复杂地质场区的深基坑支护工程设计与施工

复杂地质场区的深基坑支护工程设计与施工 -某工程深基坑支护施工小结 提要本文对处于含淤泥，中、粗、细砂及砾砂夹层等复杂成因的地质场区，采用深层搅拌桩构成止水幕墙的失败过程、原因及其处理过程中的失误和成功经验的小结。关键词复杂地质场区，深层搅拌桩，止水，支护，小结。1 工程概况：本工程位于广州市东山区寺右新马路文化里杨箕涌侧，东临某中学，西距杨箕涌仅8.5米，工地的物资运输仅靠涌边不足六米宽的道路。工地的平面形状近似椭圆形，占地面积约为2100平方米。设两层地下室，主楼28层，总建筑面积28300平方米。工程的0.000标高相当于绝对标高9.000m，场地自然标高为设计标高-1.000m，基坑开挖深度为9.70m。2. 地质资料与周围环境2.1根据地质资料，场区内埋藏的地层自上而下依次为：人工填土（Qml）: 岩性为杂填土，土黄褐红等杂色，湿，松散，由泥砂及碎砖、石、瓦片等组成，坚硬物占25%-30%，层厚1.802.30m，平均厚度2.00m。第四系冲积层（Q4al）： 由粘性土（粉质粘土、粉土）及砂性土（细、中、粗、及含砾粗砂）组成，层厚8.10m10.30m，据其岩性组合及其物理力学性质差异，可划分为四个亚层：a. 岩性主要为粉质粘土，局部为粉土，灰及黄灰色，湿，软塑及可塑状，含少量有机质，顶部分布0.300.50m的耕植土。层厚0.500.70m,平均厚度为1.50m。b. 岩性为细、中砂，局部粗砂，黄、灰、灰白等色，饱和、松散，分选性一般（偏差），层厚0.505.80m,平均厚度为2.50m。c. 岩性主要为粉质粘土及粉土，黄、浅黄及灰黄色，湿，软塑-可塑，具粘性，层厚0.505.10m，平均厚度2.90m。d. 岩性主要为中、粗砂，局部为含砾粗砂，灰白及灰黄色，饱和，中密，分选性一般，部分较差，层厚4.3010.50m,平均层厚8.30m。残积层（Qel）:岩性为粉质粘土，褐红色，湿，密实状。层厚1.102.60m，平均厚度1.60m。白垩系基岩（K2）： 岩性主要为泥质粉砂岩和砂岩（含砾岩），褐红色，砂状结构，前者碎屑均一，后者不均，泥铁质胶结。根据岩风化程度划分为强风化、中风化、微风化三个带。a. 强风化岩带： 岩石已强烈风化为岩间土状，以岩状为主，岩质很软，大都手能折断，岩芯呈块状及柱状，局部夹中风化岩，层厚1.306.70m，平均层厚3.40m。b. 中风化岩带：主要岩性为泥质砂岩及砂岩，岩芯以短柱状为主，部分为碎块状，裂缝发育，锤击声哑，指甲能划动，失水大都易干裂，局部夹偏微风化岩。层厚2.3013.50m,平均厚度8.230m。c. 微风化岩带：岩石较完整，风化弱，岩芯呈长间短柱状，岩性较坚硬，锤击声脆，以砂岩为主，局部夹中风化岩。揭露层厚7.80m。2.2. 场地地下水主要赋存于第四冲积层砂性土,为孔隙潜水,水量较丰富,渗透性强.基岩内强及强风化岩带裂隙发育也含裂隙水,地下水位-1.702.40米。其地下水受珠江动水压力影响，并直接接受杨箕涌水流补给，地下水补给来源丰富。2.3. 场地周围环境：场地南面为学校宿舍，四层混合结构，距基坑边缘约7m，该建筑物基础处于砂层中；场地西面与杨箕涌之间仅距8.50m，是可通行车的道路；场地东北面为中学的围墙，东面为一幢二层教学楼、五层教学楼及单层仓库。3. 基坑支护结构本工程基坑支护结构设计是由某市建筑设计研究院设计。基坑支护结构如下：外层采用密搭式深层搅拌桩构成的防渗止水幕墙。搅拌桩直径700，双搅头，桩长12.30m，要求进入不透水残积层或强风化层内；止水幕墙内采用密排人工挖孔挡土桩，桩内径为1200、1000，桩间距分别为1500、1300;挡土桩顶（-2.50m）设钢筋混凝土压顶梁,压顶梁内侧之间设 60012水平钢管支撑，70008000。4.基坑支护施工中遇到的问题及其处理措施：4.1深层搅拌桩止水幕墙的失败 本工程的深层搅拌桩止水幕墙采用SJB型700双轴深层搅拌桩机，功率为75kw，双搅拌头之间搭接200，相邻每组桩之间搭接300，即每次作业完成0.9延长米。本工程止水幕墙总长为195延长米，桩长12.30m,要求进入砂层下强风化岩1.00m。在深层搅拌桩施工过程中，位于西面及南面局部地段，当钻进至-9.00m上下时，发现含砾粗砂层。由于搅拌桩机的能力所限及其钻头形式的弱点，未能钻进该层。因而不能形成封闭的止水围幕。另一方面，在施工过程中，深层搅拌桩的垂直度控制不严，于两桩搭接部位形成裤叉状空隙，因而在-7.00m处局部出现漏水现象。由于密搭式深层搅拌桩止水幕墙未能达到封闭式的止水作用，因而造成其后部分人工挖孔桩在施工过程中出现涌水和流砂现象，部分砂随抽水流出，形成砂层空洞，引起部分桩护壁拉裂、脱节及桩外地面和路面下陷的不利情况。4.2.处理过程中的失误和经验：4.2.1 在发现深层搅拌桩不能进入含砾粗砂层时，未能及时改换桩机或改进搅拌头，使其能钻进粗砾砂层内。在试钻时发现搅拌头不能进入粗砾砂层，有关技术人员研究讨论时，曾提出改换钻头或改换桩机型式，但由于施工队伍对此认识不足，未能接纳，继续施工至全部止水幕墙完成。4.2.2 在人工挖孔挡土桩挖至-7.00m时，西面及西南角部分桩孔出现严重的涌水现象，显示止水幕墙的失败。在研究处理失效的止水幕墙的过程中，提出两种处理方案：在原止水帷幕的位置，采用500的小型钻机造孔，孔深按止水帷幕原设计深度（12.30m），灌注C15细石混凝土，小型钻孔桩采用密搭型式.在挡土桩外侧两桩之间采用高压旋喷形成止水帷幕，并在强风化岩下0.50m或穿越沙夹层，再用高压旋喷成桩，在沙层界面下再行复喷，以形成下部的止水帷幕。施工队最后采用的方案进行止水幕墙的补漏。高压旋喷注浆工艺，是利用高压浆液射流对土体的切割和强制搅拌，形成具有一定固结体积、强度和抗渗能力的防渗体。施工时，钻头钻进强风化岩内0.51.00m，或进入隔水层内，高压泵输送高压浆液，压力控制在1622Mpa，水泥浆液的水灰比控制在1:1，水泥用量180200kg/m，就地旋喷23分钟后，按20转/分钟和1530cm/分钟的速度提升，相邻桩搭接不少于100mm。在围绕场地外进行旋喷一周后，继续进行人工挖孔桩的掘进，桩内涌水现象局部有所减少，但还有部分桩仍然涌水和出现流砂，因此对这部分桩外侧再进行高压旋喷止水，但效果仍不能达到止水的目的，说明本工程采用高压旋喷止水进行止水帷幕补漏的方法是不恰当的。其原因是由于该区段曾发生涌水、流砂，在桩孔内抽水过程中，砂土随之流失，形成局部空虚，高压旋喷使土层受射流冲激扰动，而水泥浆液未有得到足够的颗粒与之固结，未能形成封闭的防渗体。4.2.3 修改桩种及随之带来的问题及其处理措施：对于西南面桩孔严重漏水的原人工挖孔桩，改为1100钻孔桩，以期加快工程进度，但随之带来一个更为严重的渗漏问题：原人工挖孔桩内径为1200，加护壁150，桩间距为1500。而改为1100钻孔桩后,桩间距仍为1500,桩之间净距则为400。虽然在地面以下7.00m已开挖的人工挖孔桩，桩间距仍然是密排的，但在-7.00m以下未挖的下段，则出现400的间隙，因此，必须封闭这400间隙，才能顺利开挖基坑。微型钻孔桩墙及钢丝钻在高压旋喷止水失败后，密排微型钻孔桩被重新提出和采用。其方法是在挡土桩外侧造400的微型钻孔素混凝土灌注桩，以构成止水防渗墙。其施工顺序为先采用特制的微型钻头以跳钻形式造孔，灌注素混凝土，形成素混凝土微形桩，桩径400，桩中心距600，待桩体达到一定的强度后，再用钢丝钻做灌注桩。钢丝钻灌注桩是先施工中心导孔，孔径150，孔深达到设计要求后，改换特制的钢丝钻头向下钻进，并反复提钻和下钻，使先施工的微形桩桩身得到充分的清扫。提钻后，再插下导管灌注素混凝土，从而使桩体搭接紧密，达到防渗止水效果。经后来的基坑开挖观察，采用微形桩墙段，其止水效果较佳。但实施了西面的一段后，由于南面基坑已部分开挖，钻机不能就位，因此，南面未能实施微形桩墙。 摆喷及桩间压浆南面未能实施微形钻孔桩墙，改用桩外侧在桩间进行摆喷和压浆工艺，以达到堵塞桩间空隙。由于摆喷是可在一个角度的范围摆动和喷射水泥浆液，因此，就确定只向桩间范围摆喷。这样有针对性，同时不会扰动其他方面的土体，有利于防渗体的形成和固结。当基坑开挖过程中，如发现仍有局部的渗漏现象，则采用桩外侧桩间高压注浆的工艺。并根据渗漏的严重程度，适当采用水泥浆液和水玻璃双液压浆工艺，以加快浆体的凝结和达到止水效果。通过上述综合止水防渗措施后，基坑已开挖至设计深度。其中包括在-2.000m标高处安装60012钢管内支撑。在开挖基坑过程中，于场地西面马路及北面中学围墙发生局部下沉，其中西面马路下沉约200mm，其余周边马路及建筑物均稳定，未出现沉、裂等异常现象。5.体会： 5.1 本工程基坑支护设计采用外层止水幕墙，人工挖孔桩挡土，钢管内支撑体系是合理的。其失误之处是外层止水幕墙施工的失败。止水幕墙施工的失败，其原因有如下两点：1 地质原因 本工程位于杨箕涌靠近珠江下游的沉积地带。杨箕涌发源于白云山，流程不长，因而冲积物中的细、中、粗、砾颗粒层次互相覆盖，形成复杂的冲积地层。本工程地质资料对场地的地质复杂情况反映不足够，特别未能揭示场地地质在强风化下还有一层砂夹层的情况，在选择施工工艺及施工机械方面对本工程的地质复杂情况重视不够。2 特殊工序能力不足 基坑外围止水幕墙因属“特殊工序”。所谓“特殊工序”，即对施工过程质量不能通过其后的检验完全确定，使用后才暴露其质量缺陷的工序。对于特殊工序应进行特殊工序能力分析。特殊工序能力分析是从人员、机具、材料、工艺和环境等五个方面进行。 本工程止水幕墙采用SJB型700双搅拌头的深层搅拌桩机，其功率为75kw。当钻到含砾粗砂层时，由于功率不足和搅拌头的性能所限，不能进入该层，因而未能形成完整的止水防渗体。如果把SJB-700双搅拌头（功率为75kw）的深层搅拌桩机与PH5-500单轴（功率为38kw）的深层搅拌桩机的工作能力作比较，显然，SJB型机要搅动的土体为20.72(/4)h；而PH5型机要搅动的土体为0.52 (/4)h，两者的比值为20.72(/4)h/0.52(/4)h =0.98/0.25=3.92;而两种机型的功率比值为：75/38=1.97.显然PH5型搅拌机的工作能力大于SJB型双搅拌头机，况且要搅动距离搅拌轴中心越远的土体，花的力就越大，因此，实际上，PH5型搅拌机的工作能力大大高于SJB型双搅拌头搅拌机。 由此可见，SJB-700双搅拌头深层搅拌桩机对于较硬的土层，其工作能力较差，但在较软弱的土层中，由于其每次工作的完成量为1延长米，因而有其施工速度快的优点。 根据一些工程经验，单轴500深层搅拌桩机，当采用相应的钻头（如十字形搅拌头等），是可以穿过粗砂层或含砾粗砂层。5.2在处理过程中的两度失误：5.2.1 当发现SJB-700双拌头搅拌机不能进入-9.000m处的砂砾层时，没有及时更换具有穿透能力的钻头或钻机，调整施工工艺，而只对搅拌头进行局部加强，勉强施工，造成严重后果。5.2.2在发现止水幕墙失效，人工挖孔挡土桩内严重漏水，在研究处