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        軟土場地鋼板樁支護管廊基坑風險分析與對策研究

        2019-03-26 08:11:22王金鵬魏振豹賈瑞全
        鐵道建筑技術 2019年11期
        關鍵詞:坑底粉砂粉質(zhì)

        王金鵬 魏振豹 賈瑞全

        (1.中鐵十七局集團第三工程有限公司 河北石家莊 050081;2.中鐵十七局集團第四工程有限公司 重慶 401121)

        1 引言

        城市地下綜合管廊是城市化發(fā)展戰(zhàn)略的重要市政基礎設施,也是二十一世紀城市現(xiàn)代化的重要標志之一[1]。管廊深基坑工程具有場地空間跨度大、地質(zhì)條件多變、施工環(huán)境復雜等特點,給深基坑的施工安全和周邊環(huán)境帶來諸多不利因素[2]。長江沖積漫灘的“二元結構”地層分布,上部軟土強度低,不利于土體支護;下部砂土滲透性好,給地下水控制帶來困難[3-4]。結合管廊基坑的條狀特征,基坑工程的“時空效應”在軟土場地管廊基坑工程中得到了充分顯現(xiàn)[5-6]。鋼板樁加內(nèi)支撐是軟土場地管廊基坑廣泛使用的支護結構體系[7],鋼板樁圍護墻能起到擋土和擋水的雙重作用,并且具有基坑施工完畢后可將鋼板樁回收再次使用等優(yōu)點[8]。但是鋼板樁支護結構體系也存在剛度低、易變形,以及鋼板樁打拔對周邊環(huán)境影響大的缺點。

        為此,針對軟土場地鋼板樁支護結構體系,依托江北新區(qū)管廊基坑工程建設,以保證基坑施工安全和減小管廊基坑開挖對周邊環(huán)境影響為目標,結合場地地質(zhì)條件、地下水流動特性和實際工程問題,通過管廊基坑工程施工潛在風險分析,提出減小軟土場地鋼板樁支護管廊基坑工程風險的控制措施,為軟土場地管廊基坑工程的合理設計和施工提供指導。

        2 工程概況

        2.1 鋼板樁基坑支護結構

        康華路綜合管廊采用鋼筋混凝土結構,標準斷面為雙艙布置,斷面為(6.75×4.05)m矩形?;硬捎妹魍诜ㄊ┕ぃ瑯藴蕯嗝骓敯甯餐?.5~3.0 m,標準斷面埋深6.0~8.0 m?;訉挾?.7 m,開挖深度6.5~8.1 m?;影踩燃墳槎?,基坑設計使用期限一年?;又ёo結構采用IV型拉森鋼板樁,樁長15 m,兼具擋土和止水的作用。另設兩道φ609×16鋼管支撐,增加支護體系剛度,減小基坑變形。典型標準斷面基坑支護結構形式如圖1所示。

        2.2 場地地質(zhì)條件

        擬建場地為長江河漫灘地貌單元,主要覆蓋第四紀松散沉積物,地下水埋深較淺,淺部軟土發(fā)育較厚,軟土下發(fā)育的砂性土富水性較好,具承壓水特性?;娱_挖涉及的場地土層主要有:

        ①-1,雜填土,雜色,稍密~中密,分布于場區(qū)表層,含有較多碎石子、黏性土等,堆填時間小于5年。

        ①-2,素填土,灰黃色,軟塑~可塑,以粉質(zhì)黏土為主,混少量碎石,含有少量塘泥,含少量植物根系,堆填時間小于5年。

        ②-2b4,淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,灰色,流塑,場區(qū)均有分布,切面細膩光滑,含少量貝殼碎片及腐殖質(zhì),夾粉砂、粉土薄層,單層厚 (0.1~1.0)cm,具層理,偶呈互層狀。

        ②-2d3,粉砂夾粉土,灰色,稍密~中密,顆粒級配良,顆粒以圓形和亞圓形為主,其礦物成分以石英、長石顆粒和云母片為主,粉土,濕,稍密。

        圖1 典型標準斷面基坑支護結構(單位:mm)

        ②-2bd3,粉質(zhì)黏土夾粉砂,灰色,軟塑,局部流塑,粉質(zhì)含量較高,夾粉砂薄層,單層厚(0.1~2.0)cm,具層理,局部呈互層狀。

        ②-4d2,粉砂,灰色,中密,局部夾薄層粉土,顆粒級配良,顆粒以圓形和亞圓形為主,其礦物成分以石英、長石和云母片為主。

        ②-4bd3,粉質(zhì)黏土夾粉砂,灰色,軟塑,夾粉砂薄層,切面稍光滑,無搖震反應,韌性、干強度中低。

        典型場地土層分布如圖2所示,場地土的物理力學性質(zhì)如表1所示。

        基坑開挖范圍內(nèi)涉及的填土和軟土,其工程特性較差。①-1層雜填土和①-2層素填土,堆填時間小于5年,抗剪強度較低且不均勻,透水性強。②-2b4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②-2bd3層粉質(zhì)黏土夾粉砂,軟塑~流塑狀態(tài),抗剪強度低,具明顯的流變性和觸變性,屬于高含水率、高孔隙比、高壓縮性、低強度的中靈敏度軟土?;拥撞肯屡P的②-2d3層粉砂夾粉土和②-4d2層粉砂,透水性好,地下水具有微承壓性。從場地土的變形特性、強度特性和滲透特性三方面都不利于基坑工程施工,也給周邊環(huán)境保護帶來困難。

        表1 場地土物理力學性質(zhì)

        3 軟土場地管廊基坑工程潛在風險

        管廊基坑工程具有場地空間跨度大、地質(zhì)條件多變、施工環(huán)境復雜等特點。長江漫灘地貌建設場地廣泛分布的觸變性軟土和透水性良好的粉砂,給基坑施工帶來潛在的安全風險[9]。

        3.1 軟土擾動觸變

        基坑開挖深度內(nèi)②-2b4層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和②-2bd3層粉質(zhì)黏土夾粉砂為中靈敏度軟土,具有高含水率、高孔隙比、高壓縮性、低強度特點。鋼板樁施工、坑底深層攪拌樁加固施工、基坑開挖等工程活動必將造成軟土擾動觸變,從而進一步使得土體抗剪強度降低,導致基坑支護體系安全度下降。軟土的高壓縮性使得基坑周邊地面沉降增大,軟土的低滲透性使得其變形具有明顯的時間效應。

        軟土擾動觸變強度下降的同時,軟土的流動性增強,在鋼板樁內(nèi)外土壓力差作用下,軟土在鋼板樁施工誤差造成的樁間間隙中出現(xiàn)塑性擠出現(xiàn)象(見圖 3),造成坑外地層損失,引起地面沉降,加劇了對周邊環(huán)境的影響。

        圖3 軟土樁間側向塑性擠出

        3.2 基坑坑底突涌

        場地內(nèi)地下水類型為孔隙潛水和微承壓水??紫稘撍植加跍\部①層填土中,主要接受大氣降水入滲和地表水體補給,以蒸發(fā)為主要排泄方式,穩(wěn)定水位埋深約1.50 m?;咏邓仁够觾?nèi)外形成水頭差,在水力梯度作用下場地土存在流土滲透破壞的可能性。

        ②-2d3粉砂夾粉土、②-4d2粉砂、②-4bd3粉質(zhì)黏土夾粉砂層透水性良好,具有微承壓性,勘察期間,測得微承壓水水位埋深為(3.0~3.6)m。由于②-2d3層粉砂夾粉土和②-4d2層粉砂位于基坑底部附近,其承壓水水頭高于基坑坑底標高。隨著基坑開挖深度的增加,承壓含水層頂部的土層厚度減小,當承壓含水層水頭壓力大于上覆土層自重時,基坑坑底存在“突涌”的可能性[10],嚴重時會導致基坑支護結構體系失穩(wěn)[11-12]。實際施工中也曾發(fā)現(xiàn),基坑開挖至一定深度時,在前期勘察遺留鉆孔中出現(xiàn)“涌土”的不良工程現(xiàn)象,給施工帶來困難。

        3.3 鋼板樁施工

        鋼板樁打入,造成擠土擾動,導致場地土強度下降的同時,地面產(chǎn)生變形?;庸こ探Y束后,鋼板樁的拔除進一步加劇了鋼板樁周圍土層產(chǎn)生的擾動。由于拔樁以及帶土,在土體中形成縫隙,造成地層損失,導致地面沉降和路面開裂。不僅給已施工的管廊結構帶來危害,而且影響鄰近建筑物、道路和地下管線的正常使用。地下綜合管廊大多位于道路之下,基坑開挖引起的環(huán)境效應,直接造成道路路面沉降和開裂,路面最大裂縫寬度達6 cm,如圖4所示。

        圖4 路緣石和路面裂縫

        通過10個鋼板樁支護基坑施工區(qū)段的周邊道路裂縫調(diào)查發(fā)現(xiàn)(見圖5),不同施工階段對路面裂縫的影響程度不同,值得注意的是鋼板樁的打入和拔除誘發(fā)的裂縫寬度占有相當大的比例,分別為20.2%和32.3%。因此,減小鋼板樁施工效應是防止地面沉降和路面開裂的關鍵。

        圖5 不同施工階段路面裂縫寬度統(tǒng)計

        4 消除基坑工程風險的工程措施

        為了保證基坑施工安全和減小管廊基坑開挖對周邊環(huán)境影響,首先有效控制了道路路面的開裂。針對軟土場地鋼板樁支護管廊基坑的特點,結合軟土場地管廊基坑工程潛在風險分析,提出減小管廊基坑開挖對周邊環(huán)境影響的具體工程措施:

        (1)基坑開挖施工應嚴格遵循“開槽支撐,先撐后挖,分層開挖,嚴禁超挖”的原則,縮短基坑開挖的施工工期,及時完成墊層施工,在基坑底部形成對鋼板樁的有效支撐,以控制基坑支護結構變形,減小基坑變形的時間效應。

        (2)為了確?;又ёo體系的穩(wěn)定,基坑坑底宜采用深層攪拌樁加固,以提高鋼板樁被動側土體的抗力,減小基坑工程對場地軟土的擾動,以彌補軟土擾動導致的強度降低。

        (3)有效控制基坑下臥承壓含水層水頭,結合現(xiàn)場水位觀測,合理采取減壓措施,杜絕基坑坑底突涌的發(fā)生。此外,要提高鋼板樁的施工精度,減少樁間間隙,防止樁間漏水和土體塑性擠出現(xiàn)象的發(fā)生。

        (4)優(yōu)化拔樁次序,實行分倉、分段跳拔施工措施。配合拔樁施工,采用跟進壓密注漿工藝,對拔樁形成的土體縫隙實施同步注漿。通過合理控制注漿量、注漿壓力和漿液配比,實現(xiàn)水泥漿液凝固時間與拔樁施工措施在時間上的有機結合,減小拔樁引起的周邊環(huán)境空間效應。

        (5)為了減少鋼板樁帶泥量,鋼板樁在沉樁前必須清除鋼板樁表面鐵銹和泥灰,樁身涂刷減摩劑,以減少樁體打拔時的阻力,也可選用能明顯減小帶泥量的400型鋼板樁。

        5 結論

        鑒于長江漫灘軟土場地和鋼板樁支護管廊基坑的特點,結合工程建設中遇到的實際問題,全面分析了基坑工程施工中存在的軟土擾動觸變、基坑坑底突涌、鋼板樁施工誘發(fā)的環(huán)境效應等潛在工程風險,從基坑開挖施工原則、擾動土體加固、承壓含水層水頭控制、優(yōu)化拔樁施工、減小鋼板樁帶泥量等方面提出了消除基坑開挖風險的相應工程措施,對軟土場地鋼板樁支護管廊基坑的施工安全保障和環(huán)境效應減小具有積極的指導作用。

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