浅析岩土工程基坑的支护

浅析岩土工程基坑的支护
闫成云
摘要：本文结合具体工程实例，对软质岩石基坑工程的勘察要点、基坑支护方案选型及基坑支护设计进行了分析，并强调施工过程中应注意的问题。
关键词:深基坑；岩石工程；支护设计；方案选型
1 前言
随着社会的发展，建筑物的密集，地下工程的施工深度逐渐加大，场地狭小无法放坡开挖的问题随之突出。深度超过6m的深基坑工程越来越多，其勘察与支护设计已成为地下工程中极为重要的环节。但现阶段我国基坑工程的经验主要来自土质基坑工程领域，岩质基坑工程积累的经验较少，且岩质基坑工程没有明确的执行标准。究其原因，主要因为岩石的风化情况、强度参数、节理裂隙等因素千差万别，不易制定相应的勘察与支护设计技术标准。鉴于工程上遇到的岩质基坑工程多为软质岩石基坑工程，因此，开展软质岩石基坑工程的勘察与支护设计研究具有十分重要的实际意义。本文结合具体工程实例，就软质岩石塞坑工程的勘察要点与支护设计提出个人观点，以期与同行探讨。
2 软质岩石基坑工程的勘察要点
2.1勘察工作的布工原则
对于软质岩石基坑工程，勘察深度显然不能以原来的条救作为依据.笔者认为:勘察深度应以满足基坑侧壁稳定性评价、德定性计算及支护设计为前提，一般情况下，勘察深度可按开挖深度的，1.5一2倍考虑;若勘察范围受到场地狭小限制，那么勘探点的布里宜采取尽可能利用场地条件的原则，并辅以开挖边界以外的调查研究和资料搜集工作。勘察手段以钻探为主，并应辅以工程地质调查及室内土工试验等工作。
2.2岩土工程条件分析
应提供地层结构及分布特征、地质剖面、地基土物理力学性质指标、水文地质条件、场地水及岩土的腐蚀性等方面的资科，并应进行适当分析。因为它们是进行支护方案选型及基坑稳定性分析、内力变形计算不可缺少的资料，所以这些资料必须完整、可靠。
2.3周围环境分析
该项工作是选择基坑支护方案、确定围护结构位移、基坑稳定安全系数控制标准等工作的重要依据。应从以下几方面展开调查:①邻近建(构)筑物情况，主要包括其分布情况、结构形式及荷盆、基础类型及埋深、建筑红线位且等;②周围道路情况，主要包括其分布及距离、动荷载情况;③周围管线、沟道情况，主要包括地下管道及电缆线、沟道等的构造、埋深、位置及使用情况;④浅层地下障碍物情况。
2.4基坑侧面岩石工程特性分析
该项工作宜结合场地情况分析以下几方面内容:不同风化程度的风化带埋深及厚度;风化的均匀性及连续性；不同软化程度的软化带埋深及厚度;判断有无断裂构造及其破碎带、侵入的岩体成岩脉、软对夹层等，它们的产状要紊和厚度;岩石节理裂隙的发育程度及其产状要紊、危险滑动面的分布及其产状要素、软弱夹层工程性能研究及参数选取;岩石开挖.尽与漫水时的抗风化、抗软化能力等。
2.5基坑边坡稳定性评价
评价工作宜从岩土工程内因和工程环境外因两方面考虑，一般情况下，两方面缺一不可。岩土工程内因的评价内容主要包括地层结构及分布特征、水文地质条件、基坑侧壁岩石风化及软化程度、岩石节理裂隙发育程度及其产状要素、危险滑动面的分布及其产状要素、软弱夹层的产状要素和厚度、岩石开挖暴露与漫水时的抗风化及抗软化能力等方面;工程环境外因的评价内容主要包括周围环境的不利因子分析、潜在动荷载及外来水体的诱发边坡失稳分析等。
3工程实例
3.1工程概况
某项目为电厂扩建改造工程，场地狭小，尤其是翻车机室～2#转运站之间更为突出，该段输煤系统平面布置形态呈L型，设计采用现浇混凝土箱型基础，场地零米标高为83.1m，基础埋深–16.4～–17.0m，翻车机室～1#转运站总长近90m，宽近25m，1#转运站～2#转运站总长近40m，宽近17m。另外，拟建场地分布的岩石陡坎项部高程一般在89.00～93.00m之间，坎下地面标高一般在8300m左右，由于地面起伏较大，基坑开挖将形成高达16～26m的基坑边坡。
3.2周围环境简介
据现场调查可知，拟建翻车机室东侧建有老厂翻车机室，两个翻车机室的基础之间的水平距离仅5m;拟建1#转运站～2#转运站北侧约15m处建有老厂二级灰渣泵房和浓缩池;拟建翻车机室～1#转运站西侧10.0一30.Om范围内，分布有一条公路、老厂排水渠、水泥厂铁路专运线和货场;地表尚有部分待拆除的建筑物和地下埋设废弃电缆及管道。
3.3岩土工程条件
拟建场地地层结构简单，地表浅部分布有①杂填土，层厚0.4一2.0m，其下主要由第三系新统潞王坟组上段的⑦层泥灰岩和潞王坟组下段的⑨层砂质泥岩、泥质砂岩、泥岩等软质岩石组成。⑦层为强风化泥灰岩，层理不明显、节理裂除不甚发育，抗软化、抗风化能力较差，层底标离81.0~85.0m;⑨层上部为强风化的遭力1亚层，长期受水漫泡，强度明显降低，用手可轻易折断、捏碎、用力可捏成团，间夹较硬的细砂岩，呈现软硬交错状，层厚4.5一10.0m，层底标高73.8一79.3m;⑨一1亚层向下渐变为中等风化层，岩层产状近于水平，胶结较差，裂隙、孔隙不发育，在外路时易风化，浸水时易软化，其岩性类别文错变化频繁，局部夹较硬的细砂岩、砾岩夹层或透镜体，揭露厚度大于26m。地下水为基岩裂隙水，水位起伏较大，其项面标高一般在77.8～81.4m之间，而电厂西围墙外的地下水位顶面标高在85.0m左右，地下水位表现出西高东低的特点。⑨层及⑨一1亚层主要物理力学性质指标见表1。

表1 ⑨层、⑨一1亚层物理力学性质指标

层号
重度
y/kN/m3
吸水
率
﹪
饱和吸水率 ﹪

抗压强度/MPa

粘聚力c/MPa

内摩擦系数f

泊松比U 地基承载力特殊值fak/kPa
干燥饱和干燥饱和干燥饱和干燥饱和
⑨ 24．2 25．1 3．14 4．07 15.45 6．88 0．38 0．34 0．56 0.48 0.22 350
⑨一1 24．2 25．2 3．29 4．28 12.22 5．03 0．39 0．33 0．56 0.45 0.23 200

3.4 ⑨层及⑨一1亚层地基土的工程特性评价
根据其岩性特点，依据《岩土工程勘察规范》GB50021一2001附录A，可将⑨层上部的⑨一1亚层定性判定为极软岩，⑨层可定性判定为软岩。同时，由岩石试验报告可知，⑨层的软化系数多在0.41一0.47之间，饱和抗压强度多在5.22一8.28MPa之间; ⑨一1亚层的软化系数多在0.38一0.42之间，饱和抗压强度多在4.21一5.57MPa之间，因此，按《岩土工程勘察规范》BG50021一2001第31212、第31214条款，可将⑨层定盆评价为软岩，⑨一1亚层则为极软岩。因此，综合定性、定最评价成果，⑨层综合判定为软岩，⑨一1亚层综合判定为极软岩。
3.5 诱发甚坑边坡失稳因素分析
（1）岩土工程方面的不利因素主要有:⑦层顶部有2一3m厚的泥灰岩，其岩性较脆，节理、裂隙发育，被切割的岩块在重力作用下易失稳滚落或塌滑;⑦层底部岩层和⑨层、⑨一1亚层的抗软化、抗风化能力较差，尤其是⑨一1亚层结构不甚致密，其中还夹有较松软的土状软弱薄夹层，加之富含基岩裂隙水，⑨一1亚层已被长期浸泡软化，成为基坑边坡潜在的危险滑动面;设计初定基础埋深大于地下水位埋深，基岩裂隙水成为基坑边坡失稳的诱滑因素，将加剧基坑边坡失稳，甚至发生突发性滑坡。
(2)工程环境方面的不利因素主要有:新建翻车机室基础埋深比老厂翻车机室基底深3.7m，两个翻车机室基础之间的水平距离仅5m，加之老厂翻车机室的基坑回填土密实性较差，这对基坑东侧边坡的稳定性将造成不利影响;拟建翻车机室一1#转运站西侧10.0一30.0m范围内，分布有一条公路、老厂排水渠、水泥厂铁路专运线和货场，潜在动荷载及老厂排水渠的渗漏因素将加剧基坑西侧边坡的失稳;拟建1#转运站一2#转运站北侧约15m处建有老厂二级灰渣泵房和浓缩池，这对基坑东侧边坡的稳定性将造成不利影响。
3.6基坑支护方案选型论证
根据工程特征、场地周围环境特点及岩土工程勘察报告，基坑A、B、C、D、H边坡需采取适宜的支护措施，而E、F、G、I边坡附近场地较开阔，具备放坡条件，可按岩体边坡容许坡度值(高宽比)放坡开挖:坡高在8m以内宜按1:0.75一1:1.00考虑，坡高8~15m宜按，1:1.00一1:1.25考虑，坡高15~30m宜按1:1.25一1:1.75考虑。
该项目具有工程环跪要求较高、开挖深度大、基坑边坡高度达16一26m等特点，按照类似工程经验及各支护结构形式的适用条件分析，本工程可采用锚喷网、土钉墙、护坡灌注桩等支护结构形式，但考虑到基坑A、B、C、D、H边坡的放坡条件有限、对周围建(构)筑物的保护必须万无一失，以及D边坡上部岩土体较破碎等因紊，同时还结合计算类比和技术经济综合比较，最后确定A、B、C、H边坡采用锚喷网支护;D边坡采用排桩一锚喷网联合支护，其上部边坡采用锚喷网支护，下部边坡采用钻孔灌注护坡桩并结合桩间预应力锚杆联合支护，桩顶设皿钢筋混凝土圈梁(也称冠梁)。这样既可保证周围建（构)筑物及铁路、道路的安全运行，又相对比较经济适用，还有效地缩短边坡支护和开挖工期，保证了地下工程的施工进度要求。
3.7基坑支护设计
3.7.1基坑D段边坡排桩一描喷网联合支护设计
(1)钻孔灌注桩
桩插入深度确定:由力矩平衡方程 M=0，计算插入深度1=6m，桩长L=17.2+6二23.2m;桩参数:桩径600mm，桩间距1500mm，桩长23.2m，桩体钢筋采用通配，主筋为16 22，箍筋为 8@200，并且每2m加设1 14箍筋，材料采用C30混凝土，桩位偏差不应大于50mm，桩身垂直度偏差不应超过1/200;桩顶设钢筋混凝土圈梁(冠梁)，冠梁高700mm，宽700mm，主筋为8 22和4 12，箍筋为 8@200，桩内主筋锚入冠梁的长度为660mm，冠梁材料采用C30混凝土，主筋混凝土保护层厚度不小于50mm，冠梁下设100厚CI0素混凝土垫层。
(2)上部边坡锚喷网支护
锚杆参数:锚杆孔用人工或机械成孔，孔径l00mm，水平倾角为8°一16°，依实际情况和需要调整，采用梅花型布置。锚杆材料采用 22螺纹钢筋，水平间距1.2m，垂直间距1.2m，长度9m
水泥浆:锚杆孔内压力注浆，水泥采用PO32.5级水泥，水灰比0.45一0.6，注浆压力0.4一0.6MPa;加强筋:材料采用 12钢筋，菱形布置在锚杆上;钢筋网:材料采用 615钢筋，间距250x250mm;喷射混凝土:水泥采用PO32.5级水泥，强度C20，厚度100mm。
(3)桩间预应力锚杆
锚杆参数:锚杆孔用人工或机械成孔，孔径150mm，水平倾角为15°，采用矩形布置。锚杆材料采用2 25螺纹钢筋，水平间距1.5m，垂直间距3.0m，长度18m;
水泥浆:锚杆孔内压力注浆，水泥采用PO32.5级水泥，水灰比0.45一0.6，注桨压力0.4~0.6MPa;锚杆与桩连接采用枯钢腰梁和高强度螺栓;当浆体强度达到70%后可施加预应力，施加预应力均为l00kN;要求桩间预应力锚杆极限抗拔力为300kN。设计抗拔力200kN，正式施工前先做一组(3根)试验锚杆。
3.7.2基坑A、B、C、H段边坡描喷网支护设计
基坑A、B、C、H段边坡的工程环境、开挖深度、边坡高度等方面存在差异，因此锚喷网支护设计参数略有不同，本文不再赘述。
3.7.3施工过程应注意事项
(1)施工前应详细调查、分析场地周围环境状况，避免盲目施工引发不安全事故;
(2)基坑开挖、支护顺序合理，一般宜先施工护坡桩，后按分层放坡开挖、分步支护要求，安排合理的挖土、支护工序，保证支护作业及时跟进土方开挖，避免随意超挖、欠挖，以及坡面暴露时间过长现象发生;
(3)基坑开挖时，应分层均匀开挖，坑内土面高度保持均匀，高差不超过1m;
(4)引基坑开挖时，应考虑适宜的施工降、排水措施，并且在施工期间，应在基坑上部及内部修建截、排水沟，禁止雨水流入基坑，对渗入的水体必须及时排出;
(5)开挖土体必须及时运走，坑周严禁堆载;
(6)在正式施工前，锚杆的现场抗拔试验必不可少，一般情况下，每组试验锚杆应保证3根，施加的最大荷载宜为锚杆工作状态设计拉力的1.2一1.3倍;
(7)在施工护坡桩、冠梁、锚喷网及预应力锚杆等支护结构时，施工工序、技术及质量要求、安全措施和工程验收等方面必须按设计和施工组织文件要求执行;
(8)机械开挖到离基底标高300mm后改用人工开挖，确保基底原状地基土不被扰动;
(9)基坑开挖、支护及后续地下工程施工、基坑回填过程中，宜进行必要的监测，并采取必要的监控报普措施，发现坡体及周边建筑物出现异常变形时，必须立即停止施工，查清原因并采取有效措施后方可继续施工。
4 结论
在软质岩石基坑工程勘察前，必须初步了解场地周围环境条件，搜集足够的区域地质资料，然后根据已掌握的信息，按照软质岩石基坑工程的勘察要点布置工作量，但不能只在划定的建筑物轮廓线以内开展勘探工作，还应对周边环境进行详细的调查了解。此类基坑工程的支护设计工作思路:基坑支护方案的选型宜根据场地环境条件、工程地质条件、支护结构形式的适用条件及技术经济分析等进行综合分析论证。支护方案确定后，应在施工前编制详细的施工组织计划，务必使基坑开挖和支护顺序安排合理，还需对施工中应注意事项进行重点分析，避免突发性不安全事故发生。.