賈紅軍 陳俊杰
山西建筑工程有限公司 山西 太原 030006
中石化科學(xué)技術(shù)研究中心(北區(qū))項目位于北京市昌平區(qū)沙河鎮(zhèn),由4棟單體工程組成。其中,4#科研樓41 495 m2,能源中心12 556 m2,均為框架-剪力墻結(jié)構(gòu),2棟樓之間通過連廊連接(圖1)。4#科研樓為地下2層結(jié)構(gòu),基坑開挖深度為10.15 m;能源中心為地下4層結(jié)構(gòu),基坑尺寸為44.50 m×66.50 m,開挖深度為31.40 m,距北側(cè)高教園南街道路2.00~5.85 m,現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜,基坑支護難度大。
圖1 現(xiàn)場平面位置
根據(jù)現(xiàn)場勘探、原位測試及室內(nèi)土工試驗的結(jié)果,按沉積年代及成因類型,將本次勘察的最大勘探深度范圍內(nèi)的地層劃分為人工堆積層、新近沉積層、第4紀(jì)沉積層等3大類,主要為素填土和粉質(zhì)黏土。
本工程勘察期間于勘探鉆孔深度45.00 m范圍內(nèi)實測到4層地下水,其中18.70 m以下為承壓水。
能源中心基坑支護方案在綜合考慮了安全性、技術(shù)先進性、施工可行性、經(jīng)濟性及工期情況等因素后,結(jié)合現(xiàn)場周邊工作面條件,采用復(fù)合土釘墻+樁錨的基坑支護形式。上部采用復(fù)合土釘墻支護,確保邊坡支護安全;下部采用大直徑護坡樁并增加嵌固深度的形式抵抗側(cè)向土壓力;采用預(yù)應(yīng)力錨桿變被動支護為主動支護。同時采用三軸攪拌樁止水帷幕阻隔地下水,在基坑內(nèi)設(shè)置疏干井降低地下水位。出土坡道及后期倒土平臺位于西側(cè)并與4#科研樓連接。
該基坑采用復(fù)合土釘墻+樁錨支護結(jié)構(gòu)體系,上部8.39 m采用1∶0.3放坡,復(fù)合土釘墻支護;下部23.01 m采用樁錨支護體系,護坡樁樁長39.00 m,護坡樁直徑均為1 200 mm,共設(shè)8道預(yù)應(yīng)力錨桿。錨索長度分別為26、27、28 m,孔徑150 mm,機械成孔,錨索采用預(yù)應(yīng)力1 860-7φ5型鋼絞線,公稱直徑15.20 mm,樁頂冠梁尺寸為1 500 mm×1 000 mm(圖2)。
目前,國內(nèi)外超深基坑支護形式多以地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐為主,支護形式多為“大坑套小坑”和“梯形坑”的方式[1-4]。
圖2 能源中心基坑支護剖面
本項目經(jīng)過方案論證、分析、優(yōu)化,結(jié)合FLAC3D、PFC3D等三維有限元數(shù)值分析軟件和非線性理論模型,分析超深基坑開挖過程中基坑周邊土體應(yīng)力場、位移場的空間分布,最終基坑支護采用復(fù)合土釘墻+樁錨組合式支護結(jié)構(gòu),將復(fù)合土釘墻+樁錨組合支護發(fā)展到31.4 m基坑深度。通過優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)設(shè)計,從而降低支護結(jié)構(gòu)施工難度和安全風(fēng)險,縮短工期,降低造價。
針對結(jié)構(gòu)造型復(fù)雜、支護墻體陽角較多、施工難度大的問題,同時避免陽角處應(yīng)力集中,對基坑截面進行優(yōu)化,消除部分陽角,可減少錨索施工的交叉,降低支護結(jié)構(gòu)施工難度和安全風(fēng)險。
對于基坑距道路較近的北側(cè),施工場地狹窄,上部復(fù)合土釘墻無放坡空間,使用雙排鋼管樁+三軸攪拌樁止水帷幕組合式支護結(jié)構(gòu)(圖3),雙排鋼管樁與三軸帷幕樁組合使用,既能夠起到隔水的作用,也能提供足夠的支護強度,保證基坑施工的安全進行。
圖3 雙排鋼管樁+止水帷幕組合式支護結(jié)構(gòu)
本工程建設(shè)場區(qū)位于溫榆河故道,基坑開挖深度范圍內(nèi)共有4層地下水,水量豐富且下部2層水為承壓水,基坑降水是施工難題。工程采用降排結(jié)合的方式,坑壁采用三軸攪拌樁止水帷幕進行隔水,坑內(nèi)采用無砂混凝土濾管疏干井進行排降;為確保預(yù)應(yīng)力錨桿施工期間的施工質(zhì)量,基坑外設(shè)置臨時減壓井,每個減壓井均位于護坡樁的正后方,防止錨索施工時鉆孔穿透破壞,減壓井的位置一定要避開預(yù)應(yīng)力錨桿,施工時要精準(zhǔn)測量定位,且井深至最下部錨桿標(biāo)高以下。施工期間,采用電子水位測量儀對井內(nèi)水位進行觀測,確保水位位于需施工錨桿的下方。
基坑采用長34 m的φ850 mm@1 200 mm三軸水泥土攪拌樁止水帷幕,工程所處地層為硬塑土質(zhì)及砂層,現(xiàn)場通過調(diào)整水膠比、改進樁頭、增大噴氣量等措施,使三軸攪拌樁施工在北京地區(qū)硬塑地質(zhì)成樁成功,效果良好。三軸攪拌樁按 “兩噴兩攪”工藝施工,水泥摻量20%,攪拌下沉速度為0.5~1.0 m/min,攪拌提升速度為1~2 m/min。施工時,要控制好三軸攪拌樁樁位偏差和垂直度。
為確??觾?nèi)干燥及土方開挖順利進行,對止水帷幕以內(nèi)的坑內(nèi)水采用疏干井進行疏干,基坑內(nèi)均勻設(shè)置疏干井,本工程疏干井采用無砂混凝土濾管,井管外徑為400 mm;濾管接頭處須用竹片及鐵絲綁扎結(jié)實,接頭處包紗網(wǎng),濾管安置后應(yīng)保持垂直和居中;成井后須及時洗井,做到隨打隨洗。
土方開挖過程中,基坑內(nèi)采用明溝排水,保證基坑內(nèi)施工順暢。開挖至坑底后在坑底肥槽內(nèi)設(shè)置400 mm(上口寬度)×300 mm(下口寬度)×300 mm(高度)明排水溝,排水溝向疏干井找坡0.5%,排水溝與肥槽內(nèi)疏干井相連,并放置流量20~30 m3/h、揚程為50 m的變頻潛水泵進行抽排水。
本工程承壓水層、砂層中預(yù)應(yīng)力錨桿采用全套管跟進成孔預(yù)應(yīng)力錨桿,注漿采用二次高壓劈裂工藝。
5.2.1 ?施工工藝
鉆機就位→調(diào)整角度、校正孔位→打開水源、鉆孔→反復(fù)提內(nèi)鉆桿沖洗→接內(nèi)套管鉆桿及外套管→鉆至設(shè)計孔深→清孔→停水、拔內(nèi)鉆桿→插放鋼絞線及注漿管→注水泥漿→拔外套管并二次注漿→養(yǎng)護→安裝鋼腰梁→張拉預(yù)應(yīng)力錨索→鎖定
5.2.2 ?錨桿制作
1)高強鋼絞線使用前應(yīng)除銹去污,排列平直,截長時,應(yīng)預(yù)留有1.0~1.5 m以滿足張拉長度要求。
2)沿桿體軸線方向按間距1.5 m設(shè)置1個梅花形支承隔離架,隔離架、一次及二次注漿管均要與桿體綁扎牢固。
3)錨桿自由段套波紋管,兩端要用鐵絲扎牢,自由段錨桿要做好防腐處理,桿體端部連接錨桿導(dǎo)向帽。
5.2.3 ?成孔
1)采用液壓跟管鉆機成孔,采用帶有套管的鉆孔施工,套管外徑為150 mm。
2)要嚴(yán)格控制鉆孔的方位,調(diào)正鉆桿角度,水平傾角要符合設(shè)計,鉆桿的水平投影垂直于坑壁,檢查無誤后方可鉆進。
3)鉆進時,根據(jù)工程地質(zhì)情況,合理控制鉆進的速度。如遇到異常情況應(yīng)及時停鉆,待情況查清楚后再鉆進。鉆孔深度應(yīng)大于錨桿的設(shè)計長度200 mm。
4)鉆孔達到設(shè)計要求孔深后,用清水沖洗套管內(nèi)壁。護壁套管在孔內(nèi)灌漿完成后方可拔出。
5)在成孔前,要觀測基坑周邊地下水水位,通過設(shè)置減壓井使承壓水位控制在錨桿標(biāo)高以下。
5.2.4 ?插放錨桿
清孔、驗孔后,立即向套管內(nèi)安放錨桿。安放錨桿時,要防止桿體彎曲、扭轉(zhuǎn),緩慢插入至設(shè)計深度。插入時,要抬起后部,使之與孔成設(shè)計角度后緩慢插進,防止碰壞孔壁。插入前應(yīng)仔細檢查長度、自由段部分的處理、注漿管是否有漏漿等。
5.2.5 ?灌漿
根據(jù)設(shè)計要求,注漿采用純水泥漿,水泥漿采用42.5級普通硅酸鹽水泥拌制,水灰比為0.5;注漿采用二次注漿,第1次注漿壓力為0.6~0.8 MPa,待注漿孔口溢漿即可停止注漿;第2次注漿壓力2.5 MPa,一次注漿初凝后方可進行二次高壓劈裂注漿,2次注漿的時間間隔要根據(jù)現(xiàn)場注漿效果進行確定。漿液由孔底開始灌注并向外返出,邊注漿邊向外緩慢拔管,直至漿液溢出孔口后方可停止注漿。
5.2.6 ?張拉鎖定
1)用張拉千斤頂于錨頭施加拉力,張拉前須對張拉千斤頂設(shè)備進行標(biāo)定。錨桿張拉時,錨固體強度應(yīng)達到設(shè)計強度75%且大于15 MPa時方可張拉。
2)預(yù)應(yīng)力錨索正式張拉前,應(yīng)取20%的設(shè)計荷載對其進行預(yù)張拉,使其各部位接觸緊密,鋼絞線完全平直。
3)預(yù)應(yīng)力錨索張拉采用四級張拉,按0.25T→0.50T→0.75T→1.00T(T為荷載設(shè)計值)進行張拉。當(dāng)張拉至設(shè)計荷載值時,保持10~15 min,當(dāng)變形穩(wěn)定后,卸載至鎖定荷載進行鎖定。預(yù)應(yīng)力錨桿鎖定后48 h內(nèi),若發(fā)現(xiàn)有明顯的預(yù)應(yīng)力損失,要進行補償張拉。
土方施工要與基坑支護施工作業(yè)互相配合,嚴(yán)格按照施工方案要求,分層作業(yè),開挖深度控制在支護土釘、錨索以下0.5 m,并預(yù)留肥槽,土方開挖要為護坡施工創(chuàng)造工作面,便于護坡施工?;油练介_挖隨支護結(jié)構(gòu)同步進行,出土馬道放坡比例為1∶6。
對于放坡可到達的基坑標(biāo)高,采用反鏟挖掘機開挖直接裝車運至卸土點;因基坑內(nèi)空間不足,放坡無法到達的深度,采用坑上部18 m臂長挖掘機+坑下部多臺挖掘機倒運的方式進行土方裝車外運,并按深部的每步土方開挖標(biāo)高及機械作業(yè)工作性能合理安排機械數(shù)量及位置。
對于長臂挖掘機可挖的最深標(biāo)高以下的土方,在基坑西側(cè)設(shè)置收土平臺,平臺標(biāo)高位于長臂挖機可挖的最深部位以上,規(guī)格為7.0 m×7.0 m,基坑內(nèi)挖機通過接力倒運的方式將土方放置于平臺上,將基坑內(nèi)最下部土方挖除。最后,收土平臺的土方通過塔吊運出。
基坑監(jiān)測采用自動化設(shè)備,通過計算機程序自動進行數(shù)據(jù)采集、計算、分析、處理,監(jiān)測數(shù)據(jù)如超出預(yù)警值范圍,系統(tǒng)馬上發(fā)布報警,提示現(xiàn)場技術(shù)人員及時作出判斷,并采取相應(yīng)工程措施。
土方開挖及土支護施工階段,監(jiān)測頻率為1次/d,在基坑開挖完成后,變形穩(wěn)定的情況下可適當(dāng)減少基坑監(jiān)測的次數(shù)?;颖O(jiān)測過程要持續(xù)到基坑回填完成,支護退出工作為止。基坑監(jiān)測至少應(yīng)包括以下內(nèi)容:坡頂水平位移、坡頂豎向位移、樁頂水平位移、樁頂豎向位移、地下水位、周邊地表沉降、錨桿軸向拉力、深層水平位移、周邊管線位移。同時,要安排專人進行日常安全巡視,對監(jiān)測及巡視出現(xiàn)的異常情況及時反饋并進行處理。
本工程基坑支護結(jié)構(gòu)施工完成后,經(jīng)過了一個冬期施工的考驗,基坑各項監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定,能滿足基坑地下結(jié)構(gòu)施工要求。通過方案優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新,在復(fù)雜地質(zhì)條件下的超深基坑施工中采用復(fù)合土釘墻+樁錨支護結(jié)構(gòu)進行施工,保證了基坑施工安全,加快了施工進度。與地下連續(xù)墻和內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)相比,經(jīng)濟效益非常明顯,對我國未來超深基坑的設(shè)計和施工有較強的借鑒意義和推廣價值。