段，以多段線(xiàn)模擬圓形，進(jìn)行成槽施工。成槽開(kāi)挖前，應(yīng)詳細(xì)設(shè)計(jì)后設(shè)置混凝土導(dǎo)向墻，提高地下連續(xù)墻成槽時(shí)的豎向精度；成槽時(shí)采用泥漿護(hù)壁，通過(guò)試驗(yàn)確定泥漿配比；成槽后進(jìn)行清孔換漿，以及成槽質(zhì)量檢驗(yàn)，符合標(biāo)準(zhǔn)后再吊放整幅鋼筋籠，灌注水下混凝土。

2)導(dǎo)向墻設(shè)置。為保證成槽施工精度，本工程地連墻施工前設(shè)置導(dǎo)墻，其可在施工時(shí)作為測(cè)量的基準(zhǔn)，并儲(chǔ)存泥漿。導(dǎo)向墻采用C25鋼筋混凝土，橫截面為“ㄈ”型，平面整體形狀布置為多段線(xiàn)模擬圓形，導(dǎo)墻內(nèi)凈空1 250 mm。

3)槽段接縫技術(shù)。由于地連墻成槽及澆筑為分期施工，為保證基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性和接縫的防滲效果，槽段的接縫連接處理至關(guān)重要，目前槽段之間接縫連接可采用“工”字型鋼接頭、圓形鎖口管、波形鎖口管、十字形鋼板、復(fù)合型接頭等。本工程采用改良后的“工”字型鋼接頭，在工字鋼中間設(shè)置止水橫板，既保證接頭的剛度，又增加地下水滲漏路徑，提高防滲效果(見(jiàn)圖5)。

5 結(jié)語(yǔ)

以實(shí)際工程案例為依托，通過(guò)對(duì)比沉井和地下連續(xù)墻的特點(diǎn)與適用環(huán)境，結(jié)合本工程基坑所處環(huán)境情況以及后續(xù)盾構(gòu)始發(fā)的使用功能需求，確定在富水砂層地質(zhì)條件下的圓形深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案，主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)通過(guò)計(jì)算分別確定地下連續(xù)墻水平和豎向的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)滿(mǎn)足基坑內(nèi)凈空使用要求和安全穩(wěn)定性。圓形基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)著重考慮水平面內(nèi)受力計(jì)算，以控制截面配筋，豎向范圍需進(jìn)行各項(xiàng)基坑穩(wěn)定性驗(yàn)算。

2)由于基坑場(chǎng)地范圍內(nèi)地下水豐富，且與黃河存在水力聯(lián)系，圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部無(wú)有效隔水地層，本文采用高壓旋噴樁在坑底加固形成封底隔水層與地下連續(xù)墻形成圍閉止水方案，有效解決了地下水對(duì)基坑施工的影響。

3)富水砂層和卵石地層中地下連續(xù)墻成槽難度較大，槽壁質(zhì)量控制技術(shù)要求較高，且連續(xù)墻總長(zhǎng)度達(dá)68.8 m，施工前需著重研究各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)已實(shí)施成功案例的調(diào)研學(xué)習(xí)。選擇有較強(qiáng)適應(yīng)性和可靠性的銑槽機(jī)設(shè)備；根據(jù)場(chǎng)地條件合理設(shè)置導(dǎo)向墻；選用改良后的“工”字型鋼接頭，在工字鋼中間設(shè)置止水橫板；有條件的情況下應(yīng)在正式工程施工前，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)成槽試驗(yàn)，以保證地下連續(xù)墻施工質(zhì)量。