軟土基坑SMW工法樁與錨桿組合支護(hù)若干施工技術(shù)問題探討

俞 堅(jiān)

(福建天宇建筑技術(shù)工程有限公司 福建福州 350001)

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軟土基坑SMW工法樁與錨桿組合支護(hù)若干施工技術(shù)問題探討

俞 堅(jiān)

(福建天宇建筑技術(shù)工程有限公司 福建福州 350001)

基于沿海某一深厚層軟土基坑支護(hù)施工案例，在特殊場(chǎng)地條件與地質(zhì)條件下， 對(duì)濱海吹砂地層基坑工程施工遇到特定困難進(jìn)行實(shí)踐探索，通過精心分析，制定合理可行的施工方案，細(xì)化和深化施工工藝，并以試驗(yàn)性施工加以驗(yàn)證，最終確定關(guān)鍵工藝參數(shù)，解決基坑支護(hù)施工若干技術(shù)難題，使之既能滿足設(shè)計(jì)要求，又能滿足項(xiàng)目工期、成本及質(zhì)量要求，對(duì)于相類似的工程具有參考價(jià)值。

施工方案；SMW工法；工藝參數(shù)；組合式預(yù)應(yīng)力錨管

0 引言

隨著高層建筑地下室的普遍應(yīng)用，大量深基坑工程頻繁出現(xiàn)，各種類型的支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用而生，在眾多的支護(hù)結(jié)構(gòu)類型中，樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為普遍，施工方案與技術(shù)因不同項(xiàng)目、不同的施工場(chǎng)景表現(xiàn)出多樣性和靈活性，相同的設(shè)計(jì)因不同的施工對(duì)策體現(xiàn)出不同的工程效果，最終反映在項(xiàng)目的成本、工期、安全等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上，本文以平潭協(xié)和醫(yī)院綜合樓地下室基坑工程的施工為例，將這一實(shí)踐提升到理念和技巧，以供同類型工程借鑒。

1 工程概況

1.1 工程場(chǎng)地條件與標(biāo)高情況

在建平潭協(xié)和醫(yī)院綜合樓位于福建省平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)北厝鎮(zhèn)西側(cè)，場(chǎng)地原始地貌屬濱海灘涂—潮間帶，經(jīng)吹填砂而成，地勢(shì)較平坦。場(chǎng)地黃海標(biāo)高約為5.00m(相對(duì)標(biāo)高-2.60m)，北側(cè)及南側(cè)設(shè)一層地下室，中部為二層地下室，地下室形狀呈不規(guī)則多邊形，一層地下室底板墊層底標(biāo)高為-6.3m(相對(duì)標(biāo)高，下同)，開挖深度為3.70m；二層地下室底板墊層底標(biāo)高為-10.4m，基坑邊局部深承臺(tái)開挖標(biāo)高達(dá)-13.0m，開挖深度約10.0m，基坑側(cè)壁安全等級(jí)為一級(jí)，基坑支護(hù)平面布置圖如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地自上而下為填砂、淤泥、淤泥質(zhì)土、粘土、碎石土、殘積土。地下水位在黃海標(biāo)高3.2m(相對(duì)標(biāo)高-4.4m)，位于地表下1.80m左右，主要為吹填砂層中的潛水，含水層滲透系數(shù)高，水量較為豐富，受潮汐影響較大。

1.3 支護(hù)型式

一層地下室基坑為噴錨支護(hù)，邊坡坡度1∶1；二層地下室設(shè)計(jì)為兩級(jí)支護(hù)，第一級(jí)與一層地下室相同，也采用噴錨支護(hù)，第二級(jí)為直立支護(hù)，采用SMW工法樁加噴錨(拉錨構(gòu)件為錨管，局部采用預(yù)應(yīng)力錨索)支護(hù)形式，工法樁為三軸水泥攪拌樁內(nèi)插型鋼，樁徑Φ650，樁中心距450mm，型鋼規(guī)格HM488×300×11×18，坑底被動(dòng)區(qū)采用Φ500水泥攪拌樁加固，支護(hù)剖面圖如圖2所示。

2 施工總體順序的確定

通過場(chǎng)地踏勘，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙及勘察資料，最終形成以下兩種不同方案的施工順序：

方案一：先淺后深，先外而內(nèi)、先降水后開挖。這一方案要求在基坑外圍按設(shè)計(jì)先行施工36口降水井，依靠降水將地下水從天然水位(-4.4m)降至-6.3m以下，再進(jìn)行一級(jí)坡面的噴錨施工，土方從一級(jí)坡腳向坑內(nèi)中心平推開挖，提供SMW工法樁施工作業(yè)面，完成負(fù)二層的圍護(hù)樁及其冠梁的施工。

該方案為常規(guī)做法，優(yōu)點(diǎn)是施工按部就班，次序清晰，便于實(shí)施，風(fēng)險(xiǎn)?。蝗秉c(diǎn)是由于需要先行降水，再施工一級(jí)邊坡噴錨支護(hù)，工期被一級(jí)噴錨支護(hù)施工占用，工期較長(zhǎng)，不能體現(xiàn)關(guān)鍵工序(SMW工法樁)的優(yōu)先原則，同時(shí)對(duì)降水依賴性高。

方案二：先深后淺，先進(jìn)行負(fù)二層的工法樁施工，后進(jìn)行一級(jí)坡面施工，要求以關(guān)鍵工序SMW工法樁為先導(dǎo)，在負(fù)二層區(qū)域以支護(hù)樁為中心，沿支護(hù)樁走向開辟一條環(huán)形工作帶供三軸樁施工，工作帶寬度30m，底標(biāo)高在地下天然水位位置(黃海高程3.2m)。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是能夠充分結(jié)合基坑支護(hù)的特點(diǎn)，合理統(tǒng)籌安排施工先后順序，先行SMW工法樁施工和冠梁施工，利用冠梁強(qiáng)度齡期時(shí)間進(jìn)行一級(jí)坡面噴錨施工，因而一級(jí)坡面噴錨施工不占用工期，縮短工期一個(gè)月。該方案缺點(diǎn)是場(chǎng)地地下水位較高，存在三軸攪拌樁機(jī)械地基承載力不足的風(fēng)險(xiǎn)。

鑒于本工程項(xiàng)目工期十分緊迫，在眾多的因素中，工期是決定性的因素，權(quán)衡兩個(gè)方案的利弊，最終選定方案二作為本項(xiàng)目支護(hù)施工的總體順序。

3 環(huán)形工作帶開挖標(biāo)高

本工程建筑樁基采用沖(鉆)孔灌注樁，施工造成場(chǎng)地坑坑洼洼，又逢雨季，泥漿四溢，三軸攪拌樁施工前必須對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行清理，通過降低場(chǎng)地標(biāo)高，清除面層各種障礙，根據(jù)三軸攪拌樁的施工需要，應(yīng)開挖環(huán)形工作帶，開挖深度必須合適。開挖過淺無(wú)法到達(dá)原狀土層、并完全清除淺部障礙，同時(shí)三軸水泥攪拌樁空孔段過長(zhǎng)，造成不必要的浪費(fèi)；開挖過深則遇地下水，且軟弱土層覆土不夠，因此開挖深度既要達(dá)到清除面層障礙的目的，又要滿足三軸攪拌樁機(jī)械對(duì)地基承載力的要求，否則將有傾覆性的危險(xiǎn)。

針對(duì)上述的問題，最終采取如下措施得以解決：

(1)環(huán)形工作帶深度開挖至地下水位標(biāo)高位置；

(2)按設(shè)計(jì)坡度開挖一級(jí)坡，深度1.5m(相對(duì)標(biāo)高-4.1m)，平面范圍與環(huán)形工作帶連接，在對(duì)應(yīng)一級(jí)坡腳的設(shè)計(jì)平臺(tái)位置開挖環(huán)形集水槽(相對(duì)深1.0m，相對(duì)標(biāo)高-5.1m，寬2.0m)和集水坑(相對(duì)深1.5m，相對(duì)標(biāo)高-5.6m，間距20m)；

(3)在場(chǎng)地中央開挖若干集水坑；

(4)在集水坑中安放潛水泵抽水，使工作帶位置的地下水位降至樁機(jī)支撐面下0.5m；

(5)地面承載力判斷：300型挖機(jī)能自如行走，則判別承載力滿足要求(若不滿足要求應(yīng)滿鋪30cm后的磚渣)。

地基承載力的類比驗(yàn)算[4]：

步履式三軸攪拌樁機(jī)接地比壓≤0.1MPa，施工時(shí)機(jī)座下滿鋪鐵板，實(shí)際接地比壓小于0.05MPa。

以小松PC300—7型挖掘機(jī)作驗(yàn)證機(jī)，履帶板寬度600mm，履帶接地長(zhǎng)度3 700mm，整機(jī)工作重量31.2t。

接地比壓=31.2×104/2×600×3 700=0.07MPa。

所以滿足300型挖機(jī)的地基承載力就可以滿足步履式三軸攪拌樁機(jī)對(duì)地承載力的要求。

4 三軸攪拌樁施工工藝參數(shù)的確定

三軸攪拌樁的成樁質(zhì)量與工藝參數(shù)的合理與否關(guān)系極大，合理的工藝參數(shù)必須通過現(xiàn)場(chǎng)試樁確定，在試樁前必須根據(jù)設(shè)計(jì)要求，結(jié)合地層條件預(yù)先設(shè)定試樁工藝參數(shù)才能進(jìn)行試樁施工，避免盲目性。

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

以上述剖面為例，三軸攪拌樁樁長(zhǎng)17.4m，空孔2.5m，攪拌樁規(guī)格Φ650@450，實(shí)樁水泥摻量24%，空孔按工藝需要水泥摻量5%，泵送壓力>0.3MPa，成樁土層土的重度為16.1KN/m3，下沉速度0.5～0.8m/min，提升速度1.0m/min～1.5m/min，水灰比1.5～2.0∶1。

4.2 單根樁理論水泥用量的確定

按設(shè)計(jì)要求，單根樁理論水泥用量：實(shí)樁及空孔總用量2.3t；選用水灰比1.5∶1，可配置水泥漿液體積8.33m3；按水泥漿用量計(jì)算一副樁施工時(shí)間，選灰漿泵檔位：3檔，流量210L/min，流量時(shí)間=8.33/0.21=39.7min。

4.3 鉆桿下沉和提升速度的確定

下沉速度：選0.8m/min，下行時(shí)間：(17.4+2.5)/0.8=24.9min;

樁底滯留時(shí)間：1 .0min;

提升速度：選1.5m/min，上行時(shí)間：(17.4+2.5)/1.5=13.3min;

合計(jì)運(yùn)行時(shí)間：39.2min，與水泥漿流量時(shí)間39.7min吻合。

計(jì)算表明上述三軸攪拌樁試樁施工參數(shù)選擇合理。

5 錨索與錨管組合方式——組合式預(yù)應(yīng)力錨管的應(yīng)用

5.1 組合式預(yù)應(yīng)力錨管的施工工藝

在本基坑工程中，負(fù)二層采用工法樁加錨桿的支護(hù)形式，其中有一部分為預(yù)應(yīng)力錨索，若按照常規(guī)的施工工藝，在碎石土層中施工錨索極為困難，甚至無(wú)法完成，鉆孔過程出現(xiàn)塌孔后便無(wú)法進(jìn)行，本工程采用錨管套鋼絞線的方法使問題得以解決。

具體方法是在預(yù)應(yīng)力錨索成孔困難的地段采用沖擊的方式先進(jìn)行錨管施工，進(jìn)入土層的錨管達(dá)到設(shè)計(jì)長(zhǎng)度后使鋼管外留1m，布置鋼筋網(wǎng)進(jìn)行噴射面層，強(qiáng)度滿足后對(duì)錨管清孔并裝入2束鋼絞線，鋼絞線長(zhǎng)度比進(jìn)入土層的錨管長(zhǎng)80cm，鋼絞線端頭距錨管口20cm左右，往錨管內(nèi)灌滿水泥漿，孔口用止?jié){袋封堵，進(jìn)行間歇式壓力注漿，每次注漿飽滿后停歇20min，每一個(gè)錨管進(jìn)行2～3次注漿。當(dāng)錨固體達(dá)到強(qiáng)度后切掉外露的鋼管，留下錨索張拉鎖定，鎖緊力按設(shè)計(jì)要求。

5.2 組合式預(yù)應(yīng)力錨管的拉力驗(yàn)算

(1)由鋼絞線與水泥漿錨固體黏結(jié)強(qiáng)度控制的拉力

T1=0.625ξ·n·π·d·Ft·La[1]=0.625×0.7×2×π×15.2×1.1×15 000=689kN

考慮水泥漿錨固體黏結(jié)厚度過小，最薄處6mm，遠(yuǎn)小于最小值25mm的要求，黏結(jié)效果需折減，折減系數(shù)0.25。

折減后拉力設(shè)計(jì)值=0.25×689=172kN

式中：ξ——集束鋼件的黏結(jié)效果折減系數(shù)，3件集束取值0.7；

0.625——安全系數(shù)K的倒數(shù)，臨時(shí)支護(hù)取K=1.6；

n——鋼絞線根數(shù)，n=2，d——鋼絞線直徑，d=15.2；

Ft——水泥漿錨固體的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，1.1N/mm2

La——鋼絞線有效錨固長(zhǎng)度15m。

(2)由錨管與水泥漿錨固體黏結(jié)強(qiáng)度控制的拉力

T2=0.625ξ·n·π·d·Ft·La=0.625×0.7×1×π×42×1.1×15 000=952kN

折減后拉力設(shè)計(jì)值=0.25×952=238kN

(3)由水泥漿錨固體與土層黏結(jié)強(qiáng)度控制的拉力

T3=0.625π·d·Fb·La=0.625×π×130×0.03×20 000=153kN

(Fb——水泥漿錨固體與土層極限摩阻力30kPa)

綜合上述計(jì)算，組合式預(yù)應(yīng)力錨管的拉力承載力可達(dá)153kN>設(shè)計(jì)拉力110kN，故能滿足要求。按該工藝施工的5根組合式預(yù)應(yīng)力錨管，其拉拔試驗(yàn)承載力均超過設(shè)計(jì)值。

6 施工技術(shù)的應(yīng)用成果評(píng)價(jià)

本項(xiàng)目從施工過程的關(guān)鍵點(diǎn)和困難點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)工程自身的特點(diǎn)，尋求解決問題的思路和方法，實(shí)踐表明，綜合應(yīng)用上述的方法和技術(shù)措施，對(duì)該工程的實(shí)施起到提綱挈領(lǐng)的作用，收到良好的工期進(jìn)度和質(zhì)量安全方面的效果，具體體現(xiàn)在：

(1)合理的施工順序?qū)s短工期、節(jié)約成本具有顯著的作用，該項(xiàng)目打破施工的傳統(tǒng)思路，因地制宜地采用先深后淺的施工順序，使工期縮短一個(gè)月。采用非傳統(tǒng)做法必須事先分析可行性，對(duì)附加出現(xiàn)的問題要有足夠的因應(yīng)手段，本項(xiàng)目可取之處在于未降水情況下，成功地解決了地下水的困擾問題。

(2)大型機(jī)械——三軸攪拌樁機(jī)對(duì)地面承載力的要求判別是關(guān)鍵，采用300型挖機(jī)做驗(yàn)證，根據(jù)不同型號(hào)的機(jī)械進(jìn)行接地比壓的類比驗(yàn)算，這個(gè)經(jīng)驗(yàn)與方法對(duì)于軟弱場(chǎng)地的情形具有重要的指導(dǎo)價(jià)值，可以避免大型機(jī)械因?qū)?chǎng)地承載力估計(jì)不準(zhǔn)造成陷落甚至傾覆的危險(xiǎn)，保證施工過程的安全。

(3)三軸攪拌樁工藝參數(shù)關(guān)系到成樁質(zhì)量與施工的成本問題，雖然設(shè)計(jì)與規(guī)范都給出工藝參數(shù)的選擇范圍，但實(shí)際施工時(shí)必須有一個(gè)定值。業(yè)內(nèi)行情在對(duì)待這個(gè)問題上往往憑班組經(jīng)驗(yàn)來(lái)定，具有隨意性，造成水泥用量或超標(biāo)或不足。本項(xiàng)目是通過設(shè)計(jì)水泥摻量做基準(zhǔn)參數(shù)，經(jīng)過一系列計(jì)算來(lái)制定各個(gè)工藝參數(shù)，具有科學(xué)性和實(shí)證性，既保證設(shè)計(jì)質(zhì)量(水泥摻量)又不造成超標(biāo)增加成本，從而達(dá)到設(shè)計(jì)質(zhì)量與施工成本節(jié)約的統(tǒng)一。

(4)該項(xiàng)目首創(chuàng)組合式預(yù)應(yīng)力錨管并加以應(yīng)用。在碎石土和雜填土地層，預(yù)應(yīng)力錨索(錨桿)的施工通常要采用跟管工藝，即為了克服鉆孔過程出現(xiàn)塌孔、卡鉆等現(xiàn)象，使用鋼套管跟進(jìn)鉆孔的方法(俗稱跟管)，跟管的成本約180元/m，且工效極低(每班一天只能施工3根左右的錨索)。在該項(xiàng)目中，經(jīng)過試驗(yàn)與計(jì)算，形成一種新的拉錨形式——組合式預(yù)應(yīng)力錨管，成功地解決了碎石土層的預(yù)應(yīng)力錨索施工問題，節(jié)約成本約160元/m，工效提高3～4倍(與跟管工藝比)，為該項(xiàng)目的工期與成本節(jié)約發(fā)揮較大作用。

(5)該項(xiàng)目采用上述方法后，不僅在工期、成本上看到顯著的效果，而且在施工過程的安全性以及基坑的整體穩(wěn)定性方面也是富有成效的。根據(jù)監(jiān)測(cè)單位反饋，基坑整體穩(wěn)定性非常好，二層深基坑部分累計(jì)變形只有3cm～4cm。

7 結(jié)語(yǔ)

以上介紹了本工程在特定情形下的施工策略和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的技術(shù)措施，沒有關(guān)于設(shè)計(jì)方案的有關(guān)論證，也沒有全過程敘述施工的工藝和方法，僅以項(xiàng)目實(shí)施過程的重點(diǎn)和難點(diǎn)為研究對(duì)象，旨在給出解決問題的思路與技巧，通過工程實(shí)踐，使技巧得到發(fā)展，并形成具有科學(xué)性和實(shí)用性的理念。實(shí)際上基坑工程的情況是復(fù)雜多變的，必須從整體上來(lái)把握施工方案，用系統(tǒng)的思想統(tǒng)攬全局，先整體后局部，從關(guān)鍵處著手，把技術(shù)與安全擺在首位，任何一項(xiàng)措施的執(zhí)行都必須在技術(shù)上可行，安全上可靠的前提下進(jìn)行，避免盲目性。施工是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖的過程，因而必須以設(shè)計(jì)為依歸，忠于設(shè)計(jì)。

[1] 陳書申.土力學(xué)與地基基礎(chǔ)[M].武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2006.

[2] 候治國(guó).建筑結(jié)構(gòu)[M]. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[3] JGJ120-2012 建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[4] 龔曉南，高有潮.深基坑工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998.

Investigation of some construction technical problems of composite support with SMW pile and anchor pipe in foundation pit of soft soil

YUJian

(Fujian Tianyu construction engineering technology Co. Ltd. Fuzhou 350001)

In view of a construction case of foundation pit supporting construction of deep and thick soft soil on the coast， under the special conditions of geological and site， the construction of the foundation pit of the coastal blown sand stratum encountered specific difficulties to carry out practical exploration. Through careful analysis， the development of reasonable and feasible construction plan， refine and deepen the construction process， and to test the construction to be verified， and ultimately determine the key process parameters，solve some technical problems of foundation pit support construction， so that it can meet the design requirements， and can meet the project duration， cost and quality requirements， for similar projects with reference value.

Construction scheme; SMW engineering method; Craft parameters; Prestressed anchor pipe of combination

俞堅(jiān)(1963.3- ),男,工程師。

E-mail:yujian251077@163.com

2016-08-22

TU47

A

1004-6135(2016)11-0054-04