濱海吹填土基坑支護及止水帷幕工程研究

劉凱　王焱　趙傳杰

摘 要：利用濱海固相沉積物進行圍海造陸，既有利于土地資源的生成，也在一定程度上起到了疏浚航道、港口的作用，我們將這些通過絞吸船拋灑至海岸淺灘的濱海固相沉積物稱為吹填土。然而大量實踐表明，吹填土的形成機理和不良物理力學性質給巖土工程帶來了諸多復雜的問題，增加了額外的資金投入。因而，針對吹填土的研究也越來越受到了科研工作者和生產工作者的重視。本文以膠州灣東岸青島市“捷能”集團總部大樓施工場地為例，結合本人長期積累的相關實踐經驗，著重對濱海吹填土基坑支護及止水帷幕兩個方面進行了研究，為類似巖土工程提供一些設計、施工和注意事項上的參考。

關鍵詞：吹填土；基坑支護；止水帷幕

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.091

0 引言

隨著經濟社會的高速發(fā)展，尤其是“十三五”規(guī)劃的實施，城市基礎建設迎來了新的里程碑。與此同時，我國各大濱海城市基礎建設用地日趨緊張，均不同程度地開始面臨吹填土帶來的一系列難題。吹填土是絞吸船將濱海相泥砂拋灑至海岸淺灘形成的，是圍海造陸的物質基礎。吹填土粒徑不均勻、多含有粉粒和粘粒、常伴有一定質量分數的有機質、高滲透率、高含水率、高壓縮性、低承載力[1]。由于其上述形成機理和物理性質，且絕大多數吹填土標高處于與黃?；鶞拭娴雀叩臓顟B(tài)，這就使得基坑支護工程風險和難度大大增加，使得止水帷幕工程成為必要環(huán)節(jié)。本文以具體工程為案例，結合本人長期積累的相關實踐經驗，對濱海吹填土基坑支護及止水帷幕設計要點、施工流程、注意事項進行了研究。

1 工程概況

施工場地位于膠州灣東岸青島市市北區(qū)瑞海北路177號歡樂濱海城內中部?！敖菽堋奔瘓F總部大樓項目包括1棟20層辦公樓和1座2層地下車庫，項目占地面積8333.30m2，總建筑面積32127.15m2，設計地面標高為5.58m，設計基底標高為-7.50m。

1.1 工程地質條件

勘察結果表明，場地原屬海岸淺灘地貌，后經人工吹填改造而成。地表標高最大值4.28m，最小值1.74m，地表相對高差2.54m。根據巖土體物理力學性質的不同，可將場地地層自上而下劃分為8個工程地質層和2個亞層。分述如下：

第①層雜填土：黃褐色～褐黃色，松散～稍密，稍濕～飽和，以碎石、砂性土、粉土混建筑垃圾為主。層厚1.20～2.60m，平均厚度2.23m，層頂標高2.28～4.28m。

第②層吹填土：黃褐色，松散～稍密，稍濕～飽和，以吹填（吹填時間約5年）的中粗砂為主，約占78%，并含少量粘粒，礦物成分以石英、長石為主。該層在場地廣泛分布，層厚1.90～7.40m，平均厚度4.28m。層頂標高1.08～3.75m。結合經驗，給出fak=50kPa，E0=4.0MPa。

第③層淤泥混粉細砂：深灰～灰黑色，松散，飽和，砂性土成分以粉砂為主，含淤泥質土，有臭味，見少量海貝。揭露厚度0.60～6.00m，平均厚度3.01m。層頂標高-3.75～-3.04m。結合經驗，給出fak=65kPa，E0=3.0MPa。

第④層淤泥質粉質粘土：深灰～灰黑色，軟塑，飽和，為海岸沼澤相沉積層，略有腥臭味，含大量貝殼碎屑。揭露厚度2.00～8.30m，平均厚度4.20m。層頂標高-7.97～-0.67m。結合經驗，給出fak=55kPa。

第⑤層粉質粘土：黃色～黃褐色，可塑，稍濕，含少量風化砂顆粒，夾灰色高嶺土條帶，見黑褐色鐵錳質浸染，土質較均勻，壓縮性中等，切面略有光澤，干強度中等，韌性中等。揭露厚度0.40～6.50，平均厚度2.40米。層頂標高-20.75～-4.22m。結合經驗，給出fak=180kPa。

第⑤-1層中砂：灰白～黃褐色，稍密～中密，濕，以中砂為主，局部變相為粗砂，磨圓度高，分選性一般，含少量粘粒，礦物成分以石英、長石為主。該層在場地多以透鏡體出現，揭露厚度0.90～7.30m，平均厚度3.29 m。層頂標高-16.33～-5.94m。結合經驗，給出fak=160kPa， E0=10.0MPa。

第⑥層含粘性土礫砂：黃褐色，中密，濕，以礫砂為主，局部變相為中粗砂，混約20%粘性土，磨圓度差，分選性一般，礦物成分以石英、長石為主，局部有粘性土薄層。揭露厚度0.70～16.10m，平均厚度5.74m。層頂標高-23.42～-11.84m。結合經驗，給出fak=230kPa， E0=20.0MPa。

第⑥-1層粉質粘土：黃色～黃褐色，可塑，稍濕，局部偏硬塑，局部混少量中粗砂粒，見黑褐色鐵錳質浸染，土質較均勻，壓縮性中等，切面略有光澤，干強度中等，韌性中等。該層在場地多以透鏡體出現，揭露厚度0.90～6.00m，平均厚度2.03 m。層頂標高-16.33～-5.94m。結合經驗，給出fak=230kPa。

第⑦層強風化泥質砂巖：紅褐色～棕紅色，稍濕，碎屑沉積泥質膠結結構，中-厚層層狀構造，節(jié)理、裂隙發(fā)育，風化嚴重，結構構造已大部分破壞，巖芯呈碎塊狀，手掰易碎，長時間浸水易泥化。揭露厚度2.90～12.60m，平均厚度9.22 m。層頂標高-30.58～-25.17m。結合經驗，給出fak=400kPa，E0=25MPa。

第⑧層中風化泥質砂巖：紅褐色～棕紅色，稍濕，碎屑沉積泥質膠結結構，中-厚層層狀構造，節(jié)理、裂隙一般發(fā)育，中等風化，結構構造部分破壞，巖芯呈柱狀，錘擊易碎。揭露厚度0.70～5.10m，平均厚度1.65 m。層頂標高-40.15～-31.45m。結合經驗，給出fak=800kPa，E0=45MPa。

1.2 水文地質條件

根據勘察資料并結合本區(qū)域水文地質條件，得出本場地地下水主要賦存于第①層雜填土、第②層吹填土和第⑥層含粘性土礫砂中，屬于潛水～弱承壓水?？辈炱陂g屬于枯水季節(jié)，地下水水位隨海水的漲落潮而波動。實測穩(wěn)定水位埋深0.86～3.50m，穩(wěn)定水位標高-1.06～1.56m，設計時應按水位埋深2.00m考慮。

本區(qū)域地下水與海水存在密切的水力聯系，漲潮時海水經吹填土地層，側向補給場地地下水，落潮時場地地下水經吹填土地層，側向補給海水。流速建議值v=2.50×10-4～7.50×10-3cm/s。大氣降水和潛水蒸發(fā)對地下水影響不大，可不做為主要因素考慮。經統(tǒng)計，地下水水位動態(tài)日變幅為0.30～0.50m，動態(tài)年變幅為1.50m左右。

2 基坑支護及止水帷幕工程

2.1 基坑支護及止水帷幕設計要點

因場地外部施工空間受限，本基坑采用垂直開挖方案，開挖深度約11.0m，基坑周長約385.0m。綜合本場地存在廣泛分布、厚度很大的新近吹填土地層的工程概況和本區(qū)域以往實踐經驗，本基坑以及類似基坑安全等級應按一級考慮。

2.1.1 基坑支護設計要點

根據前述地層條件，特別考慮到本場地吹填土地層不良的物理力學性質，基坑支護結構設計為鉆孔灌注樁排樁配合三層錨索錨固的模式。鉆孔灌注樁樁直徑1000mm，樁間距1800mm，樁長18.0m，混凝土強度為（水下）C30[2]。樁頂設置鋼筋混凝土冠梁，標高設在3.50m，冠梁尺寸1.2×1.0m，混凝土強度為C30。樁面采用φ6.5@200mm單層雙向鋼筋網掛網噴射混凝土圍護層，混凝土強度為C20，厚度為80mm。采用擴大頭錨桿BWCG工法進行錨索施工，鉆孔直徑150mm，擴孔直徑700mm，傾角30°，其抗拔力高，錨頭位移小，安全性好，擴大頭錨桿注漿采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥。錨桿鋼絞線為φ15.2，強度標準值1860.0N/ mm2，設計值1320.0N/mm2。錨桿端部設置0.5×0.5m混凝土斜面腰梁，混凝土強度為C30。

2.1.2 止水帷幕設計要點

由于本場地存在吹填土等高滲透率的地層，水文地質條件復雜，設計為三管法高壓旋噴樁止水帷幕截止基坑外地下水向基坑內地下水滲透，采用P.C32.5復合硅酸鹽水泥，摻量為600.0kg/m（提升高度）。具體為本基坑東側、南側和西側在灌注樁軸線外1.0m處設置高壓旋噴樁獨立成排止水帷幕，設計樁徑為1200mm，間距為900mm。本基坑北側由于施工空間有限，在灌注樁軸線外0.2m處設置高壓旋噴樁，旋噴樁位于相鄰支護樁中間，與支護樁共同形成止水體系，設計樁徑為1200mm，間距為1800mm。各旋噴樁長度按不同區(qū)段分別進行控制，樁端應進入第6層含粘性土礫砂層不少于1.0m，頂部2.0m空噴，采用兩序分序施工，以利用天然隔水性較強的中間地層有效切斷基坑內外地下水的水力聯系。

2.2 基坑支護及止水帷幕施工流程

施工流程：場地平整→場地控制點測放→基坑支護點放線→基坑支護灌注樁施工→止水帷幕點放線→止水帷幕高壓旋噴樁施工→冠梁施工→第一層土方開挖→第一層掛網噴射混凝土圍護層→試驗性錨索施工及錨索張拉試驗→第一道錨索及腰梁施工→張拉鎖定第一道錨索→第二層土方開挖→第二層掛網噴射混凝土圍護層→第二道錨索及腰梁施工→張拉鎖定第二道錨索→第三層土方開挖→第三層掛網噴射混凝土圍護層→第三道錨索及腰梁施工→張拉鎖定第三道錨索→土方開挖至基底設計深度（結束）。以上流程，因各環(huán)節(jié)與同類巖土工程施工工藝方面沒有實質差別，故僅將各環(huán)節(jié)之間的施工先后順序做了時間上的排列，各環(huán)節(jié)具體施工工藝可參照相關規(guī)范、規(guī)程。

2.3 基坑支護及止水帷幕注意事項

本人從事此類巖土工程以來，經歷過多次因忽視吹填土地層的存在或低估吹填土地層不良影響的程度，造成整個工程難度增大、工作量增加甚至人員受傷的案例。為避免此類案例的發(fā)生，特分項總結了如下注意事項。

2.3.1 灌注樁施工注意事項

第一，由于吹填土地層的存在，使得選用正循環(huán)回轉鉆機、刮刀鉆頭進行鉆孔施工最為有利，該施工方法利于維護吹填土地層孔壁的穩(wěn)定。此次采用正循環(huán)回轉鉆機SPC-600型，鉆頭采用三翼刮刀鉆頭，施工中鉆桿柱與孔壁之間環(huán)形空間泥漿正壓力穩(wěn)定，未出現工程事故，較為可靠。第二，鉆進至吹填土地層，應采用高粘度優(yōu)質粘土造漿方法進行泥漿護壁，并控制合理的加量。此次泥漿相對密度控制在1.2g/cm3左右，有效地防止了漏失、塌孔、泥漿失效、較高成本等不良后果。第三，灌注樁鋼筋籠保護層墊塊不易過厚，50mm為宜，每4米設置1組，每組4塊，沿籠身周圍均布。第一組墊塊設置在第一道加強筋下500mm處，第二組墊塊則剛好可越過吹填土地層，即任何一組墊塊均不處于吹填土地層范圍內，以避免與吹填土地層孔壁的碰撞，否則易發(fā)生連鎖式掉塊塌孔。第四，正式澆筑混凝土至吹填土地層時，保證充盈系數不小于1.0且不大于1.3。因此，混凝土還應具備良好的和易性，塌落度取180～220mm，適當延長澆筑時間，適當放緩澆筑速度，不得使用振搗機具振搗，保證該地層段的成樁質量。

2.3.2 掛網噴射混凝土圍護層施工注意事項

第一，掛網噴射混凝土圍護層時，如至吹填土地層，建議在灌注樁背部、止水帷幕內部插入適當長度且直徑不小于50mm的水平排水管若干，其外端要伸出圍護層，排水管間距可為2.0～3.0m，以便將圍護層后的積水排出。此次基坑四壁共計排出上述位置地下水約429.6m3后，不再有來基坑自四壁的地下水涌出，與預想情況相符。這樣既消除了灌注樁背部到止水帷幕內部之間存在地下水的隱患，也不易造成認為止水帷幕施工效果不佳的誤判。第二，以往實踐經驗表明，在吹填土地層段噴射混凝土圍護層時，根據該地層段含水性大小加入一定量的早強劑，可以有效減少混凝土掛網不佳、局部掉皮、露筋現象。

2.3.3 錨索施工注意事項

第一，錨索施工配合灌注樁排樁施工，是應對基坑支護遭遇吹填土地層的有效措施。為保證類似基坑支護工程的安全，不建議單獨進行灌注樁排樁施工而不加以錨索施工[3]。第二，錨索鉆孔施工至吹填土地層時，常伴隨孔口大量突水潰砂的現象。應及時采用加入速凝劑的干硬性水泥砂漿或其它堵漏劑封堵孔口。第三，錨索注漿遭遇吹填土地層應采用純水泥漿，且水灰比要達到0.5，注漿要連續(xù)、飽滿。必要時可加入一定量的早強劑，以縮短水泥漿的凝固時間，提高其早期強度。否則張拉鎖定錨索時，失效現象將增加。

2.3.4 旋噴樁施工注意事項

第一，引孔至設計深度后，緩慢拔出巖芯管，并換上噴射注漿管插入預定深度。在插入噴射注漿管過程中，為防止泥砂堵塞噴嘴，要邊射水邊插管，經過吹填土地層時，水壓不得超過1.0Mpa，以免壓力過高，將孔壁射穿，引起吹填土地層繞孔壁形成松散土環(huán)。第二，正式旋噴之前，進行試樁工作。通過試樁工作判斷不同地層（深度）的配漿參數是否合理，尤其注意吹填土地層水灰比的調整。此次至吹填土地層時，采用的水灰比為1：1，后期驗樁階段也表明了采用此水灰比施工，可保證旋噴樁抗?jié)B性和其它物理力學參數符合規(guī)定的要求。第三，開始旋噴后，鉆桿的旋轉和提升應連續(xù)進行，不得中斷。至吹填土地層，增加旋噴時長的同時，適當放緩旋轉速度至8cm/min，適當放緩提升速度至12r/min，適當減小水壓力至30MPa，適當減小空氣壓力至0.5MPa，適當減小水泥漿壓力至1.5MPa，以免發(fā)生縮頸和斷樁等成樁不良現象。

3 結論

吹填土具有一般天然巖土體所沒有的不良物理力學性質，而且其特定的形成機理，極易成為場地地下水與海水構成水力聯系的通道。從基坑支護及止水帷幕兩個方面進行科學設計、施工，并參考本文羅列的一些注意事項，將能有效地處理吹填土帶來的諸多巖土工程問題，減少資金的投入。

參考文獻：

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[3]帥海樂，詹黔花，龍舉等.基坑工程預應力錨索施工問題現場試驗研究[J].施工技術，2016，45（13）：22-27.

作者簡介：劉凱（1986-），男，山東壽光人，本科，中級工程師，研究方向：巖土工程、地質工程。