浅谈纯卵石基坑开挖支护沉降

卢鹏亮

摘要：随着社会的不断发展，城市建设的快速发展，地下资源被过分发掘。在城市建设的早期沙子大量开采，河道周边采沙深度甚至能达到10~30米的深度，在破坏原有地层的基础上，导致了河道两边的地质地貌发生本质性的改变，对生态环境造成恶劣影响。后期在政府部门的管制河道下，要求河道周边的沙场全部关闭，严谨私自乱采乱挖，开挖完成后的沙场恢复原貌，沙场用建筑垃圾和纯卵石回填，回填区域的基坑开挖深度越来越深，从最初的几米到现在的十几米，在纯卵石回填区域开发楼盘，基坑开挖及支护往往有许多的不确定因素。由于基坑支护在纯卵石面上进行施工，施工难度较大，基坑支护沉降成了最大的问题。在以后的发展中，随着超高层建筑的施工建筑基坑深度设计是越来越深，导致基坑支护的施工系数难度越来越大，面对的困难也是越来越多。

关键词：深基坑；竖向沉降；水平沉降：纯卵石

1、工程概况

1.1项目简介

项目总用地面积约119365.9m2，合179.05亩，分为三个地块，其中建设用地约48073.9m2，住宅建筑面积约147873m2，商业建筑面积约38300m2，幼儿园约2600m2，新建户数约1320户，地下面积约72800m2。

项目基坑开挖深度为6.5-11.5米，根据住建部31号文，该基坑为深基坑。基坑原为黄河周边采沙场，后经政府管制，河床停止开挖，要求恢复地貌，沙场用筛沙后的卵石回填到原始标高。而本项目的基坑开挖必定影响周边建筑物、地下管线、周边道路的安全，更可能引起沉降及位移。

1.2场地不良地质

施工的场地内及场地周为建筑商业住房、场地基本平整、场地内有农用建房遗址。由于场地内为卵石回填，内部无细颗粒填充。下雨会导致场地内部出现不同程度的塌陷和沉降。由余施工场地内部回填深度太深，场地内出现不同规模的塌陷坑现象，塌陷坑分布不均匀，现将场地出现的塌陷坑视作不良地质现象。根据调查，塌陷区域主要局部分布于场地表部，形成原因主要为场地浅部由杂填土回填形成，杂填土主要成分以卵砾石、砂、粉土、灰土、少量建筑垃圾等混合组成，回填时间较短，未完成固结压密，在自身重力、地面震动、地表水的入渗等影响下形成塌陷。总体面积不大，塌陷可见深度约0.2～0.4m不等。在基础施工时，上部地层将被挖除，塌陷坑也将被挖除。

1.3地下水

拟建场区地下水为孔隙潜水类型，赋存于卵石层中，地下水水位深度在6.60～9.50m之间，最大高差4.40m，含水层主要为卵石层，含水渗透系数为60～80m/d，单井涌水量约200～400m3/d，地下水的补充主要为接受大气降水和黄河丰水期渗流补给和周边高山的的补给，地下水位随季节变化幅度较大，水位变化幅度为2.50m，场地潜水面整体近水平，坡降较小，呈现西南高，东北低的特征，地下水流向为自西南至东北。

1.4特殊性岩土

场地内特殊性岩土主要为填土，填土可划分为素填土、杂填土、卵石，场地东侧为回填素土及垃圾土，场地西侧为卵石回填。

①1层杂填土（Q4ml）：杂色，稍湿，松散，主要成分以卵砾石、砂、粉土、灰土、大量建筑垃圾等混合组成，为场地建设前期回填形成，回填时间较长。压实度不高，该层分布场地表部，全场地基本均有分布。层厚0.50～17.50m，层底面高程为1510.51～1528.09m。①2层素填土（Q4ml）：灰褐色，稍湿，稍密，主要成分以粉土、砂等组成，系人工回填形成。该层分布场地杂填土下部，仅局部分布。层厚1.50～6.30m，层顶面高程为1525.63～1527.46m，层底面高程为1521.04～1525.86m，层顶面深度1.00～2.60m，层底面深度2.60～7.30m。①3层素填土（Q4ml）：青灰色，稍湿～饱和，密实，成分以卵石、漂石为主，粒径50-100mm约占50-70%，100-200mm约占20%，大于200mm约占10%，颗粒间基本无填充，塌孔漏浆严重，钻进时进尺缓慢，系采砂后形成砂坑回填形成。

2、基坑设计及施工难点及风险点

2.1设计可行性分析

根据各拟建建筑物基坑开挖深度及场地现状，建议优先选用放坡开挖，基坑放坡系数应根据国家施工规范和现场地质地貌的实际情况进行确定，结合本工程基坑开挖深度、场地岩土类别给出；若因场地受限等原因，不具备放坡条件时，应进行基坑支护，可选用土钉墙或桩锚支护型式。

拟建场地原始地貌为黄河南岸河漫滩，场地下部为大厚度卵石层，属强透水层。场地内地下水位受黄河河水位影响明显，地下水位随黄河河水水位变幅较大，施工时应严密检测地下水位变化，避免丰水期受黄河汛期影响，地下水位大幅度上涨产生基坑安全隐患。基坑开挖深度内的地层主要为杂填土、素填土、粉土、中砂、圆砾、卵石等土层，土质较疏松，自稳性较差，基坑开挖深度较大。基坑开挖工序应与基坑支护施工合理衔接，严禁挖土后长时间暴露坑壁，防止边坡失稳。

基坑工程设计和施工前应加强基坑周边影响范围内地下埋设管道、电缆、高压铁塔等的摸排，基坑范围内的应进行迁建，防止在施工过程中造成地下管道、电缆的破坏。基坑外围影响范围内的应在支护设计中予以考虑，加强变形控制，防止坑壁变形过大导致地下管道、电缆的破坏，必要时应考虑加固措施。

基坑开挖前应做好基坑周边截排水措施，防止雨季施工时降雨集水灌入基槽，导致坑壁失稳或基底土体软化强度度降低，开挖基槽后若有进水，应及时排除严禁长时间浸泡。

基坑开挖过程中，土方开挖应自上而下逐层开挖，严禁倒挖，土方应随挖随运，弃土应运至基坑边坡影响区外，不得随意堆置于基槽周边。基槽周边堆荷不得超过设计限值。

2.2土钉支护

土钉水平向间距为1.50m，垂直向间距为1.30m，呈梅花状布置。能成孔的土层中采用成孔后放入HRB400Φ22mm的钢筋灌浆，无法成孔土层中采用打入φ48、壁厚不小于3.0mm的钢管注浆，钢管内侧2/3均布φ6@400mm的注浆孔并焊接钢筋头。

土钉成孔直径不宜小于110mm，打入锚管、注浆后形成的锚固体不宜小于80mm，土钉与水平面夹角为15度。土钉注浆材料为水泥浆或水泥砂浆，强度等级不小于M30，水灰比=0.30～0.40，施工时可根据现场拌制情况（保证合理流动性）掺入高效复合减水剂降低水灰比，水泥选用42.5等级的水泥，注浆压力达到0.20～0.40MPa稳压2分钟，且直到浆液从孔口溢出为止。

2.3桩间土封闭

护坡桩面层采用“挂设钢筋网片+喷射砼”方式封闭，喷射砼板厚度为0.06m，网片采用φ8@200X200，锚头部位设置2根通长配HRB400级φ16钢筋，压于网片上，并与锚头焊接。同时为固定钢筋网片可在桩间打入锚管（土质边坡）或钢筋锚杆（岩质边坡）；锚管采用Φ48钢管，长3.0m，外露不小于0.1m，锚杆采用HRB400Φ28钢筋，钢筋锚杆长4.5m，外露不小于0.1m；锚杆端部采用“井”字型4根Ⅱ级Φ16加强筋，其中2根通长配，其余2根长度为400mm。基坑底部四周喷射砼面层应插入坑底部不小于200mm，形成护脚。喷射砼强度等级为C20，喷射砼配合比为水泥：砂：石=1∶2∶2。

2.4土钉墙挂网、喷射砼

喷射砼厚80mm，配钢筋网为φ8@200mm×200mm，加强筋为“井”字型4根Ⅱ级Φ16，其中1根通长配，其余3根长度为400mm。在坡顶位置上翻1000mm，端部使用，且上翻的混凝土应有找坡，将雨水排至排水沟中，在基坑应挖至底部200mm处喷射混凝土形成护脚，防止基坑出现底部漏空现象。

喷射砼可根据土质情况分两次喷射，也可一次喷射成型。喷射的混凝土强度等级为C20，喷射水泥浆配合比为水泥：砂：石=1∶2∶2。

复合土钉墙微型桩采用直径146mm镀锌钢管，壁厚5.0mm，间距0.5m；桩顶设置一道钢筋混凝土冠梁，冠梁截面尺寸300mmx300mm,混凝土强度C30。微型桩应采用钻机成孔，微型桩内灌C20细石混凝土。

支护形式为单排微型钢管支护桩、双排钢管支护桩、支护放坡三种形式。项目基坑开挖采用盆式开挖法，分层开挖深度为1.5-2米，由于基坑为纯卵石回填，卵石粒径为200mm-1000mm之间，卵石间基本无填充物，孔隙率较大，自稳能力差。

场地原始地貌为黄河南岸河漫滩，场地下部为大厚度卵石层，属强透水层。场地内地下水位受黄河河水位影响明显，地下水位随黄河河水水位变幅较大，施工时应严密检测地下水位变化，避免丰水期受黄河汛期影响，地下水位大幅度上涨产生基坑安全隐患。

项目呈东-西向展布，长约200m，宽约105m，拟建物为住宅楼及附属设施，地上17～32层，地下2层。拟建物基础采用独立基础型式，地下车库区板顶标高为1521.50m，拟建场地在整平后实施基坑支护工程施工，场地地面标高为1526.50～1532.00m，有不同程度的高差，基坑开挖支护的深度为11.10～5.60m之间。

图2-2-1地基勘探	图2-2-2地基勘探
图2-2-3卵石回填		图2-2-4卵石回填

基坑开挖根据设计1：0.6的放坡系数，坡体无法成型。基坑开挖会造成大面积的塌方，给支护工程带来很大的施工安全风险。现场实际放坡比将达到1：0.8，用坡比放大的措施来降低基坑坍塌的风险。

基坑首层开挖完成后需要进行人工刷坡。在保证坡比的情况下，首先进行一层混凝土速喷，厚度为30-40mm，将表面卵石固化成一个整体。使得内层卵石处于一个相对稳定的环境中，再进行后面工序的施工。

3、基坑支护的沉降量

3.1施工震动引起的沉降

由于卵石之间无填充物、无粘接力，基坑第二层开挖时，会出现上一层支护面卵石滑坡和坍塌现象。采取的措施为先绑扎钢筋，再进行钢管土钉的施工，防止卵石的坍塌。

图3-1基坑变形监测定位图

每一次基坑开挖、土钉钻进、锚索引孔都会造成支护完成面的沉降量，基坑上口的裂缝较为明显。最大震动导致沉降量一次可以达到40mm。并在后期会持续发生沉降，直至卵石内部达到二次平衡，受力稳定。

图3-2支护内部滑移

3.2基坑降水沉降

项目基坑降水，由于项目位于黄河边，地下水位高，由于基坑为纯卵石基坑，基坑上部无法成孔，只能进行基坑内部明排水，排水量特大，排水时间过长，会导致基坑沉降，水位的下降导致支护内部的卵石间的填充物的流失，内部空隙增大。内部结构的不稳定，导致基坑内部沉降。水位快速下降也会导致基坑周边水位压力的减小，导致基坑在短时间内的沉降。

图3-2-1基坑明排水	图3-2-2基坑明排水

4、基坑沉降原因分析

（1）卵石间无填充物，卵石表面光滑摩擦力小，卵石回填中空隙较大，无凝聚力，容易产生滑动。

（2）基坑开挖、锚索施工、钢管土钉击入破面的施工震动导致内部的卵石的震动、触动引起卵石的位置变动。触动或震动后会引起卵石得错位，空隙引起变动，导致卵石的内部结构沉降。

（3）上部荷载较大，导致基坑沉降。（南边基坑上口3米处为消防通道高度为2米，西边距基坑边7米为已建成小区3#楼。北侧距基坑边0.5-2米为修建道路，高度为2米）

（4）基坑大面降水，基坑内部水位下降，也会导致基坑跟随水位沉降，进而持续沉降。

（5）基坑上部机械走动，引起的震动导致卵石错位破坏相对稳定的卵石体系，基坑沉降。

图4钢管土钉施工导致卵石滑动

5、沉降观测布置及检测

5.1沉降观测

（1）根据《建筑基坑工程监测技术规范》基坑报警值为：

①安全等级为一级支护区域坑顶水平位移最终累计值为30mm，水平位移变化速率为5mm/d时预警，竖向位移最终累计值为20mm，相对基坑深度控制值为基坑深度的0.3%，竖向位移变化速率为3mm/d时预警。

②安全等级为二级支护区域坑顶水平位移最终累计值为50mm，相对基坑深度控制值为基坑深度的0.6%，水平位移变化速率为10mm/d时预警，竖向位移最终累计值为50mm，相对基坑深度控制值为基坑深度的0.6%，竖向位移变化速率为5mm/d时预警。

③基坑周边邻近建筑：水平位移预警值为40mm，每天变化速率大于2mm时预警；沉降预警值为20mm，当局部倾斜达0.20%，或倾斜速度连续3d大于0.0001H时应报警。

项目场地内有，一级支护和二级支护，还靠近修建好的高层建筑，所以基坑监测在本项目尤为重要。复杂及深基坑建议请两家，监测单位对基坑进行监测。将检测数据进行比对，以保证监测数据的准确性和可靠性。

现场仪器监测的监测频率

基坑类别	施工进程		监测项目（基坑设计深度>15m）
			周边建筑水平、竖向位移/深层水平位移/周边管道基坑顶部变形
一级	开挖深度（m）	≤5	1次/2d
		5~10	1次/1d
		>10	2次/1d
	底板浇筑后时间（d）	≤7	2次/1d
		7~14	1次/1d
		14~28	1次/1d
		>28	1次/3d
二级	开挖深度（m）	≤5	1次/2d
		5~10	1次/1d
	底板浇筑后时间（d）	≤7	1次/2d
		7~14	1次/3d
		14~28	1次5d
		>28	1次/10d

5.2监测报警

（1）根据规范基坑开挖支护的边坡顶部水平位移基坑检测的预警值为H*3‰。

基坑支护边坡的水平位移变化速率2mm/d，当监测值超过H*3‰或连续三天的监测值超过该值的70%，应立即通知业主单位及监理单位，联系建设计院，设计院出具相应措施。

（2）基坑监测应在基坑开挖前进场第一次基坑监测值，且不得少于两次，在基坑开挖前，每天应进行基坑监测。且每天不得少于两次，在基坑开挖中期基坑监测要加大频率，如基坑变形沉降超过规范要求，应加强基坑检测频率，直到基坑沉降位移稳定后，方可减少检测次数。但雨期、地震、（经常爆破的地带）时，须加大观测密度，暴雨后须及时进行变形观测，变形观测须保持至基坑回填后方可结束。

（3）当出现下列情况时必须立即报警；若情况比较严重时应立即停止施工，及时组织施工人员撤离，并对基坑支护结构和周边的保护对象采取应急措施。

①当监测数据达到报警值；

②基坑支护结构或周边土体的位移出现异常情况等；

③基坑支护结构的基坑支护体系出现过大变形、沉降、断裂、断层、松弛或拔出外漏泥土的迹象；

④周边建（构）筑物的结构部分、周边地面出现可能发展的变形裂缝或较严重裂缝；

图5-2-1基坑周边裂缝	图5-2-2基坑周边裂缝

6、解决措施

（1）第一层卵石层开挖，根据现场实际情况跟设计院提前联系将放坡系数放大，加大坡度减小基坑开挖时的塌方和卵石的流动。

（2）基坑周边2米范围内严禁堆载，防止基坑周边荷载太大，导致基坑沉降坍塌。在基坑边的道路，向外扩4米搭设安全防护，防止大车载重过大导致基坑上部压力太大出现基坑上部倾覆。

（3）在第一层土方开挖完成后，立即进行混凝土的喷射。混凝土速喷5-6cm，将表面的卵石固化，形成一个表面保护层。防止钢筋绑扎、钢管土钉施工的震动，造成基坑沉降和坍塌。为后续钢筋绑扎，钢管土钉施工减小施工安全的分险。

密目网铺设		密目网铺设
快速喷射混凝土	快速喷射完成
钢筋网片绑扎			钢筋网片绑扎

(4)卵石基坑放坡支护，建议将钢管土钉变更成钢筋土钉，因为钢管土钉的出浆孔容易堵塞，注浆容易出现假满现象。卵石内部不能被大面积注浆。钢筋土钉施工预埋注浆管可以大量注浆，浆液可以填充卵石间空隙，水泥浆硬化后将卵石固化成整体，改善内部结构，增加卵石稳定性，减小由震动引起的基坑沉降。（注意：注浆量比正常土钉孔量大5~7倍）。

注浆管		预埋注浆管
钢管土钉注浆	钢管土钉注浆完成

7、沉降量对比

图7.1沉降观测统计图

在图7.1中可以明显的看出在采用措施后沉降量明显下降，由此可知（1）加大放坡系数（2）混凝土速喷5-6cm，将表面的卵石固化，形成一个表面保护层（3）将钢管土钉变更成钢筋土钉的措施。是可以减小纯卵石基坑支护沉降量，改善纯卵石内部结构，增加卵石稳定性。（4）注射水泥浆使卵石凝结成整体，减小卵石中的空隙，可以有效的降低基坑沉降量。

以上方法为经后类似工程提供了成功经验。

参考文献：

【1】《建筑基坑工程检测技术规范》GB50497-2009

【2】《建筑变形测量规范》JGJ8-2007

【3】黄平．基坑支护锚索在复杂条件下的施T处理【J】．山西建筑2008(16)：143—144．

作者简介：卢鹏亮、1995年8月  性别男，籍贯甘肃省天水市甘谷县   民族汉、学历专科   单位：中建五局第三建设有限公司    410000