水泥土搅拌桩结合土钉锚杆喷射砼在基坑支护工程实例中的运用

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  前 言
  
  随着城市建设的发展,高层建筑的深大基坑工程日益增多,对基坑支护技术的要求越来越高;新材料、新技术的不断更新,带来基坑支护技术的不断发展。传统的单一重力式挡墙和刚性悬臂支护结构已经不能满足高层建筑对深大基坑的支护要求,而复杂的支护结构在实施中又受到工艺及经济、技术条件的限制,从这一角度看,建筑市场更青睐于经济、适用、安全有效的基坑支护结构形式。水泥土搅拌桩重力式挡墙+土钉锚杆+喷射砼就是一种行之有效的基坑支护技术。
  水泥土搅拌桩格栅状重力式墙+土钉锚杆+喷射砼的支护形式是一种复合型的支护方案,支护效果优越于其中的任意单一形式。由于支护结构的关联性和作用效果的互补性,因此具有较强的工程适应性。目前主要适用于基坑周边建筑物较多、基坑环境较复杂、不具备放坡条件、采用单一支护形式有风险、开挖深3-7m的基坑。
  
  支护结构工艺及原理
  
  水泥土搅拌桩重力式挡墙结合土钉锚杆、喷锚支护是水泥土挡墙、土钉锚杆和喷射砼三种施工工艺的融合。水泥土搅拌桩重力式挡墙是深层搅拌桩机将喷出的水泥(固态或液态)固化剂在地基土内进行原位强制拌合形成水泥土桩柱,硬化后即成为具有一定强度的格栅状及壁状挡墙,既挡土又可作为止水帷幕。土钉锚杆+喷射砼是由被加固土、设置于原位土体中的土钉(螺纹钢筋、型钢等)及附着于坡面厚度约80~100mm的配筋喷射砼面板组成,形成类似扶壁状重力式挡土墙,以抵抗墙后土压力等荷载,使边坡维持稳定。
  该支护方案以水泥搅拌桩形成止水帷幕和超前支护,可较好地解决土体的自稳性、隔水性和喷射混凝土面层与土体的连接问题。由防渗帷幕及土钉锚杆组成复合型喷锚支护墙体,以水平向压密注浆或二次压力注浆解决土体加固及锚杆抗拔的问题,以搅拌桩解决坑底隆起和渗流问题。复合型喷锚支护方案具有经济可靠,施工效率高的特点。
  
  工程实例
  
  概况
  某工程位于七里河路与中原路交汇处长春农贸市场内。拟建大楼平面呈矩形,长约65.16m,宽约55.16m,由一栋主楼及两栋裙楼组成。主楼高三十层,最大柱网尺寸为10m×10m,单柱最大荷载25000KN,框剪结构;裙房高十层,框架结构,采用预应力管桩基础。大楼一~三层为商场,四~五层为办公,六~三十层为住宅,设一层地下室,地下室外围承台开挖深度为-6.33~-7.53m。该工程由武汉市民用建筑设计研究院设计,基坑支护工程由襄樊地质工程勘察院设计。根据场区周边环境情况及场地地质条件,采用水泥土搅拌桩重力式挡墙+土钉锚杆+喷射砼支护方案。
  基坑周边条件
  根据业主提供资料,该工程±0.00与场区地面整平标高66.9m相同。主楼大部分承台底板标高一般为-7.0m,电梯井位置为-7.5m,靠近边缘侧为-6.33m,裙楼部分承台底板标高一般为-6.33m。基坑内净空为纵长69.06m,横宽59.26m,周长242.66m,面积3810.00m2。场地西距七里河路边11米,该侧分布有下水管道,距基坑8.75m,埋深2.5m,南距中原路边11.7米,该侧分布有城市下水管道,距基坑6.8m,埋深2.5m;东距质监站办公楼仅5米,办公楼采用钻孔压灌桩基础;北边距长春小区5#住宅楼7.0m,住宅楼采用复合地基。
  基坑地质及水文条件
  基坑土层分布及特征分述如下:
  ①层杂填土(Qml):主要由水泥地坪、砖块及粘土组成,杂色,湿、结构松散,全区分布,层厚1.0~2.0m;②-1~③-3层粉土(Q4al):褐黄色,湿,稍密~中密,层厚0.6-3.6m,平均厚度1.53m~1.71m;②-4~②-5层粉质粘土(Q4al):褐黄色,软塑~可塑,湿。层厚1.8-7.6m,平均厚度3.95~5.7m;③层中细砂(Q4al+pl):灰褐色,松散状态,饱和,很湿。层厚0.8-2.1m,平均厚度1.25m;④层圆砾(Q4al+pl):灰褐色,稍密,饱和,全场均有分布,层厚2.7-7.9m,平均厚度3.95m;⑤-1~⑤-2层卵石(Q4al+pl):灰褐色,稍密~密实,饱和。
  场区地下水类型主要有上层滞水及孔隙承压水构成。上层滞水水位埋深在1.40~1.80m左右,随季节性变化;孔隙承压水水量充沛,与汉江有密切联系,根据场区地热空调井水位观测资料,承压水水头距地面深度3.5~6.0m左右。地下水对混凝土不具侵蚀性和腐蚀性。
  基坑工程设计
  基坑土层设计参数
  基坑支护设计参数表(见下表)
  基坑计算深度
  场区开挖深度以承台垫层底为计算深度,分别按照-6.00m、-7.00m考虑。降水设计以最大开挖深度-7.50m考虑。
  支护结构设计
  1.支护设计参数
  根据基坑开挖深度和侧壁土质情况的不同,对基坑分七个区段进行设计,全部采用搅拌桩复合喷锚支护方案。工程采用天汉深基坑V5.1计算软件,进行了整体稳定性验算、抗隆起验算。
  复合喷锚支护方案分为搅拌桩和土钉锚杆两部分。土钉锚杆设计如下:
  1区(AB段)设计土钉锚杆4层,长度7-11.0m,直径100mm,间距1.0m×1.2m,倾角15°,各层土钉锚杆内置1φ18。
  2区(BC段)设计土钉锚杆5层,长度5.0-6.0m,直径100mm,间距1.0m×1.2m,倾角15°,各层土钉锚杆内置1φ16。
  3区(CD段)设计土钉锚杆5层,长度5.0-6.0m,直径100mm,间距1.0m×1.2m,倾角15°,各层土钉锚杆内置1φ16。
  4区(DE段)设计土钉锚杆4层,长度7.0-8.0m,直径100mm,间距1.0m×1.2m,倾角15°,各层土钉锚杆内置1φ16。
  5区(EFH段)设计土钉锚杆4层,长度9.0-10.0m,直径100mm,间距1.0m×1.2m,倾角15°,各层土钉锚杆内置1φ16。
  6区(HK段)设计土钉锚杆4层,长度7.0-8.0m,直径100mm,间距1.0m×1.2m,倾角15°,各层土钉锚杆内置1φ18。
  7区(KA段)设计土钉锚杆4层,长度7.0-10.0m,直径100mm,间距1.0m×1.2m,倾角15°,各层土钉锚杆内置1φ18。搅拌桩支护参数见下页表:
  2.支护结构设计
  A、喷锚支护设计
  基坑喷锚支护坡面墙体采用直立式。锚杆采用洛阳铲成孔,在局部易坍塌不易成孔地段采用打入式锚管。采用锚管地段根据现场成孔条件确定。
  锚杆设计为梅花形布置,共计994根。锚孔直径φ100mm,锚杆杆体采用Ⅱ级螺蚊钢,根据受力不同分别采用直径φ16~18筋钢,锚孔倾角15°。面层钢筋网采用φ8@200×200mm,每排锚杆设1根φ16加强筋连接,局部设400mm加强筋。喷射砼厚度100mm,设计强度C20,配合比为水泥:砂:石=1:2:2,注浆用水泥采用32.5级,水灰比0.45左右。喷锚支护结构顶部地面设1.0m宽混凝土护顶,厚100mm。
  锚管采用φ48×3.5钢管,一端制成桩尖状,在管壁上呈梅花形开设10mm小孔,孔口设防护倒刺,管口1m左右不开孔,钢管击入后按锚杆的注浆方法注浆,注浆压力为0.6~0.8Mpa。
  B、水泥搅拌桩设计
  水泥搅拌桩沿基坑外侧布置为单排、双排两种形式,共计782根。搅拌桩桩径500mm,相邻桩位搭接宽度100mm,桩净距400mm。搅拌桩采用二喷四搅喷粉工艺,水泥采用32.5级普硅水泥,水泥掺入量60kg/m,桩体28天无侧限抗压强度1.0Mpa。
  3.基坑降水设计
  基坑降水布设4口降水井,结合场区已有的2口地温空调水井,在基坑内施工2口减压降水管井,设计管井深度25m,井管内径为φ300mm,设计单井出水量120m3/h;设计回灌井2口,井径与抽水井相同,井深60 m。基坑外侧设地下水位观测井2口,观测抽水后地下水位降深情况。为截排地表水及地下渗水,基坑上口反坡1-3%,基坑顶部和底部边角设集水坑4个,其间布置一道宽300mm×300mm的封闭矩形截水沟向城市排水设施抽排集水。
  4.基坑监测系统设计
  监测系统包括基坑围护结构和周边建筑物、地下管线、地表裂缝的监测。基坑沉降和位移观测点16个,水平位移观测点S1~S8,沉降位移观测点W1~W8;
  周边建筑物观测点布置在长春小区8层住宅及市质检站办公楼,在沿建筑物外墙及角点处布置6个观测点H1~H6。管道沉降位移观测点沿管道线布设8个.点G1~G8;地表裂缝监测基坑周围地表裂缝、支护结构出现的裂缝及周边建筑物上的裂缝。监测预警抢险值如右页表:
  


  


  施工工艺流程
  1、水泥土搅拌桩工艺流程
  确定支护桩位桩机就位钻进成孔进入持力层设计深度喷灰搅拌提升复搅至设计深度重复喷灰、搅拌提升至桩顶下根桩施工。
  2、土钉锚杆+喷射砼施工工艺流程
  分层开挖修坡初喷砼确定土钉锚杆位置成孔清孔安设土钉锚杆灌水泥(砂)浆二次注浆至浆体饱满挂钢筋网喷射砼养护砼。
  施工质量重点控制环节
  1、在施工之前必须由施工单位提交施工组织设计,现场做施工性的成孔成桩试验,选定合理的各项工艺参数,以确定具体施工要求并强调施工质量保证措施、施工安全保证措施、施工工期保证措施、突发事件应急处理措施以及安全通道和监测点设置等。
  2、保证水泥土搅拌桩帷幕的施工质量,防止断桩事故,确保桩身垂直度和搭接质量。
  3、为保证锚杆锚固质量和效果,应在成孔、注浆、补浆、钢筋网片拉结等工艺方面进行严格的工序管理。
  4、压力注浆应由上而下分段作业,水灰比控制在0.6-1.0,注浆压力控制在0.2-0.4Mpa,施工顺序应根据注浆孔间距和地层的渗透情况,按编号中跳跃式进行,或采用凝固时间间隔进行,锚杆孔间应防止串浆。
  5、基坑外侧地面均应采用水泥砂浆抹面并设置截水沟,严禁地表水流入坑内。
  6、对地面、支护结构和建筑物进行监测,进行信息化施工,建立信息反馈体系,遇到异常情况及时反馈。
  7、基坑开挖完后,注意基坑内的排水工作,严禁水浸泡基坑。在基坑外侧5m内严禁堆土或其它重物。
  施工体会及存在的问题浅析
  1、土钉锚杆采用洛阳铲人工掏土成孔工艺,适用地层以地下水位以上的粘性土为宜,特别适用于汉江二级阶地上部形成的第四系软塑-可塑状粘性土层;而受含水量、粘粒含量和地层流变性影响,不适用于干硬的老粘土及地下水位以下的淤泥质土、粉土、粉砂土。
  2、对于基坑分层开挖、分层支护,对称开挖、对称支护的要求,采用土钉锚杆采用人工洛阳铲成孔,具有信息化施工灵活、占用工作面小和组织进行大规模密集施工的特点。
  3、水泥土重力式挡土墙在形成过程中,控制关键在于桩间的搭接质量和桩体强度。对于作业空间狭小的基坑,尤其应注意桩身的垂直度。
  4、土钉锚杆的质量控制环节在于成孔质量、注浆和二次注浆质量以及与钢筋格栅的锚固焊接质量等。在锚杆成孔后,要确保锚杆孔的清孔质量。
  5、基坑施工要求进行信息化施工和监测,发现问题及时采取措施进行处理。
  工程施工效果及分析
  基坑按照0-2.0m、2.5-4.5m、4.5-6.5m分层开挖、对称开挖形成后显示,水泥土搅拌桩帷幕挡墙桩身直径、搭接宽度、桩身水泥土强度和连续性良好;土钉锚杆试验性施工直径达150-200mm,凝固质量良好,强度满足设计要求。
  


  该工程的支护效果从监测数据上看,S2最大水平位移量达7.1mm(2007年10月21日),最终水平位移量为5.9mm,所设的沉降变形点位移量最大不超过-2.6mm,管线观测沉降最大-6.0mm,说明沉降量不大,相邻建筑物沉降监测点基本无变化。根据基坑支护结构沉降及位移观测成果表分析,基坑及附近建筑物的沉降、位移累计沉降量控制在允许范围内,基坑处于稳定状态,满足《基坑工程技术规程》DB42/159-2004规定及设计的要求。
  水泥土搅拌桩结合土钉锚杆、喷射砼面层的复合型支护结构,较好的解决了基坑的水平截水帷幕和土体的稳定支挡问题,在一定的基坑周边环境和地质水文条件下,具有较好的适用性。
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