水泥搅拌桩加土钉锚杆的复合土钉墙支护技术在深基坑中的应用

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　　1 工程概况
　　
　　医谷现代商务园二期位于浦东新区广丹路的北面，六灶港河的南面，地块呈铲刀型。总用地面积25539m2，总建筑面积48674m2，该小区由J房型（-1/9F）、E1-E5（-1/5F）、D1-D4（-1/5F）、H1-H5（-1/5F）建筑群组成，工程基础采用PHCΦ400A(80)预应力静压管桩，桩端持力层为⑦1-1砂质粉土层，有效桩长31m。
　　1.1 基坑周围环境
　　本项目基坑由四个组成，其中J房型基坑尺寸为57.7X32.4M，E房型平面呈L型，基坑尺寸为142X27M，D房型基坑尺寸为88X28M，H房型基坑尺寸为124.6X42M，按基坑底板外轮廓线，J型房北侧6.0M是已有网球馆建筑，J、E及D型房南面约4.5米是围墙，围墙南面约6米是市政道路（广丹路）；H型房北侧20M是六灶港河，其中H型房基坑与D型房基坑间最小距离仅11.5米（该部位需布置施工便道），基坑平面布置图见附图1。
　　根据现场原始标高及基坑图纸尺寸计算，各基坑开挖深度如下：J型房为5.6米（局部7.2米）；E型房为3.5米（局部4.8米）； D型房为3.5米（局部4.8米）；H型房为5.5米（局部6.8米）。
　　1.2 工程地质特征
　　1.2.1 地下水位埋深0.3-1.6M，对砼无侵蚀性。
　　1.2.2 影响支护的土层如下：
　　第①层为杂填土，主要为素填土、耕植土，局部为建筑垃圾。全场分布，层厚0. 0-2.5m。
　　第②层粉质粘土，中等压缩性，干强度中等，中等韧性。全场分布，层厚0. 0-3.0m。
　　第③层淤泥质粘质粉土，土质较差，易压缩。全场地分布，层厚1.6-9.3m。
　　第④层淤泥质粘土，流塑，高压缩性。全场地分布，层厚6.8-19.0m。
　　第⑤1层为粘土，稍密，饱和，中等压缩性。全场地分布，层厚17.2-26.3m。
　　第⑤3层为粉质粘土，主要分布于古河道内，土质相对较好，层厚24.8-35.0m。
　　第⑥层为粉质粘土，土质较好，分布较稳定，层厚24.4-30.8m。
　　第⑦1层为砂质粘土，土质较好，呈中密~密实状，获得的承载力较大，层厚28.0-37.9m。
　　1.2.3 不良地质现象
　　经勘探查明，场地南北向有6条暗浜分布，宽8-12米左右，有两条明浜分布，宽10.0-17.0米，东西向有一条明浜分布，宽大于15.0米，场地暗浜深1.9-3.8米，局部清理过。
　　1.3 基坑工程设计、施工难点
　　1.3.1 J型房北侧6米即为网球馆，对地面沉降变形要求相当高；
　　1.3.2 H型房北侧20米范围内有天然河道，且水位高过拟开挖基坑底近3米；
　　1.3.3 场地内有5条带状的暗浜，地址报告显示最深处近10米；
　　1.3.4 项目场地狭小，待开挖地下室间土体需作为施工便道；
　　1.3.5 项目南侧的市政道路变形要求高；
　　1.3.6 上海刚发生莲花河畔倒楼事故，监管部门对深基坑设计、施工监管加强，经济型与安全性的平衡点难以控制。
　　
　　2 围护方案
　　
　　根据工程经验，可用于该开挖深度的基坑围护结构有很多，如重力式挡墙、土钉墙结合水泥搅拌桩止水、钻孔灌注桩以及空腹格栅墙式水泥搅拌桩等，作为建设方，我们需要在经济型和安全性方面进行平衡，在同设计单位讨论，并经专家论证认为，根据本基坑工程的规模及特点，开挖深度地质条件及周边环境，该场地条件可基本满足土钉支护要求，只要能有效降低地下水位，同时控制好土体变形的围护方案都是可行的，现对几种基坑支护方案在技术上和经济上进行了比较。
　　2.1 土钉墙式支护结构主要有以下问题：
　　2.1.1 该土钉形式往往侧向变形较大，会对网球馆地面沉降造成大的影响，同时对邻近工程桩的保护不利；
　　2.1.2 土钉墙不能将基坑内外的地下水隔开，基坑内降排水的工作量较大，并会造成网球馆地面沉降以及六灶港河的侵蚀。
　　2.2 重力式挡墙支护结构也存在如下问题：
　　2.2.1 难以控制基坑的变形，会对网球馆地面沉降造成大的影响；
　　2.2.2 为保证基坑的稳定，重力式挡墙要保证一定的宽度和插入深度，该工程的基坑边线距离邻近工程基础很近，重力式挡墙实施的空间难度较大。
　　2.3 钻孔灌注桩支护结构主要有以下问题：
　　成本太高，基坑内降排水的工作量较大。
　　桩墙式支护结构工艺比较成熟，但对该工程而言，基坑大部分开挖深度在7.00M以内，该支护形式在技术上没有问题，但工程造价偏高。
　　综合以上分析，在确保基础和地下室施工安全的前提下，为方便施工，加快工程进度，降低工程造价，经分析和比较，最后确定采用的围护方案是：对于D、E、H房型采用水泥搅拌桩加土钉的复合土钉墙支护形式，其中水泥搅拌桩采用双头Φ700@1000（水泥参量13%，浜区为16%）；对于J房型，采用钻孔灌注桩结合双头Φ700@1000水泥搅拌桩止水帷幕，另加一道钢支撑的支护形式，基坑四周设置钢筋砼压顶，钢支撑支护支撑在压顶上。同时对坑内被动区土体和局部深坑进行加固处理，加固采用双头Φ700@900水泥搅拌桩。采用该复合式的围护方案能充分发挥水泥搅拌桩和土钉墙的各自优点，同时弥补各自的不足，主要有以下几个方面：
　　（1）土钉墙的造价低廉，与其他桩墙式围护结构相比，其经济性优势非常明显。
　　（2）水泥搅拌桩本身是效果很好的止水帷幕。
　　（3）水泥搅拌桩插入深度较大，其抗滑移，抗倾覆和整体稳定性比单纯采用土钉墙护有大大提高。
　　（4）在坑底进行了被动区土体加固，对控制围护体的变形和稳定非常有利。
　　（5）水泥搅拌桩止水帷幕能保证降水效果，同时钢结构支撑围护确保了网球馆的变形。
　　
　　3 技术方案
　　
　　3.1 计算分数取值说明。
　　3.1.1 基坑计算开挖深度取5.50M（A-A剖面）、4.5M（C-C剖面）和3.50M（D-D剖面）。(见附图2)
　　3.1.2 地面超载C-C剖面取30KN/M2外，其余剖面均取20KN/M2。
　　3.1.3 各土层物理、力学指标按下表。
　　3.1.4 土压力采用朗肯土压力理论，采用水土合计。同时考虑了土的成层性，即根据地质剖面的土层分布情况，分别采用相应的抗剪指标计算土压力。
　　3.2 计算方法说明及计算结果
　　本工程围护结构计算采用深基坑支护结构设计计算分析软件包PRSA。
　　3.2.1 基坑整体稳定分析
　　REAME程序可以考虑地基的任意分层，被动区土体加固以及基坑的渗流作用，给出基坑最危险圆弧滑动面的滑动中心位置，滑动圆弧半径及相应的最小抗滑移安全系数。应用本程序对基坑的整体稳定进行分析，结果表明，A-A，C-C，D-D剖面的整体稳定安全系数分别1.33，1.31和1.41，符合规范要求。
　　3.2.2 土钉的抗拔力计算。
　　各道土钉的抗拔力验算据如下公式：
　　其中Kdi为第i个土钉的抗拔强度安全系数；
　　Eai为第i个土钉处的主动土压力强度；
　　Sx、Sy分别为第i个土钉的水平，垂直间距。
　　Tti为第i个土钉破裂面以外的土体提供的有效抗拔力将设计各参数依次代入，计算得A-A剖面的第一、二、三和第四道土钉的抗拔安全系数分别为1.69、1.83、1.57和1.36；C-C剖面的第一、二、三和第四道土钉的抗拔安全系数分别为1.59、1.67、1.46和1.35，均满足要求。

　　3.2.3 围护体的外部稳定验算
　　将复合土钉墙及加固的土体作为一整体，按照重力式挡墙的有关计算方法进行多种稳定验算。
　　（1）抗滑移计算
　　作用于挡墙上的主动土压力的水平分量为滑动力，挡墙侧面及底部与土体之间的水平摩阻力为抗滑动力。经计算A-A、C-C、D-D剖面的抗滑稳定安全系数分别为2.11、1.87和2.63，满足要求。
　　（2）抗倾覆计算
　　考虑挡墙绕抗底与挡墙的交点发生转动，转动力矩由作用于挡墙上的主动土压力的水平分量提供，抵抗转动力矩由挡墙重力、主动土压力垂直分量提供，这样计算得到A-A、C-C、D-D剖面抗倾覆稳定安全系数分别为19.11、15.37和3.32，均大于1.4，满足规范要求。
　　3.3 锚杆
　　基坑按坑边荷载情况，分为A-A、B-B、C-C、D-D、E-E、F-F六类区段，设计5排锚杆，按梅花形布置，排矩0.9-1.2M，水平间距1.0M，落脚加2排超前锚杆。锚杆头部用2Φ16钢筋横向焊接，再与网片焊接。锚杆孔直径Φ100mm，锚体采用Φ48×3.5钢管，打入角10º向下，锚杆采用高压注浆，注浆压力0.8-1.2Mpa，浆液配合比（重量比）水灰比0.4-0.5，灰砂比2。
　　3.4 钢筋网
　　采用Φ6.5@200×200单层满布。
　　3.5 喷射混凝土
　　掺加速凝剂施以干法喷射，设计强度C20，喷射厚度100mm配合比（重量比）水泥：砂：碎石=1：2：2.5，喷射范围为D、E、H房型基坑四周一圈（宽度1000mm）。
　　
　　4 支护施工
　　
　　4.1 水泥土深层搅拌桩施工
　　开机前必须探明和清除一切地下障碍物，须回填土的部分，必须分层回填夯实，以确保桩的质量，其工艺流程为：
　　桩机就位→搅拌下沉、拌制水泥浆→注浆搅拌提升→重复搅拌下沉→重复提升→关闭搅拌机械→移位→桩机就位
　　4.2 喷锚施工
　　支护体施工随基坑开挖同步进行，其工艺流程为：制锚→开挖→修边→打孔→装浆→编网→喷射混凝土
　　4.3 降水排水
　　在基坑边坡上布置一排井点降水管，将地下水位控制在坑底以下；坑底积水采用200mm×200mm断面环基坑沟槽加集水坑的办法排除，基坑四周每隔20m-30m设置集水井，以保持坑内作业面及坑底干燥。
　　4.4 基坑开挖
　　为便于施工并利于边坡稳定，开挖应在该范围周边基坑搅拌桩达到80%设计强度后进行，同时宜按照分区块A-I的顺序进行，以A-A剖面为例，土方开挖宜按以下步骤进行：
　　4.4.1 挖土至第一道土钉标高，施工钢筋砼护坡和第一道土钉。
　　4.4.2 待已施工的土钉墙达到80%设计强度，进行下一阶段土方开挖，挖土至第二排土钉标高，土方开挖应分段，分片进行，沿基坑边长每开挖10米的土方，立即进行相应范围的土钉墙施工，待该部分土钉墙施工完毕后，才能进行领段土方的开挖。
　　4.4.3 待第二道土钉以上的土钉墙达到80%设计强度，进行下一阶段土方开挖，挖土至第三排土钉标高，按(2)点要求进行土方开挖及土钉墙施工。
　　4.4.4 待第三道土钉的土钉墙达到80%设计强度，进行土方开挖，挖土至坑底标高，按(2)点要求进行土方开挖及土钉墙施工。
　　4.4.5 J房型须带钻孔灌注桩及水泥搅拌桩施工完毕，并完成水平钢支撑后，再进行土方开挖，地板混凝土浇筑完成后，可拆除水平钢支撑。
　　4.5 土钉施工必须避开周围建筑的工程桩及基础。
　　4.6 在基坑开挖及地下室施工期间，基坑周边应尽量不要堆载和设施工用房，如必须布置，则应尽量远离基坑边。
　　基坑土方开挖时，坑底标高以上30cm及地梁、承台等局部深处采用人工修土，挖土至坑底24小时内必须施工好碎石垫层，垫层应延伸至围护体边，并抓紧施工承台及地下室底板，同时用素砼或毛石砼填实基础底板、承台与围护体间的空隙。
　　
　　5 基坑监测
　　
　　为确保基坑开抗的顺利进行和周围建筑的使用安全，在基坑开挖和地下室施工期间，对支护结构水平位移，相邻建筑物沉降进行了现场监测。
　　5.1 支护结构水平位移观测
　　在基坑开挖和底板施工期间，基坑侧壁的水平位移随开挖的进行而逐步发展，在垫层、底板浇捣完成后基本稳定，其实测位移曲线呈地层浅部大而深部小的上大下小分布，充分证明了支护结构受力机理符合悬臂式挡土结构，整个基坑最大水平位移发生在H型房北面土钉墙，最大位移38mm，其他各管处最大水平移依次南面道路为21mm(南)、J型房北面12mm(北)、J型房西面19mm(西)、J型房南面15mm(南)、H型房东面27mm(东)。
　　5.2 坑外地下水位观测
　　开挖过程中，在轻型井点降水的开始阶段，各水位管所观测到的坑外地下水位均有下降，后期基本保持不变。
　　5.3 周围建筑物沉降观测
　　井点降水和基坑开挖引起的基坑周围建筑物最大沉降仅8mm，发生在D、E房型基坑南面处观测点。
　　
　　6 结束语
　　
　　水泥搅拌桩加土钉复合式支护结构一般适用于地下水位以上或经过排降水措施后的杂填土、砂性土、粉土、硬塑与干硬粘土，但不适于含淤泥土和流砂的土层。实践证明，在开挖深度5.0-7m范围内，在上海由于人工填土及耕植土下富含水下饱和粉土、粘土，采用此法配合井点降水土方分层开挖，均可取得满意的效果。其造价大大低于其他围护方案，但在具体实施需注意以下几点：
　　6.1 准备充分，关注薄弱环节，优化现场管理
　　土钉支护随挖随支，发现问题需要及时处理，以确保坑臂稳定，同时做到速战速决，连续施工，每开挖出一个工作面，及时加固，做好土钉及喷射砼工作，避免因土体暴露时间过长出现不必要的险情。
　　6.2 分层开挖支护，交叉平行作业
　　土钉支护内无支撑系统，施工工作面大，利于挖土施工，但必须严格按设计要求分层、分段开挖，逐层、逐段交叉平等作业，严禁超挖。严格按照施工程序逐层施工，严禁在土钉墙初凝养护期间即开始挖运下步土层。
　　6.3 砂性土层应用，降水阻水是关键。
　　土钉支护只有地下水下降才能提高土体，抗剪强度，提高内磨擦角指标，并相应提高锚固力，从而缩短锚杆，减少工期，降低造价。
　　水泥搅拌桩加土钉复合式支护结构在上海市7米以内深基坑中的应用证明：水泥搅拌桩加土钉复合式结构的应用有着广阔的前景。但是作为更深的深基坑工程，则围护效果有限。且在设计过程中，不能不加分析套用，必须认真分析场地的地质条件和周边环境条件，并在施工过程中加强检测。
　　
　　作者简介：
　　邵华安，男，出生于1975年5月，籍贯：湖北黄冈，现住上海，于上海国际医学园区联合发展有限公司担任工程总监，致力于项目实施过程中的工程现场管理。
　　注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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