郭志元 龍 照，2 曹程明 何臘平

（1.甘肅中建市政工程勘察設(shè)計研究院有限公司，甘肅蘭州 730000；2.中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，甘肅蘭州，730000）

0 引言

地下空間的開發(fā)利用是解決城市用地緊張局面的一個發(fā)展趨勢，近年來地下商場、地下停車庫、地下污水處理廠、地鐵、綜合管廊等地下建（構(gòu)）筑物不斷涌現(xiàn)。地下建（構(gòu)）筑物大規(guī)模開發(fā)，基坑越來越深?；又苓叾酁橐呀ǔ傻慕ǎ?gòu)）筑物，地下管線較多，周邊環(huán)境復(fù)雜，多個城市基坑開挖范圍內(nèi)的地層結(jié)構(gòu)由單一的第四系人工填土及松散沉積物地層向土巖組合地層發(fā)展。

朱志華等[1]以青島地區(qū)兩個深基坑工程為例，研究了上部土層、下部花崗巖地層的基坑支護(hù)方式，探討了樁錨、噴錨、內(nèi)支撐相結(jié)合的支護(hù)體系在青島地區(qū)深基坑中的應(yīng)用，得出三種支護(hù)體系在控制基坑水平位移、支護(hù)樁內(nèi)力及周邊地表沉降等方面具有明顯效果的結(jié)論。劉方克等[2]對青島地鐵建設(shè)中11 個深基坑工程中大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究了上部土層、下部花崗巖地層中基坑的變形規(guī)律。張傳軍等[3]總結(jié)了巖石地區(qū)基坑工程典型支護(hù)方式，并介紹了青島地區(qū)吊腳樁+錨索支護(hù)體系在土巖組合地層中的應(yīng)用，得出圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形主要集中在土層部分，采用吊腳樁+錨索支護(hù)體系可有效控制基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周圍環(huán)境變形的結(jié)論，這一結(jié)論在劉紅軍等[4]、吳燕開等[5]的研究中也得到了驗證。莊岳歡等[6]研究了佛山地區(qū)土巖二元結(jié)構(gòu)地層中上部土層采用“微型樁+攪拌樁+土釘+預(yù)應(yīng)力錨索”的復(fù)合土釘墻支護(hù)，下部巖層采用放坡噴錨的基坑設(shè)計方案及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形。龍照等[7]研究了蘭州地區(qū)強(qiáng)透水卵石與弱透水風(fēng)化砂巖組合地層中的基坑支護(hù)與降水設(shè)計案例。青島地區(qū)土巖組合地層的基坑研究成果較多，蘭州地區(qū)基巖性質(zhì)與青島地區(qū)有顯著差異，但蘭州地區(qū)不同巖性特征的土巖組合二元地基深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及地下水控制選型的研究較少。本文對蘭州地區(qū)土層二元地層按下部基巖工程性質(zhì)進(jìn)行了分類，歸納總結(jié)了不同分類二元組合地層中深基坑支護(hù)與地下水控制的方法。

1 蘭州地區(qū)工程地質(zhì)特征

1.1 地層分布特征

蘭州地區(qū)地處隴西黃土高原的西部邊緣與青藏高原交接地帶，區(qū)內(nèi)地勢南北高，中間低，為典型的“兩山夾一川”河谷盆地地貌。工程建設(shè)較為頻繁的區(qū)域主要為黃河兩岸河漫灘及Ⅰ級、Ⅱ級階地的主城區(qū)，區(qū)內(nèi)淺部為厚度1～5 m 的第四系人工堆積物；其下為第四系沖洪積粉土、粉質(zhì)黏土層，厚度2～20 m，其中西固地區(qū)分布有厚度較大的粉質(zhì)黏土，最大厚度可達(dá)20 m 以上，其余地區(qū)多為黃土狀粉土或粉土與粉質(zhì)黏土夾層，厚度一般小于10 m；沖洪積細(xì)顆粒堆積層下部一般為第四系沖積卵石層，分布厚度變化較大，其中崔家大灘—小西湖一帶的七里河斷陷盆地分布厚度較大，一般大于200～300 m，其余地帶卵石層厚度約3～10 m。第四系松散堆積層下部為新近系陸相湖盆沉積的砂巖或礫巖，為區(qū)域基巖底座，分布厚度大于100 m，除七里河斷陷盆地外，主城區(qū)其余地段基巖埋深較淺，頂板起伏不大，總體來看，蘭州市區(qū)內(nèi)新近系砂巖在漫灘、一級階地及二級階地前緣埋深約5～10 m，這些區(qū)域也是工程建設(shè)最為頻繁的地段，在二級階地中部基巖埋深10～20 m，二級階地后緣可達(dá)25～30 m 以上。

1.2 地下水分布特征

蘭州市主城區(qū)內(nèi)地下水類型主要為第四系松散層內(nèi)孔隙潛水和新近系強(qiáng)風(fēng)化砂巖孔隙、裂隙潛水。七里河斷陷盆地內(nèi)，所揭露的地下水為第四系松散層孔隙潛水，地下水主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖洪積砂卵石土以及下更新統(tǒng)沖積卵石土層中，水位埋深1～5 m，含水層主要位于上部無膠結(jié)的粗顆粒地層中。主城區(qū)其余地段地下水類型為黃河階地松散層內(nèi)孔隙潛水，地下水主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖洪積卵石土層，水位埋深1～5 m，厚度可達(dá)4～15 m，滲透系數(shù)約40～50 m/d，卵石下部的砂巖為中等—弱透水層或不透水層，局部強(qiáng)風(fēng)化砂巖層風(fēng)化嚴(yán)重，導(dǎo)致上部強(qiáng)風(fēng)化砂巖中存在少量地下水，該類地下水屬于新近系強(qiáng)風(fēng)化巖孔隙、裂隙潛水，與上部卵石層內(nèi)地下水相互連通。區(qū)內(nèi)地下水主要補(bǔ)給來源為大氣降水、側(cè)向徑流補(bǔ)給，地下水多排入黃河地表水，水位變化幅度約1.0～1.5 m。

1.3 下伏基巖特征及分類

因構(gòu)造及沉積環(huán)境不同，蘭州主城區(qū)內(nèi)基巖工程性質(zhì)差別較大，一類為膠結(jié)程度較差、強(qiáng)度較低、弱—中等透水性的砂巖，其單軸飽和抗壓強(qiáng)度一般小于1.0 MPa，滲透系數(shù)一般為1×10—5～1×10—2cm/s，粉粒含量較多，粒徑大于0.075 mm 的顆粒含量百分比達(dá)60%～90%，多為粉砂巖或細(xì)砂巖，基坑開挖后，短時間內(nèi)砂巖急劇風(fēng)化，在基坑內(nèi)外較大的水頭差下，砂巖易發(fā)生管涌破壞，風(fēng)化砂巖中的粉細(xì)砂顆粒在滲透作用下逐漸流入坑內(nèi)，邊坡下部被掏空，甚至引起基坑側(cè)壁坍塌（見圖1），火車站、南關(guān)十字、天水路十字、西關(guān)十字一帶砂巖多具這種性質(zhì)。

圖1 透水性砂巖中的滲透破壞

另一類為膠結(jié)程度相對較好、強(qiáng)度相對較高、不透水的砂巖，該類砂巖多為鈣質(zhì)或泥質(zhì)膠結(jié)的泥質(zhì)砂巖或砂質(zhì)泥巖，單軸飽和抗壓強(qiáng)度一般大于1.0 MPa，滲透系數(shù)多小于1×10—5cm/s，基坑開挖后除在裂隙內(nèi)經(jīng)長時間滲透作用會產(chǎn)生地下水，一般認(rèn)為在不擾動坑底基巖結(jié)構(gòu)的情況下，該類基巖為不具透水性，坑內(nèi)地下水多沿土巖結(jié)合面流出（見圖2），如鹽場堡、雁北路一帶等黃河河漫灘處下覆基巖多具這種性質(zhì)。

圖2 不透水砂巖地下水沿土巖結(jié)合面流出

本文將上部為松散堆積地層、下部為弱—中等透水性砂巖地層定義為一類土巖組合地層，將上部為松散堆積地層、下部為不透水性砂巖地層定義為二類土巖組合地層。

2 常見基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下水控制措施

蘭州地區(qū)較為常用的基坑支護(hù)方式有土釘墻、預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻、排樁、預(yù)應(yīng)力錨索排樁、內(nèi)支撐排樁及以上多種方式的組合。其中土釘墻適用于地下水位以上或經(jīng)降水的基坑，且基坑深度不宜大于12 m；預(yù)應(yīng)力錨桿復(fù)合土釘墻適用于地下水位以上或經(jīng)降水的基坑，且基坑深度不宜大于15 m；排樁適用于深度較淺、基坑周邊無放坡條件、周邊建（構(gòu)）筑物及管線對變形控制要求不嚴(yán)格的基坑工程，懸臂支護(hù)深度一般不大于6 m；預(yù)應(yīng)力錨索排樁及內(nèi)支撐排樁多用于深度較大、變形控制要求較嚴(yán)的基坑工程。蘭州地區(qū)常用的地下水控制措施主要有管井降水和咬合樁止水帷幕。對于開挖深度較小的基坑多未揭露到下伏基巖或揭露厚度不大，以下主要針對開挖深度大于15 m 的兩類土巖組合地層中分析基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下水控制措施的選型。

2.1 一類土巖組合地層中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下水控制措施

一類土巖組合地層上部為松散堆積層、下部為弱—中等透水性砂巖，該類土巖組合地層下部砂巖風(fēng)化程度較高，基坑開挖后，在卸荷擾動及大氣暴露環(huán)境下，坑底砂巖基本呈“密實砂”狀，使用鐵鍬即可開挖，因其單軸飽和抗壓強(qiáng)度較低，導(dǎo)致錨索極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值也相對較低，一般僅有60～80 kPa，若采用常規(guī)直徑錨索，錨索抗拔承載力較小，難以滿足設(shè)計要求。另外，一類土巖組合地層下部砂巖具有弱—中等滲透性，降水影響半徑較小，采用管井降水時，砂巖層內(nèi)地下水存在“一抽即干，一停即滿”現(xiàn)象。因此合理選擇基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式及地下水控制措施是一類土巖組合地層深基坑工程設(shè)計的關(guān)鍵。

對于一類土巖組合地層，蘭州地區(qū)常見基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力錨索+排樁，排樁直徑一般800～1200 mm，支護(hù)樁間距一般取1.8～2.5 倍樁徑，嵌固深度一般為0.3～0.6 倍基坑深度。針對一類土巖組合地層下伏砂巖錨索極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值較低的情況，當(dāng)采用普通錨索無法滿足設(shè)計要求時，可考慮在風(fēng)化砂巖層中采用高壓旋噴錨索工藝，經(jīng)工程實踐證明，蘭州地區(qū)一類土巖組合地層下伏砂巖中高壓旋噴錨索直徑可達(dá)400 mm 以上[7]，通過采用大直徑錨固體的錨索可有效解決因極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值過低造成錨索抗拔承載力較小的弊端。此外，當(dāng)基坑周邊荷載較大、對變形控制要求較為嚴(yán)格，排樁+預(yù)應(yīng)力錨索不足以滿足穩(wěn)定性要求時，也可考慮采用內(nèi)支撐+排樁及預(yù)應(yīng)力錨索+雙排樁的支護(hù)結(jié)構(gòu)?？傮w來說，大部分工程項目采用預(yù)應(yīng)力錨索+排樁做為支護(hù)結(jié)構(gòu)即可滿足設(shè)計要求。

地下水控制方面，結(jié)合深基坑排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置咬合樁進(jìn)行止水，坑外設(shè)置減壓井在一定程度上降低地下水以免坑底透水砂巖發(fā)生管涌破壞，針對一類土巖組合地層下伏砂巖具弱—中等透水性，在基坑內(nèi)設(shè)置多級簡易輕型井點，必要時坑壁設(shè)置輕型橫向井點結(jié)合坑內(nèi)排水盲溝及集水井對坑內(nèi)地下水進(jìn)行疏排。

2.2 二類土巖組合地層中基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下水控制措施

二類土巖組合地層中下伏基巖一般不具透水性，工程性質(zhì)較好，一般采用挖掘機(jī)即可開挖，局部地段需采用爆破法開挖。對于二類土巖組合地層，選用經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)結(jié)構(gòu)是基坑工程需要關(guān)注的重點問題。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選型方面，當(dāng)周邊環(huán)境條件簡單，基坑周邊建（構(gòu)）筑物對變形要求較低時，可采用土釘墻、預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘墻進(jìn)行支護(hù)，上部松散堆積層放坡坡率根據(jù)地層情況一般可取1∶0.5～1∶1.2，下部基巖放坡坡率可取1∶0.2～1∶0.4，土巖結(jié)合面處可設(shè)置1.0～2.0 m 寬平臺，以減小基巖上部松散堆積層底部的應(yīng)力集中。當(dāng)基坑周邊環(huán)境條件復(fù)雜，基坑周邊建（構(gòu)）筑物對變形要求較嚴(yán)時，可采用預(yù)應(yīng)力錨索+排樁的支護(hù)結(jié)構(gòu)，排樁直徑一般800～1200 mm，支護(hù)樁間距一般取2.0～2.5 倍樁徑，嵌固深度一般為0.3～0.5 倍基坑深度。該類土巖組合地層中，基巖層錨索極限粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可達(dá)100～120 kPa，當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力錨索+排樁支護(hù)方案時，一般采用常規(guī)錨索即可滿足設(shè)計要求。

基坑地下水控制設(shè)計方面，該類土巖組合地層中地下水主要富存于卵石層中，下覆基巖不透水，偶見裂隙水，坑外采用管井降水，降水井間距一般取15～20 m 即可滿足降水要求，降水引起的地面沉降較小，可忽略不計，故一般不需設(shè)置止水系統(tǒng)。另外，二類土巖組合地層中開挖基坑后，卵石層地下水往往易沿土巖組合面滲出，結(jié)合基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選型，當(dāng)采用土釘墻方案進(jìn)行支護(hù)時，可在土巖結(jié)合層面處平臺上設(shè)置排水溝，收集并排出滲出的地下水；當(dāng)采用預(yù)應(yīng)力錨索+排樁支護(hù)方案時，可在土巖結(jié)合層面處設(shè)置橫向泄水孔，排出坑外殘留的地下水。

3 工程案例

3.1 一類土巖組合地層中的基坑工程案例

蘭州紅樓時代廣場項目場地位于蘭州市城關(guān)區(qū)，地貌類型屬黃河南岸II 級階地，地勢基本平坦，基坑深度范圍內(nèi)地層主要為第四系松散沉積物和古近系—新近系紅層砂巖，自上而下具體為：雜填土、粉質(zhì)黏土、卵石和風(fēng)化砂巖，屬典型的一類土巖組合二元地層。場地穩(wěn)定地下水水位埋深3.7～4.6 m，屬第四系孔隙潛水，主要含水層為卵石層，強(qiáng)透水層，滲透系數(shù)約50 m/d；下部新近系風(fēng)化砂巖膠結(jié)程度差，為中等透水層，滲透系數(shù)約為1.2×10—3cm/s。項目基坑開挖總面積約9115 m2，周長約400 m，主樓坑中坑基坑開挖深度25.3 m，局部26.3 m，裙樓基坑開挖深度17.4～21.3 m，為當(dāng)時蘭州地區(qū)開挖深度最大的建筑基坑，基坑平面布局及周邊環(huán)境見圖3，典型支護(hù)剖面見圖4。

圖3 蘭州紅樓時代廣場基坑周邊環(huán)境示意圖

圖4 蘭州紅樓時代廣場基坑周典型剖面示意圖（單位：mm）

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用排樁+預(yù)應(yīng)力錨索，支護(hù)樁直徑1.0 m，樁間距1.9 m，樁身設(shè)4～5 道預(yù)應(yīng)力錨索，其中，風(fēng)化砂巖層中采用高壓旋噴錨索，錨索長度13～15 m。結(jié)合排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，設(shè)置咬合樁形成側(cè)壁止水結(jié)構(gòu)，同時，坑外設(shè)置管井井點、坑內(nèi)側(cè)壁設(shè)置橫向輕型井點、坑底風(fēng)化砂巖層設(shè)置豎向輕型井點及集水井與明排截水溝對地下水進(jìn)行了控制，坑外管井間距15～20 m，井深約20～25 m，坑內(nèi)集水井間距20 m，風(fēng)化砂巖豎向輕型井點間距1.5 m×1.5 m，側(cè)壁橫向輕型井點間距同支護(hù)樁樁間距。

基坑開挖期間，實測支護(hù)樁水平位移10.6～33.6 mm，基坑周邊地面沉降9.8～10.5 mm，基坑周邊建筑物沉降3.6～21.96 mm，地下水控制措施基本實現(xiàn)了坑內(nèi)干作業(yè)目標(biāo)?；幼冃渭胺€(wěn)定性滿足規(guī)范要求，達(dá)到了較好的效果。

3.2 二類土巖組合地層中的基坑案例

名城蘭州城市綜合體項目工程場地原始地貌為黃河河漫灘，擬建場地地層自上而下分別為素填土、雜填土、粉細(xì)砂、卵石、中砂、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、粗砂巖、礫巖、砂礫巖互層巖段，上部填土及松散堆積層厚度約11～16 m，下部為膠結(jié)程度較好的不透水基巖；場地范圍內(nèi)地下水類型為孔隙型潛水，主要賦存于卵石層中，地下水位穩(wěn)定埋深約3.6～7.2 m，場地地下水位穩(wěn)定埋深略高于鄰近黃河河道內(nèi)的河水位，水位值相差約0.4 m，基坑距離黃河地表水約80～100 m?；娱_挖面積約51140 m2，周長約1215.5 m，基坑開挖深度為12.0～22.5 m，基坑平面布局及周邊環(huán)境見圖5。

圖5 名城蘭州城市綜合體項目基坑周邊環(huán)境示意圖

基坑南側(cè)、西側(cè)距離用地紅線15～18 m，基坑深度11.8～15.8 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力錨索復(fù)合土釘墻進(jìn)行支護(hù)，上部填土及卵石層坡率1∶0.4，土釘水平間距及豎向間距1.5 m，土釘長度7.0 m，基坑邊坡上部設(shè)置1～3 道長度12 m 預(yù)應(yīng)力錨索用以控制基坑變形，基坑下部風(fēng)化砂巖開挖段采用土釘墻支護(hù)，放坡坡率1∶0.2，土釘長度4.0～5.0 m，土釘水平間距、豎向間距1.5 m（見圖6）。基坑北側(cè)、東側(cè)為高速公路，用地紅線緊鄰公路路堤，基坑深度11.8～22.5 m，上部4 m 采用1:0.5 坡率放坡，坡內(nèi)設(shè)置兩道預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長度7 m，間距1.5 m，下部采用排樁+預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)，支護(hù)樁直徑1.0 m，間距2.2～2.6 m，樁長23.2～25.2 m，樁間設(shè)置2～3 道預(yù)應(yīng)力普通錨索，錨索長度13.0～16.0 m（見圖7）。

圖6 預(yù)應(yīng)力復(fù)合土釘墻剖面示意圖

圖7 預(yù)應(yīng)力錨索+排樁剖面示意圖

基坑外側(cè)設(shè)置管井降水井，降水井間距13.0～16.0 m，井深9.6～19.6 m，坑內(nèi)設(shè)置集水坑及明排截水溝，基坑西側(cè)及南側(cè)在土巖結(jié)合面處設(shè)置寬度1.5 m 平臺，平臺上靠近基坑外側(cè)方向設(shè)置截水溝，用于收集截排土巖結(jié)合面未疏干而滲出的地下水；北側(cè)及東側(cè)在卵石層面與砂巖層頂面處設(shè)置泄水孔，將基坑外側(cè)未疏干的地下水導(dǎo)入坑內(nèi)排水明溝統(tǒng)一排出，基坑坑內(nèi)設(shè)置集水坑用于疏干地下水。

基坑開挖期間實測支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移5.86～23.08 mm，豎向位移0～13.32 mm，基坑周邊地面沉降值3.44～6.94 mm，周邊建筑物豎向位移0.14～2.41 mm，均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。該方案解決了鄰近黃河土巖組合地層基坑降水難題，所采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理，基坑使用期間未發(fā)生任何隱患，保證了主體結(jié)構(gòu)施工的順利推進(jìn)。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)土巖組合地層下部基巖工程性質(zhì)的區(qū)別，將蘭州地區(qū)土巖組合地層歸納為兩類：一類系上部為松散堆積地層、下部為弱透水—中等透水性砂巖；二類系上部為松散堆積地層、下部為不透水性砂巖。按此分類有利于針對土巖組合地層類別合理選擇深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)與地下水控制方案。

（2）對于一類土巖組合地層，基坑地下水控制除采用咬合樁帷幕結(jié)合坑外減壓管井外，還需在基坑底部風(fēng)化砂巖內(nèi)采用豎向輕型井點、基坑側(cè)壁采用橫向輕型井點降水措施，以有效解決弱—中等透水層中地下水抽排與降水難題，減少坑底地基土擾動，杜絕風(fēng)化砂巖產(chǎn)生因滲流破壞掏空地基土的現(xiàn)象；對于二類土巖組合地層，下部基巖一般不具透水性，地下水主要賦存于上部卵石層中，易于抽排疏干，且降水附加沉降可忽略不計，基坑地下水控制通常采用管井降水，并于土巖界面設(shè)置泄水孔，將坑外殘留水導(dǎo)流至集水坑后排出坑外。

（3）基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式選擇除需考慮地層條件外，還需綜合考慮基坑深度、周邊環(huán)境和場地條件等因素。對于一類土巖組合地層，當(dāng)基坑支護(hù)需于下部風(fēng)化砂巖施打錨索時，可通過采用高壓旋噴錨索增大錨固段直徑來提高錨索抗拔承載力，進(jìn)而有效控制基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境變形；對于二類土巖組合地層，由于下部巖層與錨固體間的粘結(jié)強(qiáng)度較高，一般采用常規(guī)錨索即可滿足設(shè)計要求。