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        高富水不連續(xù)土層深基坑施工與環(huán)境變形控制技術(shù)

        2022-02-02 13:47:46孫志國(guó)
        施工技術(shù)(中英文) 2022年23期
        關(guān)鍵詞:承壓水基坑變形

        孫志國(guó)

        (中交建筑集團(tuán)有限公司,北京 100022)

        1 工程概況

        中交集團(tuán)上??偛炕仨?xiàng)目建筑面積為18.9萬(wàn)m2,由160,99m高的建筑及5棟商業(yè)樓組成。基坑北側(cè)為楊樹(shù)浦路,東北角為2號(hào)歷史保護(hù)建筑,坑內(nèi)含1號(hào)優(yōu)秀歷史保留建筑,基坑南側(cè)包含既有船塢,侵入本工程基坑紅線約67m(見(jiàn)圖1)。

        圖1 基坑平面位置

        場(chǎng)地內(nèi)土層為淺層分布厚填土、黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土(江灘土),基坑開(kāi)挖面以上有③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④層淤泥質(zhì)黏土,為流塑狀。

        地下水埋深為0.50~1.80m,深部為承壓水,主要分布于第⑦,⑨層,承壓水頭埋深3.5m(見(jiàn)圖2)。地基土成因類(lèi)型與分布狀況如表1所示。

        圖2 基坑土體剖面與基坑開(kāi)挖面的關(guān)系

        表1 地基土成因類(lèi)型與分布狀況

        該項(xiàng)目基坑周長(zhǎng)671m,面積為2.3萬(wàn)m2,最大開(kāi)挖深度為23m。安全等級(jí)為一級(jí),采用地下連續(xù)墻+3道內(nèi)支撐的方式進(jìn)行支護(hù)。

        2 基坑施工重難點(diǎn)

        2.1 大面積深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)高

        該超深基坑施工受土方開(kāi)挖、大氣降水、地下水、施工動(dòng)荷載等不確定因素的影響,開(kāi)挖存在很大風(fēng)險(xiǎn)。

        2.2 基坑周邊環(huán)境復(fù)雜

        基坑周邊環(huán)境復(fù)雜,北側(cè)路埋設(shè)大量管線,東北角建筑距基坑距離最近為9.5m。南側(cè)船塢侵入基坑,障礙物的基礎(chǔ)形式、埋深及是否有其他地下障礙物未知。

        2.3 場(chǎng)地內(nèi)土層條件復(fù)雜

        該項(xiàng)目鄰近黃浦江,場(chǎng)內(nèi)①層為江灘土,該層土以粉性土為主,較厚,局部夾較多的淤泥質(zhì)黏土,土質(zhì)不均,局部未完全固結(jié)。開(kāi)挖面以上的③,④,⑤層均較松散或軟弱,對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定性影響較大。⑦1層的承壓水對(duì)坑底抗突涌及坑底穩(wěn)定性影響較大,若不做好降水工作,存在坑底土體突涌的可能。

        3 需要解決的技術(shù)問(wèn)題及方案設(shè)計(jì)

        3.1 需解決的問(wèn)題

        根據(jù)工程重難點(diǎn),需控制基坑變形,以確保施工安全。

        3.2 方案設(shè)計(jì)

        1)設(shè)置扶臂式擋墻,防止基坑變形 該項(xiàng)目船塢底板標(biāo)高為-6.200m,造成南側(cè)基坑大面積缺口,圍護(hù)體無(wú)可靠支撐控制穩(wěn)定性,故在圍護(hù)體外側(cè)設(shè)扶壁式擋墻進(jìn)行支撐,扶壁式擋墻由肋墻、擋墻、承臺(tái)構(gòu)成。擋墻外側(cè)用土袋回筑確保穩(wěn)定,施工期間監(jiān)測(cè)擋墻變形(見(jiàn)圖3)。

        圖3 基坑扶壁式擋墻平面布置

        2)加固土體,控制基坑變形 在靠近北側(cè)道路及東北角區(qū)域設(shè)置被動(dòng)土進(jìn)行加固,有利于控制基坑變形、滲漏及坑底回彈,加固標(biāo)高為-21.150~-8.450m。加固深基坑,降低深基坑內(nèi)土體含水率,有利于放坡開(kāi)挖,降低開(kāi)挖突涌風(fēng)險(xiǎn),對(duì)坑內(nèi)采用φ800@600旋噴樁進(jìn)行加固。

        3)采用建筑平移+局部逆作法施工 對(duì)1號(hào)保護(hù)建筑下部采用局部逆作法施工,先將建筑物平移至空地,再施工永久位置的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。形成逆作區(qū)域頂板及第1道支撐后,將建筑平移至永久位置,土方開(kāi)挖在頂板下部進(jìn)行,從而避免基坑內(nèi)建筑干擾(見(jiàn)圖4)。

        圖4 基坑局部逆作法示意

        4)采用錨桿靜壓樁加固,確保既有建筑安全 該項(xiàng)目2號(hào)保護(hù)建筑具有百年歷史,基礎(chǔ)條件差,基坑施工前應(yīng)預(yù)加固2號(hào)保護(hù)建筑的基礎(chǔ),采用錨桿靜壓鋼管樁進(jìn)行加固,以確保建筑安全。

        5)抽灌一體化施工,預(yù)防基坑突涌風(fēng)險(xiǎn) 開(kāi)挖期間應(yīng)對(duì)⑦1層的承壓水進(jìn)行減壓抽排,但由于場(chǎng)地內(nèi)⑦,⑨層承壓水相互聯(lián)通,圍護(hù)體系無(wú)法完全隔斷承壓水層,長(zhǎng)期抽降承壓水使內(nèi)外水頭差較大,應(yīng)在基坑外布置應(yīng)急回灌井,坑外回灌以減緩沉降變形。

        6)清障成樁一體咬合樁圍護(hù)應(yīng)對(duì)不利物質(zhì)條件 該既有船塢及舊房基礎(chǔ)障礙物區(qū)域采用咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式,咬合樁采用JAR210H全回轉(zhuǎn)CD機(jī)清障成孔一體化施工,以解決不利物質(zhì)條件下圍護(hù)施工難題。

        7)設(shè)置傳力構(gòu)件控制圍護(hù)體變形 該項(xiàng)目鄰近圍護(hù)結(jié)構(gòu)處為局部深基坑,最大深度為2.8m,直接開(kāi)挖深基坑易造成圍護(hù)體變形,采用先撐后挖的方式施工,在墊層內(nèi)設(shè)置HW502×465×15×25型鋼支撐傳力帶作為支撐,有效控制開(kāi)挖變形。

        4 技術(shù)要點(diǎn)與實(shí)施手段

        4.1 地下連續(xù)墻施工技術(shù)

        地下連續(xù)墻施工前應(yīng)進(jìn)行試成槽,以確定本地質(zhì)條件下的泥漿參數(shù),最終循環(huán)泥漿配合比控制在1.15~1.20,黏度控制在38Pa·s內(nèi)。

        需合理調(diào)配地下連續(xù)墻成槽時(shí)間與鋼筋籠綁扎時(shí)間,確保成槽后鋼筋籠已具備吊裝條件,以縮短空槽等待時(shí)間,減小基坑安全風(fēng)險(xiǎn)。本工程單幅槽段成槽深度為35m、寬6m,成槽時(shí)間為7~8h,鋼筋籠綁扎時(shí)間為10h,故應(yīng)先綁鋼筋籠再開(kāi)挖。

        該項(xiàng)目土質(zhì)分布不均,江灘土、淤泥質(zhì)土深厚,地下連續(xù)墻兩側(cè)應(yīng)使用水泥土加固,保證基坑安全。

        導(dǎo)墻對(duì)穩(wěn)定孔口槽壁起重要作用。本工程原設(shè)計(jì)導(dǎo)墻高2.45m,因現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)差,地下水豐富,極易坍孔,地下連續(xù)墻導(dǎo)墻普遍區(qū)域高1.7m,且基坑西側(cè)及東北角周邊存在管線和保護(hù)建筑,故將導(dǎo)墻高調(diào)整為2.10m。

        本工程存在①3層江灘土,施工時(shí)應(yīng)提高泥漿相對(duì)密度、黏度等參數(shù),以確保槽壁穩(wěn)定,也應(yīng)降低成槽速度。

        地下連續(xù)墻滲漏主要發(fā)生在2幅槽段施工縫及冠梁與地下連續(xù)墻施工縫處。地下連續(xù)墻2幅接茬采用鎖口管、十字鋼板接頭方式,十字鋼板接頭防滲漏效果更好,施工時(shí)應(yīng)處理施工縫,必須采用刷壁器清理干凈,在每幅接縫處使用刷壁器進(jìn)行20次以上的循環(huán)涂刷。冠梁與地下連續(xù)墻頂部除設(shè)置橡膠止水條處理施工縫外,還可埋設(shè)注漿管作為預(yù)防(見(jiàn)圖5)。

        圖5 地下連續(xù)墻頂部與冠梁施工縫注漿做法

        地下連續(xù)墻堵漏措施如下:若無(wú)明水滲漏,應(yīng)先確定滲漏點(diǎn),并將此部位接縫處開(kāi)鑿V形槽口,清除松散的混凝土、夾砂、夾泥,清理干凈后插設(shè)導(dǎo)流管,使用早強(qiáng)水泥逐步向下補(bǔ)實(shí)。若有明水滲漏,應(yīng)在滲漏部位水平打入1根內(nèi)徑20~30mm的鋼管,穿透墻體進(jìn)入墻背土體內(nèi),通過(guò)鋼管將水引出,當(dāng)修補(bǔ)混凝土或水泥達(dá)到一定強(qiáng)度后,應(yīng)在鋼管內(nèi)注入遇水膨脹聚氨酯材料,封堵出水口。滲水嚴(yán)重時(shí),應(yīng)結(jié)合土質(zhì)情況采取雙液注漿、增補(bǔ)止水樁等方式進(jìn)行綜合處理。

        4.2 三軸水泥土攪拌樁施工技術(shù)

        用于槽壁加固及被動(dòng)土加固的三軸水泥土攪拌樁可確保槽壁和土體穩(wěn)定,宜采用搭接施工工藝。用于止水帷幕的三軸水泥土攪拌樁主要作用為止水,應(yīng)采用套接一孔的施工工藝,如圖6所示。

        圖6 三軸水泥土攪拌樁施工工藝

        止水帷幕樁間的搭接時(shí)間宜≤24h,過(guò)長(zhǎng)將產(chǎn)生冷縫。本工程受臺(tái)風(fēng)影響,致使兩幅樁間形成冷縫,故采用補(bǔ)做3根搭接長(zhǎng)度為200mm的φ800旋噴樁進(jìn)行封堵。

        將三軸攪拌樁下沉注漿攪拌速度0.5m/min提升為1m/min,本工程存在①3層江灘土,當(dāng)施工至該土層區(qū)域時(shí),需將提升速度降低至0.8m/min,以保證成樁質(zhì)量。

        4.3 基于時(shí)空效應(yīng)理論的土方開(kāi)挖施工技術(shù)

        因基坑開(kāi)挖時(shí),土體應(yīng)力釋放快,易導(dǎo)致基坑土方隆起,產(chǎn)生時(shí)空效應(yīng),基于時(shí)空效應(yīng)理論,采用盆式開(kāi)挖方式施工,遵循分層、分塊、分段、對(duì)稱(chēng)、限時(shí)原則。分層即控制一次開(kāi)挖深度,要求2.5m分層;分段即控制一次開(kāi)挖長(zhǎng)度,無(wú)支撐暴露長(zhǎng)度為30m;分塊即控制一次開(kāi)挖面積,最大分塊面積為900m2;對(duì)稱(chēng)、平衡即多塊開(kāi)挖時(shí)應(yīng)對(duì)稱(chēng),控制平衡;限時(shí)即控制無(wú)支撐暴露時(shí)間,為48h。

        對(duì)基坑進(jìn)行挖土分塊時(shí),應(yīng)既考慮分塊面積大小,又考慮單塊區(qū)域支撐形成條件。

        本工程基坑開(kāi)挖分塊如圖7所示,應(yīng)合理部署基坑開(kāi)挖方案,為盡快形成坑內(nèi)支撐創(chuàng)造條件,實(shí)踐證實(shí)加速形成對(duì)撐對(duì)控制基坑變形起重大作用。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),從具備支撐施工面到支撐完成前,墻體深層水平位移最大>2mm/d,支撐形成后,降低到0.5mm/d以下,可見(jiàn)支撐能有效控制基坑墻體位移。

        圖7 基坑土方開(kāi)挖分塊

        當(dāng)基坑挖至最深處,基坑圍護(hù)體彎矩達(dá)到最大,開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)最高,故在最后一步土方開(kāi)挖前,應(yīng)合理安排各項(xiàng)工作時(shí)間,減小基坑變形危害。

        長(zhǎng)臂挖掘機(jī)在狹小空間中挖土施工較困難,可使用長(zhǎng)臂挖掘機(jī)配合電吊挖掘機(jī)取土,提高出土效率。當(dāng)基坑挖至-9.000m標(biāo)高時(shí),采用0.7m3長(zhǎng)臂挖掘機(jī),取土效率為1.86m3/min,電吊取土效率為1.62m3/min。當(dāng)基坑挖至-18.000m標(biāo)高時(shí),采用0.5m3長(zhǎng)臂挖掘機(jī),取土效率為0.66m3/min,電吊取土效率為1.2m3/min。由此得出,隨著挖土深度加大,受長(zhǎng)臂挖掘機(jī)斗容量的限制,電吊優(yōu)勢(shì)逐漸突顯。另外電吊取土效率和土質(zhì)條件有關(guān),更適用于軟弱流塑狀土質(zhì)。

        開(kāi)挖施工是內(nèi)支撐的前道工序,應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)密的施工部署,以不影響內(nèi)支撐實(shí)施,并考慮開(kāi)挖階段挖掘機(jī)站位和運(yùn)土車(chē)輛的行車(chē)路線,計(jì)算分析各分塊配置的挖掘機(jī)數(shù)量及運(yùn)土車(chē)數(shù)量,分析早晚高峰期出土是否滿(mǎn)足需求,研究高峰期留存場(chǎng)外空車(chē)數(shù)量及暫時(shí)停車(chē)點(diǎn)的洗車(chē)設(shè)備配置數(shù)量。

        4.4 基坑降、排水施工技術(shù)

        本工程①3層黏質(zhì)粉土顆粒偏細(xì),含黏土量多且分布不均,③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及④層淤泥質(zhì)黏土層滲透系數(shù)極低,疏干降水相對(duì)困難。上海地區(qū)常采用加真空的深井進(jìn)行疏干降水,通過(guò)真空泵抽水、空壓機(jī)送氣壓吸復(fù)合抽水系統(tǒng)降低潛水位(見(jiàn)圖8)。采用空壓機(jī)送氣配合真空泵抽水能極大提高抽水效率,同時(shí)可配合使用地下水監(jiān)測(cè)云平臺(tái)。

        圖8 壓吸復(fù)合抽水系統(tǒng)原理

        由于上海承壓水呈年周期變化,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)、地質(zhì)勘察報(bào)告,賦存于⑦1層中的承壓水存在頂突可能性,故對(duì)⑦1層中承壓水采取按需減壓降水措施,以降低水頭。通過(guò)計(jì)算可得基坑開(kāi)挖深度與⑦1層坑內(nèi)水位的控制關(guān)系,如圖9所示。

        圖9 基坑開(kāi)挖深度與⑦1層坑內(nèi)水位控制關(guān)系

        運(yùn)用Visual Modflow Flex三維地下水和污染物運(yùn)移模擬軟件模擬降水后預(yù)測(cè)水位的降深等值圖,通過(guò)等線路可分析預(yù)判回灌井啟動(dòng)后,基坑內(nèi)部承壓水抽排后的回灌效果。

        進(jìn)行降水施工時(shí)不應(yīng)斷電,本工程配備總功率為650kW的發(fā)電機(jī)組,備用電源智能切換系統(tǒng),以確?;邮┕ぐ踩?。

        由于降水運(yùn)行出水量較大,排水溝尺寸過(guò)小影響降水,故應(yīng)計(jì)算基坑排水溝尺寸。本工程降水井單井出水量為50m3/h,最大過(guò)流量為0.669 6m3/s,應(yīng)設(shè)置排水溝寬度為0.8m、深0.7m。

        考慮井點(diǎn)降水方式,應(yīng)采取明排方式治理地表水,上海地區(qū)梅雨季節(jié)跨度長(zhǎng),明排若不及時(shí),將直接影響土方開(kāi)挖施工?;用魉榕艖?yīng)按最大降雨量進(jìn)行設(shè)計(jì),由于場(chǎng)內(nèi)明水分布不均,可先在施工面挖多個(gè)大集水坑,將小坑水流匯集到大坑,以達(dá)到明水高效抽排的效果。

        4.5 內(nèi)支撐施工技術(shù)

        對(duì)支撐及棧橋底模板采用混凝土墊層或直接鋪設(shè)模板、回填碎石+模板等方式,將混凝土墊層作為底模,另外支撐底模與支撐梁間采用油毛氈、彩條布、模板等進(jìn)行隔離。

        雨季對(duì)內(nèi)支撐施工影響極大,雨水滯留在土體表層,經(jīng)挖掘機(jī)擾動(dòng)后,將形成1~2m厚的淤泥層,影響挖土及內(nèi)支撐實(shí)施,應(yīng)采用澆筑加寬加厚墊層的方式,以提供施工作業(yè)面。

        若要控制無(wú)支撐暴露時(shí)間,便要加快內(nèi)支撐施工進(jìn)度,盡量做到24h作業(yè),既控制基坑變形,又加快工期。

        4.6 拆、換撐施工技術(shù)

        內(nèi)支撐應(yīng)先拆連系梁后拆支撐梁,主支撐梁采用先拆邊角后拆中間,對(duì)稱(chēng)、均衡拆除的原則,拆除棧橋及第1道支撐時(shí),下部格構(gòu)柱可自上而下進(jìn)行拆除。

        采用機(jī)械拆除支撐時(shí),應(yīng)使用繩鋸或人工風(fēng)鎬等拆除支撐與圍護(hù)體連接部位,再大面積拆除其余部位,減小振動(dòng)變形。本工程采用繩鋸切割方式,振動(dòng)小、切割速度快、不產(chǎn)生建筑垃圾、污染小、綠色環(huán)保,由于繩鋸切割的混凝土塊隨割隨吊出場(chǎng)外,大大提高樓板換撐施工速度,可縮短工期,降低基坑安全風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)行繩鋸切割時(shí),支撐梁上部應(yīng)先破除局部小口,繩鋸鏈條從上排鋼筋下部進(jìn)行纏繞,作為繩鋸固定點(diǎn),采用倒八字方向纏繞繩鋸,并采取下墊馬凳措施預(yù)防支撐塊墜落風(fēng)險(xiǎn)。

        由于后澆帶、汽車(chē)坡道等結(jié)構(gòu)斷開(kāi)達(dá)不到傳力效果,故采用H400×400×13×21型鋼作為傳力支撐,端部使用12mm厚鋼板進(jìn)行封頭,型鋼支撐穿外墻時(shí),應(yīng)在型鋼上設(shè)置止水片作為防滲漏措施。

        5 基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果

        取不利于墻體深層水平位移的變形點(diǎn)QX8進(jìn)行監(jiān)測(cè),墻體累計(jì)變形最大為30~35mm,如圖10所示。基坑施工完成后,QX8的位移趨勢(shì)同設(shè)計(jì)位移包絡(luò)圖基本一致。

        圖10 QX8點(diǎn)位位移

        6 結(jié)語(yǔ)

        1)通過(guò)研究單項(xiàng)施工技術(shù),抓住施工控制要點(diǎn),可有效控制基坑變形,避免由于不合理的施工方法浪費(fèi)施工成本。在此基礎(chǔ)上總結(jié)基坑變形控制手段與基坑施工控制要點(diǎn),配以信息化施工中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行支撐。

        2)防控高富水基坑施工安全時(shí),應(yīng)高度重視對(duì)水的降、排、防設(shè)計(jì)與施工工作。

        3)應(yīng)加大信息化應(yīng)用推廣力度,尤其是降水施工和基坑監(jiān)測(cè)方面,采用由人控轉(zhuǎn)為機(jī)控或人+機(jī)雙控的措施,規(guī)避完全由人操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)或不及時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。信息化的應(yīng)用對(duì)控制、預(yù)防基坑風(fēng)險(xiǎn)起巨大作用。

        4)隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展,基坑向更大、更深方向發(fā)展,環(huán)境更加復(fù)雜,施工難度更大,應(yīng)取其精華、尋求突破,這也是我國(guó)基坑工程發(fā)展的重要方向。

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