滨海吹填土基坑支护及止水帷幕工程研究

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　　摘 要：利用滨海固相沉积物进行围海造陆，既有利于土地资源的生成，也在一定程度上起到了疏浚航道、港口的作用，我们将这些通过绞吸船抛洒至海岸浅滩的滨海固相沉积物称为吹填土。然而大量实践表明，吹填土的形成机理和不良物理力学性质给岩土工程带来了诸多复杂的问题，增加了额外的资金投入。因而，针对吹填土的研究也越来越受到了科研工作者和生产工作者的重视。本文以胶州湾东岸青岛市“捷能”集团总部大楼施工场地为例，结合本人长期积累的相关实践经验，着重对滨海吹填土基坑支护及止水帷幕两个方面进行了研究，为类似岩土工程提供一些设计、施工和注意事项上的参考。
　　关键词：吹填土；基坑支护；止水帷幕
　　DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.091
　　0 引言
　　随着经济社会的高速发展，尤其是“十三五”规划的实施，城市基础建设迎来了新的里程碑。与此同时，我国各大滨海城市基础建设用地日趋紧张，均不同程度地开始面临吹填土带来的一系列难题。吹填土是绞吸船将滨海相泥砂抛洒至海岸浅滩形成的，是围海造陆的物质基础。吹填土粒径不均匀、多含有粉粒和粘粒、常伴有一定质量分数的有机质、高渗透率、高含水率、高压缩性、低承载力[1]。由于其上述形成机理和物理性质，且绝大多数吹填土标高处于与黄海基准面等高的状态，这就使得基坑支护工程风险和难度大大增加，使得止水帷幕工程成为必要环节。本文以具体工程为案例，结合本人长期积累的相关实践经验，对滨海吹填土基坑支护及止水帷幕设计要点、施工流程、注意事项进行了研究。
　　1 工程概况
　　施工场地位于胶州湾东岸青岛市市北区瑞海北路177號欢乐滨海城内中部。“捷能”集团总部大楼项目包括1栋20层办公楼和1座2层地下车库，项目占地面积8333.30m2，总建筑面积32127.15m2，设计地面标高为5.58m，设计基底标高为-7.50m。
　　1.1 工程地质条件
　　勘察结果表明，场地原属海岸浅滩地貌，后经人工吹填改造而成。地表标高最大值4.28m，最小值1.74m，地表相对高差2.54m。根据岩土体物理力学性质的不同，可将场地地层自上而下划分为8个工程地质层和2个亚层。分述如下：
　　第①层杂填土：黄褐色～褐黄色，松散～稍密，稍湿～饱和，以碎石、砂性土、粉土混建筑垃圾为主。层厚1.20～2.60m，平均厚度2.23m，层顶标高2.28～4.28m。
　　第②层吹填土：黄褐色，松散～稍密，稍湿～饱和，以吹填（吹填时间约5年）的中粗砂为主，约占78%，并含少量粘粒，矿物成分以石英、长石为主。该层在场地广泛分布，层厚1.90～7.40m，平均厚度4.28m。层顶标高1.08～3.75m。结合经验，给出fak=50kPa，E0=4.0MPa。
　　第③层淤泥混粉细砂：深灰～灰黑色，松散，饱和，砂性土成分以粉砂为主，含淤泥质土，有臭味，见少量海贝。揭露厚度0.60～6.00m，平均厚度3.01m。层顶标高-3.75～-3.04m。结合经验，给出fak=65kPa，E0=3.0MPa。
　　第④层淤泥质粉质粘土：深灰～灰黑色，软塑，饱和，为海岸沼泽相沉积层，略有腥臭味，含大量贝壳碎屑。揭露厚度2.00～8.30m，平均厚度4.20m。层顶标高-7.97～-0.67m。结合经验，给出fak=55kPa。
　　第⑤层粉质粘土：黄色～黄褐色，可塑，稍湿，含少量风化砂颗粒，夹灰色高岭土条带，见黑褐色铁锰质浸染，土质较均匀，压缩性中等，切面略有光泽，干强度中等，韧性中等。揭露厚度0.40～6.50，平均厚度2.40米。层顶标高-20.75～-4.22m。结合经验，给出fak=180kPa。
　　第⑤-1层中砂：灰白～黄褐色，稍密～中密，湿，以中砂为主，局部变相为粗砂，磨圆度高，分选性一般，含少量粘粒，矿物成分以石英、长石为主。该层在场地多以透镜体出现，揭露厚度0.90～7.30m，平均厚度3.29 m。层顶标高-16.33～-5.94m。结合经验，给出fak=160kPa， E0=10.0MPa。
　　第⑥层含粘性土砾砂：黄褐色，中密，湿，以砾砂为主，局部变相为中粗砂，混约20%粘性土，磨圆度差，分选性一般，矿物成分以石英、长石为主，局部有粘性土薄层。揭露厚度0.70～16.10m，平均厚度5.74m。层顶标高-23.42～-11.84m。结合经验，给出fak=230kPa， E0=20.0MPa。
　　第⑥-1层粉质粘土：黄色～黄褐色，可塑，稍湿，局部偏硬塑，局部混少量中粗砂粒，见黑褐色铁锰质浸染，土质较均匀，压缩性中等，切面略有光泽，干强度中等，韧性中等。该层在场地多以透镜体出现，揭露厚度0.90～6.00m，平均厚度2.03 m。层顶标高-16.33～-5.94m。结合经验，给出fak=230kPa。
　　第⑦层强风化泥质砂岩：红褐色～棕红色，稍湿，碎屑沉积泥质胶结结构，中-厚层层状构造，节理、裂隙发育，风化严重，结构构造已大部分破坏，岩芯呈碎块状，手掰易碎，长时间浸水易泥化。揭露厚度2.90～12.60m，平均厚度9.22 m。层顶标高-30.58～-25.17m。结合经验，给出fak=400kPa，E0=25MPa。
　　第⑧层中风化泥质砂岩：红褐色～棕红色，稍湿，碎屑沉积泥质胶结结构，中-厚层层状构造，节理、裂隙一般发育，中等风化，结构构造部分破坏，岩芯呈柱状，锤击易碎。揭露厚度0.70～5.10m，平均厚度1.65 m。层顶标高-40.15～-31.45m。结合经验，给出fak=800kPa，E0=45MPa。
　　1.2 水文地质条件
　　根据勘察资料并结合本区域水文地质条件，得出本场地地下水主要赋存于第①层杂填土、第②层吹填土和第⑥层含粘性土砾砂中，属于潜水～弱承压水。勘察期间属于枯水季节，地下水水位随海水的涨落潮而波动。实测稳定水位埋深0.86～3.50m，稳定水位标高-1.06～1.56m，设计时应按水位埋深2.00m考虑。 　　本区域地下水与海水存在密切的水力联系，涨潮时海水经吹填土地层，侧向补给场地地下水，落潮时场地地下水经吹填土地层，侧向补给海水。流速建议值v=2.50×10-4～7.50×10-3cm/s。大气降水和潜水蒸发对地下水影响不大，可不做为主要因素考虑。经统计，地下水水位动态日变幅为0.30～0.50m，动态年变幅为1.50m左右。
　　2 基坑支护及止水帷幕工程
　　2.1 基坑支护及止水帷幕设计要点
　　因场地外部施工空间受限，本基坑采用垂直开挖方案，开挖深度约11.0m，基坑周长约385.0m。综合本场地存在广泛分布、厚度很大的新近吹填土地层的工程概况和本区域以往实践经验，本基坑以及类似基坑安全等级应按一级考虑。
　　2.1.1 基坑支护设计要点
　　根据前述地层条件，特别考虑到本场地吹填土地层不良的物理力学性质，基坑支护结构设计为钻孔灌注桩排桩配合三层锚索锚固的模式。钻孔灌注桩桩直径1000mm，桩间距1800mm，桩长18.0m，混凝土强度为（水下）C30[2]。桩顶设置钢筋混凝土冠梁，标高设在3.50m，冠梁尺寸1.2×1.0m，混凝土强度为C30。桩面采用φ6.5@200mm单层双向钢筋网挂网喷射混凝土围护层，混凝土强度为C20，厚度为80mm。采用扩大头锚杆BWCG工法进行锚索施工，钻孔直径150mm，扩孔直径700mm，倾角30°，其抗拔力高，锚头位移小，安全性好，扩大头锚杆注浆采用P.O42.5普通硅酸盐水泥。锚杆钢绞线为φ15.2，强度标准值1860.0N/ mm2，设计值1320.0N/mm2。锚杆端部设置0.5×0.5m混凝土斜面腰梁，混凝土强度为C30。
　　2.1.2 止水帷幕设计要点
　　由于本场地存在吹填土等高渗透率的地层，水文地质条件复杂，设计为三管法高压旋喷桩止水帷幕截止基坑外地下水向基坑内地下水渗透，采用P.C32.5复合硅酸盐水泥，掺量为600.0kg/m（提升高度）。具体为本基坑东侧、南侧和西侧在灌注桩轴线外1.0m处设置高压旋喷桩独立成排止水帷幕，设计桩径为1200mm，间距为900mm。本基坑北侧由于施工空间有限，在灌注桩轴线外0.2m处设置高压旋喷桩，旋喷桩位于相邻支护桩中间，与支护桩共同形成止水体系，设计桩径为1200mm，间距为1800mm。各旋喷桩长度按不同区段分别进行控制，桩端应进入第6层含粘性土砾砂层不少于1.0m，顶部2.0m空喷，采用两序分序施工，以利用天然隔水性较强的中间地层有效切断基坑内外地下水的水力联系。
　　2.2 基坑支护及止水帷幕施工流程
　　施工流程：场地平整→场地控制点测放→基坑支护点放线→基坑支护灌注桩施工→止水帷幕点放线→止水帷幕高压旋喷桩施工→冠梁施工→第一层土方开挖→第一层挂网喷射混凝土围护层→试验性锚索施工及锚索张拉试验→第一道锚索及腰梁施工→张拉锁定第一道锚索→第二层土方开挖→第二层挂网喷射混凝土围护层→第二道锚索及腰梁施工→张拉锁定第二道锚索→第三层土方开挖→第三层挂网喷射混凝土围护层→第三道锚索及腰梁施工→张拉锁定第三道锚索→土方开挖至基底设计深度（结束）。以上流程，因各环节与同类岩土工程施工工艺方面没有实质差别，故仅将各环节之间的施工先后顺序做了时间上的排列，各环节具体施工工艺可参照相关规范、规程。
　　2.3 基坑支护及止水帷幕注意事项
　　本人从事此类岩土工程以来，经历过多次因忽视吹填土地层的存在或低估吹填土地层不良影响的程度，造成整个工程难度增大、工作量增加甚至人员受伤的案例。为避免此类案例的发生，特分项总结了如下注意事项。
　　2.3.1 灌注桩施工注意事项
　　第一，由于吹填土地层的存在，使得选用正循环回转钻机、刮刀钻头进行钻孔施工最为有利，该施工方法利于维护吹填土地层孔壁的稳定。此次采用正循环回转钻机SPC-600型，钻头采用三翼刮刀钻头，施工中钻杆柱与孔壁之间环形空间泥浆正压力稳定，未出现工程事故，较为可靠。第二，钻进至吹填土地层，应采用高粘度优质粘土造浆方法进行泥浆护壁，并控制合理的加量。此次泥浆相对密度控制在1.2g/cm3左右，有效地防止了漏失、塌孔、泥浆失效、较高成本等不良后果。第三，灌注桩钢筋笼保护层垫块不易过厚，50mm为宜，每4米设置1组，每组4块，沿笼身周围均布。第一组垫块设置在第一道加强筋下500mm处，第二组垫块则刚好可越过吹填土地层，即任何一组垫块均不处于吹填土地层范围内，以避免与吹填土地层孔壁的碰撞，否则易发生连锁式掉块塌孔。第四，正式浇筑混凝土至吹填土地层时，保证充盈系数不小于1.0且不大于1.3。因此，混凝土还应具备良好的和易性，塌落度取180～220mm，适当延长浇筑时间，适当放缓浇筑速度，不得使用振捣机具振捣，保证该地层段的成桩质量。
　　2.3.2 挂网喷射混凝土围护层施工注意事项
　　第一，挂网喷射混凝土围护层时，如至吹填土地层，建议在灌注桩背部、止水帷幕内部插入适当长度且直径不小于50mm的水平排水管若干，其外端要伸出围护层，排水管间距可为2.0～3.0m，以便将围护层后的积水排出。此次基坑四壁共计排出上述位置地下水约429.6m3后，不再有來基坑自四壁的地下水涌出，与预想情况相符。这样既消除了灌注桩背部到止水帷幕内部之间存在地下水的隐患，也不易造成认为止水帷幕施工效果不佳的误判。第二，以往实践经验表明，在吹填土地层段喷射混凝土围护层时，根据该地层段含水性大小加入一定量的早强剂，可以有效减少混凝土挂网不佳、局部掉皮、露筋现象。
　　2.3.3 锚索施工注意事项
　　第一，锚索施工配合灌注桩排桩施工，是应对基坑支护遭遇吹填土地层的有效措施。为保证类似基坑支护工程的安全，不建议单独进行灌注桩排桩施工而不加以锚索施工[3]。第二，锚索钻孔施工至吹填土地层时，常伴随孔口大量突水溃砂的现象。应及时采用加入速凝剂的干硬性水泥砂浆或其它堵漏剂封堵孔口。第三，锚索注浆遭遇吹填土地层应采用纯水泥浆，且水灰比要达到0.5，注浆要连续、饱满。必要时可加入一定量的早强剂，以缩短水泥浆的凝固时间，提高其早期强度。否则张拉锁定锚索时，失效现象将增加。
　　2.3.4 旋喷桩施工注意事项
　　第一，引孔至设计深度后，缓慢拔出岩芯管，并换上喷射注浆管插入预定深度。在插入喷射注浆管过程中，为防止泥砂堵塞喷嘴，要边射水边插管，经过吹填土地层时，水压不得超过1.0Mpa，以免压力过高，将孔壁射穿，引起吹填土地层绕孔壁形成松散土环。第二，正式旋喷之前，进行试桩工作。通过试桩工作判断不同地层（深度）的配浆参数是否合理，尤其注意吹填土地层水灰比的调整。此次至吹填土地层时，采用的水灰比为1：1，后期验桩阶段也表明了采用此水灰比施工，可保证旋喷桩抗渗性和其它物理力学参数符合规定的要求。第三，开始旋喷后，钻杆的旋转和提升应连续进行，不得中断。至吹填土地层，增加旋喷时长的同时，适当放缓旋转速度至8cm/min，适当放缓提升速度至12r/min，适当减小水压力至30MPa，适当减小空气压力至0.5MPa，适当减小水泥浆压力至1.5MPa，以免发生缩颈和断桩等成桩不良现象。
　　3 结论
　　吹填土具有一般天然岩土体所没有的不良物理力学性质，而且其特定的形成机理，极易成为场地地下水与海水构成水力联系的通道。从基坑支护及止水帷幕两个方面进行科学设计、施工，并参考本文罗列的一些注意事项，将能有效地处理吹填土带来的诸多岩土工程问题，减少资金的投入。
　　参考文献：
　　[1]刘莹，王清，肖树芳.不同地区吹填土基本性质对比研究[J]. 岩土工程技术，2003（04）：197-200.
　　[2]刘传臻.港口码头钻孔灌注桩施工技术分析[J].山东工业技术， 2017（08）：109.
　　[3]帅海乐，詹黔花，龙举等.基坑工程预应力锚索施工问题现场试验研究[J].施工技术，2016，45（13）：22-27.
　　作者简介：刘凯（1986-），男，山东寿光人，本科，中级工程师，研究方向：岩土工程、地质工程。
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