组合支护技术在高层建筑基坑开挖中的应用

所属栏目:建筑设计论文 发布日期:2010-09-02 09:28 热度:

  摘要:本文介绍了广州市某高层建筑的基坑支护方案。施工单位根据该工程的工程地质水文情况、基坑深度和场地环境,设计了深层搅拌桩、钢管桩(超前锚管)和土钉墙支护的组合施工技术。
  关键词:基坑支护;深层搅拌桩;钢管桩(超前锚管);土钉墙支护
  某高层建筑,位于广州市繁华的广州大道西侧。该大厦地上27层、地下室2层,系钢筋混凝土框筒结构,地面以上高度为86.7m,总建筑面积42443㎡。基础采用人工挖孔嵌岩灌注桩,桩径1200、1400、1600、1800四种,桩长6~12m不等。
  1.基坑工程概况
  本工程设有地下室2层,其外围尺寸为南北长55m,东西宽48m,地下建筑面积5280㎡,底板厚400mm,埋深-9.95~-10.35m。基坑在平面上呈矩形,其南北长58.5m、东西宽49.4m,开挖面积约2890㎡,支护周长218m,支护面积约2200㎡。地下室混凝土强度等级为C40、抗渗等级S8。
  该工程位于繁华闹市中心,施工场地十分狭窄。场地四周均为市政道路,人流车流频繁,路外即商店和居民住宅区,路下埋有上、下水管道、煤气管道、电缆等管线,距开挖线距离在2~13m之间,故不可能采用大开挖方式。现场对基坑开挖的稳定性提出了十分严格的要求,施工难度较大。
  2.场地工程地质及水文概况
  根据场地工程地质和水文勘察报告,场地位于残丘平原上,地势平坦,地貌单元单一,但场区内存在软土地层、砂土层及属地震烈度七度区等因素,根据有关规定,判定场地条件及地基岩土条件为二类,场地范围内未发现有断裂构造带通过或其他构造形迹,场区地基稳定性较好。场地地层自上而下分别为:
  ①素填土,厚度1.1~2.5m,淤泥质土,厚度0.8~2.4m。
  ②第四系冲积层中粗砂、粉土,厚度3.8~7.5m,平均厚度约5.1m。
  ③粉质粘土,厚度3.8~5.4m,平均厚度为4.6m,硬塑
  ④残积层粉质粘土,厚度1.2~8.8m,硬塑。
  ⑤强风化粉砂岩,厚度2.5~10.7m,平均厚度6.6m。
  ⑥中风化粉砂岩,厚度1.3~4.1m,平均厚度2.58m。
  ⑦微风化粉砂岩,平均厚度3.62m,岩质坚硬,其地基承载力标准值在3000kPa,是较好的持力层。
  拟建场区的地质较复杂。地下水位在地表以下1.07~1.42m之间,表层为杂填土,厚度1.1~2.5m,易坍塌;二、三层为中粗砂和粉质粘土层,层厚3.80~7.2m,在水流作用下,易形成流沙。场地地下水含层主要为第四系冲积层,即含泥质中粗砂层、粉土层孔隙潜水;次为基岩粉砂岩强~中风化裂隙孔隙水,富水程度属弱~稍富水。
  3基坑支护方案
  本工程位于闹市中心,对基坑开挖的稳定性提出了严格的要求,即施工期间必须确保基坑周围建(构)筑物、道路、地下市政管线的安全和正常使用。经委托有资质的设计单位进行专项设计,结合场地环境及工程地质条件等综合分析和经济比较,最后确定支护方案选用深层搅拌水泥土墙、钢管桩(超前锚管)和土钉墙支护的组合施工技术。采用该组合施工技术,既能防渗,又兼有档土性能,可确保基坑支护的稳定和安全。
  3.1深层搅拌水泥土墙施工工艺
  深层搅拌水泥土墙是以水泥浆为固化剂,利用搅拌机械将水泥浆液与地基土强制拌和,使地基土硬结成为具有整体性、水稳定性和一定强度的水泥土墙。其主要作用是进行基坑止水和开挖基坑的超前支护。搅拌桩孔径采用Φ500mm,相互搭接150mm。以425#普通硅酸盐水泥作固化剂,水泥掺入量10%~12%,纯粘土粉掺入量为5%。桩长按不同地质情况分为三组,对应桩长分别为6m、6.5m、7.5m三种,均须穿过砂(或粉土)层,且必须钻入粘质土层1m以上,以保证搅拌桩有足够的隔水深度。成桩采用四喷四搅重复提升下沉工艺,施工中严格掌握喷浆速度和提升速度,要求机杆下沉速度小于2m/min,喷浆上升速度小于0.8m/min。
  3.2钢管桩(超前锚管)施工工艺
  深层搅拌水泥土墙的主要功能是止水,兼起档土作用。但对开挖深度超过10m的深基坑支护,由于深层搅拌水泥土墙的抗拉强度不高,为弥补其不足,常在搅拌桩施工后,紧贴搅拌桩外侧每隔一定间距(本工程采用1.4m)增设一根嵌入中风化岩中0.5m以上、总长达12m的钢管桩(即超前锚管),并将钢管桩与随后施工的土钉和喷锚网连成一体,共同组成一道档土结构体系。其施工工艺流程为:成孔→洗孔→投管→灌浆→向管内投石子。成孔采用100型油压钻机成孔至设计深度,成孔孔径为Φ155mm,成孔后,随即利用钻机泥浆泵进行循环水清洗孔底沉渣;洗孔完毕,即可用起吊设备将Φ140mm钢管投放入孔内至孔底;在管口底端开设一个漏浆缺口,使部分浆液流入管外侧,起到对管与侧壁土体间的充填及加固作用。进行灌浆作业时,将注浆管顺钢管插入至管底,并压入水泥砂浆(M15)至管口冐出纯水泥浆为止;抽出注浆管,约30min后往钢管桩内投2~4mm瓜米石,直至管口再次冐出纯水泥浆为止。
  3.3土钉墙支护施工工艺
  3.3.1土方开挖应与支护施工密切配合
  深层搅拌水泥土墙和钢管桩施工完成后,即转入基坑土方开挖施工。土方开挖采用机械施工、自卸车运土。按照设计,深层搅拌水泥土墙的主要功能是止水,兼起档土作用。作为档墙,当基坑深度较大时,深层搅拌水泥土墙抵御土体倾覆的能力不足,其必须与钢管桩和土钉墙结构共同工作,才能有效地起到档土作用。因此,基坑的土方开挖作业必须与基坑四周的侧壁支护作业按设计要求密切配合进行,即挖一层土,打一排土钉,支护一层。施工中,既不超挖,也不欠挖,以避免破坏土体自稳和水泥土墙,避免其在未支护前造成人为塌方而带来不良的后果。在密切配合保障安全的同时,可考虑为加快施工进度而在土方开挖与支护作业中采用流水作业、交叉作业或跳格作业等措施。
  3.3.2施工工艺流程
  开挖工作面→修边坡→绑扎钢筋网,预留搭接筋(上、下层钢筋搭接长度为25d)→打土钉(或锚杆孔)→锚管(锚杆、锚索)注浆→焊接加强筋(加强筋与锚管头焊接)→喷射细石混凝土。
  上层喷锚完成3天后,方可进行下一层开挖喷锚作业,按此循环,直至设计标高。
  3.3.3土钉墙施工技术措施
  按照设计单位的设计计算,结合本工程特点采用的计算参数如下:
  ①为缩短施工工期并保护好开挖面,基坑土方开挖与喷锚网支护交叉进行。做到挖一层土,打一排土钉,喷锚支护一层。本工程布置了七道钢筋锚杆,其竖向间距自上而下分别是1.3m、1.0m、1.0m、1.2m、1.2m、1.3m、1.3m、1.0m;对应的锚杆长度分别是9m、12m、12m、12m、10m、8m、6m;其横向间距由1.05m至2.1m不等;锚杆采用Φ25、Φ22钢筋;锚杆的水平倾角上面4排均为10°、下面3排均为15°,灌浆的水泥砂浆强度等级C20。
  ②基坑开挖采用机械施工,铺以人工修整支护面,保证支护面无虚土。
  ③土钉施工前,将其端部制作成滤管(花管),入土端加工成桩尖状,滤水孔间距500mm,孔眼前端(靠管尖侧)焊接钢筋或角钢块。管材加工好后,采用冲击锤或土钉机将钢管按设计角度及位置对正,将钢管击打入土中到设计长度。
  ④预应力锚杆:按照计算结果,设计布置了一道预应力锚杆,其埋深达15m,孔径110mm,放置7*Φ5钢绞线锚索,横向间距为@2.1m,锚杆外露端设在腰梁上。其成孔采用钻机成孔至设计深度,采用高压水空压设备洗孔清渣至孔底干净后注浆。
  ⑤以土钉、钢筋锚管、预应力锚管外露端头作连接点,将Φ6@200钢筋网焊于其上形成钢筋网片(挂网),再在其外侧焊接Φ16@1.3m的钢筋,形成加强筋网,加强筋间距应符合设计要求。
  ⑥灌浆、喷锚作业:采用高压注浆泵对土钉进行压力灌浆,即将高压注浆管安接在钢管头上,压入水泥浆,灌浆压力需达0.5~1.0MPa,压入水泥浆并稳压三分钟后,方可停止注浆。然后对钢筋网面喷射混凝土:通过10m3空压机,将预拌好的骨料均匀输送出去,在枪口与水混合。喷射砼强度为C20;配合比为1:2:2(水泥:中砂:石子),厚度为120mm,分两次进行,每层厚度60mm。
  ⑦腰梁:当基坑深度超过6m时,常在护壁中部偏上的部位处设一道腰梁。本工程腰梁设在-3.70m处,腰梁断面为450(高)*250(厚),配置7Φ22纵筋和Φ6@200箍筋,C20混凝土浇筑。在锚索及腰梁完成5~7天后,即可采用油压千斤顶对锚索拉拔至设计要求的应力值(130KN)并锁定。
  3.4.其他施工技术措施
  3.4.1深层搅拌水泥土墙施工完毕并形成封闭圈后,在基坑四周深层搅拌水泥土墙墙顶上各设变形观测线一条,每隔10m设一变形标志点,设变形观测点23点并将其连线延伸到基坑边的围墙和道路、建筑物上,施工期间每天测量一次并作好记录,发现异常及时处理。经实测,施工期间变形量不大,其最大值为27mm,说明支护方案是成功的。
  3.4.2为保证锚杆在土体中的锚固作用,须防止基坑周边土体开裂和地表水渗入,故需对基坑周边3m范围内的地面作硬化处理,且在硬化的地面外侧设一条排水明沟,硬化地面坡向水沟,随时将地表水通过明沟排走。
  3.4.3基坑开挖期间,基坑周边地面上禁止堆放荷载较大的材料、设备或有振动的建筑机械,以避免发生塌方之类的工程事故。
  3.4.4基坑排水:基坑开挖过程中,在基坑内设集水井二处,用潜水泵将积水抽至基坑边的沉淀池内经沉淀后排入市政管道。开挖土方时,应尽量使地面形成坡度并坡向集水井。由于深层水泥土墙具有均匀性好和止水性能好的特点,能截断侧向水路,基坑内外允许有水头落差,这样基坑外无须人工降水,可保持原地下水水位,较好地解决了由于水位变化易引起周围地面及建筑物开裂问题。
  4.结语
  从土方开挖后暴露的深层水泥土墙的施工质量来看,外露的水泥土墙墙面整齐,墙体直立,桩间搭接良好,表面干燥无渗水现象;基坑底部干燥、无管涌隆起现象,并经受了当年雨季大暴雨和台风的考验,均表明档水档土的效果良好。在基坑施工期间,基坑周围的住宅、道路和管线均无位移、破裂现象。工程竣工已经三年,至今未接到这方面的任何投诉。说明本方案的基坑支护设计是成功的,采用的各项技术措施也是可靠的。
  

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