深基坑復合支護及垂直開挖技術應用

申鐵軍

（山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006）

針對不良地質(zhì)深基坑開挖，如采用正常放坡開挖法（坡度不小于1∶1.25），不僅挖除、運輸、回填土方量大，而且施工過程中存在極大的安全隱患。深基坑水泥攪拌樁止水帷幕及灌注樁加預應力錨索支護垂直開挖施工技術是對太原武宿綜合保稅區(qū)慶云街地道箱體結構深基坑（開挖深度為8.9 m＞H≥6 m）先止水支護后垂直開挖的成功施工經(jīng)驗進行總結形成的，其施工便捷，不僅容易保證施工質(zhì)量，而且大大縮短了施工工期。

1 技術特點

a）可用于各種復雜地形、不良地質(zhì)條件，可在狹窄場地條件下施工，對鄰近建筑物影響較小。

b）施工工期相對較短，由于采用連續(xù)作業(yè)的方式，止水帷幕連續(xù)性好，施工效率高，能在較短的時間內(nèi)完成施工任務，為下一步按期完工創(chuàng)造條件。

2 應用背景

此項技術應用于太原武宿綜合保稅區(qū)慶云街立交工程深基坑開挖支護工程，該工程起訖樁號為K0+595—K1+002，全長 407m（61m+167.5m+178..5m），寬21.6 m，分暗埋段和敞開段（共分39個節(jié)段）。其中K0+762.539—K0+820.539為暗埋段，長61 m，最大開挖深度為8.9 m，為鋼筋混凝土單箱兩室結構，敞開段采用“U”形槽結構，位于暗埋段南北兩側，敞開段長度分別為167.5 m、178.5 m。該工程地處太原市小店區(qū)，地下水位淺且豐富，土質(zhì)天然含水率及孔隙比大、壓縮性高、抗剪強度低、易液化、易擾動變形，為淺水位軟基地段。本工程基坑側壁I-I剖面的安全等級為二級，Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ剖面的安全等級為三級，基坑按臨時支護設計，使用期限為6個月。

3 工藝原理

針對不良地質(zhì)條件，深基坑開挖前采用三步支護加固措施。采用水泥深層攪拌樁止水帷幕作為第一步加固措施，水泥攪拌樁加固原理是利用水泥作為固化劑，攪拌樁機將水泥噴入土體并充分攪拌,基于水泥和土的物理、化學反應過程，水泥水化生成各種水化合物后，與土發(fā)生離子交換和團粒化作用以及凝硬反應，使軟土硬結從而提高了土體強度，起到了止水作用。待土體初步穩(wěn)定后，采用水泥鋼筋混凝土灌注樁作為第二步加固措施，由于該段地基土為高靈敏度土，基坑一旦發(fā)生位移，對外側土體影響非常大，且土體強度喪失嚴重，會導致土壓力急劇加大，影響支護安全。為限制位移，減少對基坑外側土體的擾動，故采用增加預應力錨索作為第三步加固措施。

4 工藝流程

工藝流程見圖1。

5 施工工藝

5.1 施工依據(jù)

圖1 不良地質(zhì)支護工藝流程圖

開工后，嚴格按照《建筑地基處理技術規(guī)范》、《建筑地基基礎設計規(guī)范》、《建筑基坑工程監(jiān)測技術規(guī)范》、《建筑基坑支護結構構造—國家建筑標準圖集11SG814》以及太原市市政工程設計研究院提供的《太原綜保區(qū)道路及市政基礎設施建設工程區(qū)內(nèi)2號路慶云街立交工程施工圖設計》和《太原武宿綜合保稅區(qū)2號路下穿慶云街通道工程巖土工程勘察報告》施工。

5.2 操作方法

5.2.1 水泥深層攪拌樁止水帷幕施工

距基坑縱向中心線13.8 m，兩側各采用雙排水泥土攪拌樁作為止水帷幕。

5.2.1.1 水泥攪拌樁設計參數(shù)

水泥攪拌樁樁徑500 mm，（地下水位以上留為空樁），樁長13 m，同排樁樁心距為350 mm，排距為350 mm，縱橫向搭接咬合均為150 mm，采用四攪二噴工藝，水泥為P.S32.5級水泥,設計每延米水泥用量為60 kg。樁體無側限抗壓強度要求不小于1.4 MPa，漿液水灰比為0.50～0.60，水泥攪拌樁止水帷幕深度不小于降水深度。

圖2 箱型通道溝槽開挖支護剖面示意圖（單位：cm）

5.2.1.2 水泥攪拌樁施工步驟

平整場地→樁位放樣→鉆機就位→正循環(huán)鉆進至設計深度→打開高壓注漿泵→反循環(huán)提鉆并噴水泥漿→至工作基準面以下0.3 m→重復攪拌下鉆并噴水泥漿至設計深度→反循環(huán)提鉆至地表→成樁結束→進行下一根樁的施工。

5.2.2 鋼筋混凝土灌注樁施工

止水帷幕施工完畢后，距基坑縱向中心線12.7m，進一步采用C30鋼筋水泥混凝土鉆孔灌注樁支護，樁徑 800 mm，樁長14 m，灌注樁頂面標高為-2.0 m，間距1.5 m，單側95根，雙側共190根。鉆孔灌注樁施工步驟如下：

施工準備→定出樁位→護筒埋設→鉆孔作業(yè)→成孔檢查→安裝鋼筋籠→安裝導管→二次清孔→水下混凝土灌注。

5.2.3 冠梁施工

冠梁沿支護樁樁頂周圍澆筑，單側長為141 m（K0+712—K0+853），雙側共長282 m，高度 500 mm，寬度900 mm，采用C30水泥混凝土，支護樁縱筋深入冠梁內(nèi)長度不得小于350 mm，鋼筋保護層厚度不小于35 mm。

5.2.4 預應力錨索施工

錨索采用公稱直徑15.2 mm鋼絞線（1860級），入射角度為15°。每兩根灌注樁之間，冠梁以下2.5 m位置為錨索施工位置。注漿材料采用P.O42.5級水泥，錨索承壓梁采用兩根工字鋼（Q235）通長設置。錨索施工工藝及要求如下：

a）鉆孔 鉆孔直徑采取150 mm，在鉆孔過程中需用鉆孔測斜儀控制鉆孔方向。鉆孔應采用帶護臂套管設備鉆進。

b）錨索的組裝安放 錨索放入鉆孔之前，需確認錨索與孔位一致，將注漿管錨索一同放入鉆孔，注漿管頭部孔底宜為500 mm左右，桿體放入角度與鉆孔角度保持一致。錨桿承壓采用兩根工字鋼（Q235），通長設置。

c）張拉錨固 錨索張拉前，應對張拉設備進行標定，當錨固體強度大于15 MPa并達到設計強度的75%后方可進行張拉，錨索預應力張拉時要求先張拉到設計值，然后回到零，再張拉至軸力設計值的75%，然后鎖定值達到軸向力的70%，本工程錨索自由段長度從樁前開始計算，每根預應力錨索都需經(jīng)過抗拔檢驗，控制支護變形。錨索張拉應按一定程序進行，錨索張拉順序應考慮鄰近錨索的相互影響，對于鋼絞線的松弛、地表的徐變等因素造成的預應力損失可進行補張拉，然后鎖定。預應力錨索應認真做好自由段與錨固段的分段。自由段錨索先用黃油滿涂，再用PVC塑料管加套，在每組錨索外再用波紋塑管加套，并與自由段末端捆扎驗收，保證自由段鋼筋在預加應力時自由拉伸，只有錨固段才能發(fā)揮拉錨作用，阻止被支擋土體位移。

d）注漿 采取二次注漿工藝，錨索安設后，進行一次常壓注漿，注漿材料采用純水泥漿，水灰比0.40～0.45，待一次注漿體強度5 MPa（約24 h）后，進行二次高壓注漿，為滿足錨固體設計強度25 MPa的要求，一般注漿用水泥量要達到80～100 kg/m，二次注漿壓力不小于2.5 MPa。預應力錨索要設置能滿足二次高壓注漿的注漿管，本工程設計要求二次注漿管在自由區(qū)段采用焊接鋼管（4-6分管），鋼管端頭套絲扣，通過鋼管絲扣與高壓泵輸漿管用帶絲扣管接頭連結，這樣才能保證2.5 MPa工作壓力，將水泥漿注入錨孔，達到劈裂注漿，提高界面摩阻值，達到設計預應力錨索的目的。

5.2.5 基坑開挖

基坑開挖時，采用縱向垂直開挖法，分段、分塊開挖，開挖以機械為主，人工修整為輔。

5.2.5.1 開挖前的準備工作

在基坑開挖前50 d進行管井降水，確保地下水水位控制在開挖面以下1 m；地下水的降水、排水應貫穿整個基坑開挖及結構施作施工全過程。

5.2.5.2 基坑開挖施工

基坑屬于對稱的長條形基坑，全長407 m，共分39個節(jié)段，其最大開挖深度為8.9 m，該段落基坑開挖采用“縱向垂直開挖法”。整個基坑施工嚴格按照設計要求從中心K0+793.039處開始向兩側分層、分塊、對稱開挖成型（最深處 8.9 m，分 3 m、3 m、2.9 m，共3層）。按照此方法分層、分塊、對稱開挖敞開段及深埋段基坑。當挖至坑底墊層頂面標高時，復核中線、標高準確無誤后，人工進行修整，嚴禁超挖回填虛土，至設計標高后，進行100 cm厚碎石墊層及混凝土底板的施工。

6 材料與設備

表1 主要投入材料統(tǒng)計表

表2 主要投入設備統(tǒng)計表

7 質(zhì)量控制要點

7.1 水泥攪拌樁施工質(zhì)量控制要點

a）創(chuàng)造工作面并平整場地。攪拌樁作業(yè)區(qū)要求場地平整，攪拌樁墻位處要清除地下障礙物，以保證樁的垂直度（偏差不超過1%）和樁的順利施工。

網(wǎng)絡技術應用在電力調(diào)度信息化系統(tǒng)中，是為提高電力調(diào)度管理部門的工作效率，增強電力調(diào)度的安全性和時效性。網(wǎng)絡技術與電力調(diào)度相結合有其既定的的原則：

b）施工前要做好樁機、鉆頭及配件的檢查維修，確保鉆頭直徑，確保不間斷正常施工。

c）注意水泥漿的配置、攪拌、過濾，控制提鉆桿速度，實現(xiàn)均勻噴漿攪拌。

d）每根樁都要嚴格定位，鉆進時保持鉆桿垂直度，盡最大可能保證帷幕樁的搭接咬合尺寸。

e）控制相鄰樁體的施工間隔時間不超過12 h。f）要做到四攪兩噴，水灰比為0.50～0.60。

7.2 鉆孔灌注樁施工質(zhì)量控制要點

a）樁位偏差不應大于50 mm，樁身垂直度偏差不宜大于1∶200，樁徑偏差不宜大于50 mm。

b）鋼筋籠直徑偏差不宜大于10 mm，鋼筋籠長度偏差不宜大于50 mm，主筋間距偏差不宜大于10 mm，箍筋間距偏差不宜大于20 mm。

7.3 預應力錨索施工質(zhì)量控制要點

a）鋼絞線應無損傷，并應調(diào)直、除銹，同一孔的鋼絞線必須等長，切斷后的鋼絞線兩端應用鐵絲捆扎牢靠，鋼絞線的選擇試驗，質(zhì)量的要求以及錨索的張拉等，應嚴格按有關規(guī)范、規(guī)程進行，禁止盲目操作，以免發(fā)生危險。錨孔內(nèi)的水泥漿應有足夠的養(yǎng)護時間，在養(yǎng)護期內(nèi)不得移動錨索，設計與現(xiàn)場實際情況有出入時，經(jīng)設計單位同意后，可酌情調(diào)整。

c）支護樁面至帷幕樁的錨索宜加套管，并與帷幕封嚴，錨索成孔機械應確保支護樁與帷幕樁樁間土不流失。

7.4 深基坑開挖施工質(zhì)量控制要點

a）盡可能增加開挖工作面和運輸線，采用高挖高棄、低挖低棄的原則。

b）在基坑開挖平面內(nèi)，開挖時一定要分層、分塊、對稱進行，不得一次開挖至坑底。

c）開挖前作好降水、排水設施，保證開挖過程中的排水暢通。

d）基坑開挖施工時，圍護結構周圍的地面堆載不得大于設計規(guī)定的10 kN/m2。

e）基坑開挖到距離坑底300 mm時，必須采取人工挖除，避免基坑超挖。

f）土方開挖完成后應立即施工墊層，對基坑進行封閉，防止雨水侵入，并應及時進行地下結構的施工。

g）實際開挖深度應根據(jù)箱體結構設計底標高開挖，不得超挖。

8 安全保證措施

a）設置圍欄 基坑周圍必須設置圍欄，一般加高120 cm的圍護欄，挖出的土方及時運離基坑，機動車的通行不得危及坑壁的安全，防止坍塌。

b）基坑監(jiān)護 施工過程中，設一名專職監(jiān)護人員進行全天監(jiān)測，并做好沉降觀測記錄，如發(fā)現(xiàn)有松動、變形、裂縫現(xiàn)象，立刻撤離現(xiàn)場作業(yè)人員，并及時報告上級有關部門，采取防范措施，確保安全生產(chǎn)[1]。

c）臨邊防護 挖出的土要隨挖隨時排走，不得在坑邊存放；坡上部不準堆放棄土和材料設備等，堆放重物距土坡安全距離不得小于4 m，臨時材料不得小于2 m。

d）張拉防護 張拉作業(yè)過程中，嚴禁千斤頂正面站人，并且設有防護設施。

9 效益分析

9.1 社會效益

深基坑水泥攪拌樁止水帷幕及灌注樁加預應力錨索支護垂直開挖施工技術是從施工組織、技術攻關、工序控制等多方面的一個施工技術完整體系，它縮短了施工工期，加快了施工進度，極大地提高了安全系數(shù)，具有較高的推廣應用前景，同時也為類似工程提供了很好的借鑒。

9.2 經(jīng)濟效益

從人工費、材料費、機械費3方面分析，水泥深層攪拌樁造價1 515 703.75元，鋼筋混凝土灌注樁造價1 595 172.53元，鋼筋混凝土冠梁98 471.77元，預應力錨索造價824 871.87元，合計4 034 219.92元。

表3 成本分析細目表 元

9.3 綜合效益

雖然該工程支護費用約400萬元，但施工進度提高了近兩倍，而且極大地提高了施工安全系數(shù)，總體分析綜合效益良好。

10 結語

總之，采用此項技術施工，不僅大大減少了挖土、運土、回填的土方量，而且在保證質(zhì)量的前提下，加快施工速度1.5～2倍，贏得了建設單位和監(jiān)理單位的好評，為今后類似工程施工積累了成功的經(jīng)驗。