打入式土釘墻基坑支護在浦鋼搬遷中的應用

周大力 黃朝軍 代亞民

土釘墻支護結構是一種原位土體加固技術,是由天然土體通過土釘墻就地加固并與噴射混凝土面板相結合,形成一個類似重力擋墻并以此來抵抗墻后的土壓力,從而保持開挖面的穩定,這個土擋墻稱為土釘墻。

在上海世博配套項目——寶鋼股份有限公司浦鋼整體搬遷第二步實施項目氧氣站冷卻塔工程施工中,由于冷卻塔南側緊靠一期工程運行中的水處理系統電纜溝和消防水泵,需對電纜溝和消防水泵基礎采取支護措施,由于電纜溝和消防水泵基礎均為無樁設計,且埋深都較淺。其中冷卻塔冷水池基礎底部與電纜溝底部高差1.7m,與電纜溝上口高差3.4m,兩基礎水平間距僅為0.65m,與消防水泵基礎底部高差3m,水平距離4m。受空間限制,無法采用水泥攪拌樁和鋼板樁等傳統支護方法,而且由于工作面狹窄,對支護后基坑的變形控制要求較高。針對本工程的特點和土的物理力學性質,結合地質勘察報告,我們提出了打入式土釘薄壁墻支護方案,即將傳統施工工藝中的鉆孔機鉆孔安裝土釘錨桿,改變為采用空壓機風鎬直接振動打入空心式土釘錨桿。該工藝變更有效地精簡了施工程序,減少了施工設備用量,降低了工人勞動強度,加快了施工進度,減少了費用開支,確保了基坑的穩定和運行中電纜電氣設施及消防水系統的安全,該支護形式的應用在寶鋼股份公司浦鋼搬遷工程中尚屬首次。

1 工程概況

1.1 工程簡況

浦鋼搬遷第二步實施項目冷卻塔為鋼筋混凝土高聳薄壁結構,長73m,寬17.2m,頂部標高13.400m,底部標高-3.200m。冷卻塔南側緊靠一期工程運行中的水處理系統電纜溝和消防水泵,冷卻塔冷水池基礎底部與電纜溝底部高差1.7m,與電纜溝上口高差3.4m,兩基礎水平間距0.65 m;與消防水泵基礎底部高差3m,水平距離4m。

1.2 基坑施工特點、難點及支護形式的選擇

1)冷卻塔冷水池基礎底部與電纜溝底部高差1.7m,與電纜溝上口高差3.4m,兩基礎水平間距僅0.65 m;與消防水泵基礎底部高差3m,水平距離4m。為確保在冷卻塔施工過程中電纜溝及運行電纜和消防水系統的安全,必須采取有效的基坑支護措施,確保電纜溝和消防水泵基礎在冷卻塔施工過程中不發生位移或將位移值控制在安全范圍內。

2)冷水池基礎底部與電纜溝底部水平間距僅為0.65m,受空間限制,無法采用重力式水泥攪拌樁擋土墻或鉆孔灌注樁支護。基坑開挖寬度達18m,且電纜溝一側臨近一期已施工完畢并正常運行中的加藥間,無法采用對稱式鋼板樁或單側拉錨式鋼板樁支護。

3)因處于運行狀態中的電纜溝和消防水泵對結構變形控制要求較高,因此,冷卻塔基坑支護必須采取邊開挖邊支護的形式,而且對支護施工的速度要求較高,以有效控制基坑邊坡的變形,保證電纜和消防水系統的運行安全。

基于上述原因,針對本工程的特點和土的物理力學性質,結合地質勘察報告,我們提出了打入式土釘薄壁墻支護方案,即將傳統施工工藝中的鉆孔機鉆孔安裝土釘錨桿,改變為采用空壓機風鎬直接振動打入空心式土釘錨桿,以有效提高支護施工的速度和支護效果。

2 土釘墻設計

2.1 方案布置

冷卻塔臨近電纜溝側基坑實際開挖深度為3.2m,電纜溝基底至冷卻塔基坑底高差為1.7m。經折算后,開挖深度按1.7 m考慮,基坑坡角為85°,采用土釘墻作圍護結構,共設兩道土釘,土釘采用6 m長φ 48×2.75焊接鋼管,水平間距1 m布置,豎向間距1.5 m布置。土釘鋼管端部封閉,管壁開直徑8 mm的注漿孔,注漿孔間距250mm,呈梅花形布置,上覆倒刺。為加快施工進度,節約施工費用,該兩排土釘隨基坑開挖用空壓機風鎬與水平面成10°和15°傾角沿開挖面分別打入。土面采用φ 6.5@200鋼絲網與土釘焊牢,并隨鋪鋼絲網隨噴射早強細石混凝土。土釘形式如圖1所示。支護布置形式見圖2。

2.2 土釘墻穩定性驗算

2.2.1 驗算指標及驗算方法

根據重力式擋墻的分析方法分別計算簡化擋土墻的抗滑穩定性、抗傾覆穩定性和土釘的承載能力。計算時縱向取一個單元,即一個土釘的水平間距進行計算。要求計算的土釘支護結構抗滑安全系數、抗傾覆安全系數和承載力安全系數均大于允許值(一般基坑安全系數允許值取1.2,深基坑取1.3)。

常規的驗算方法有條分法手工驗算和采取專用計算軟件計算。常用的計算軟件有同濟啟明星土釘墻專用設計計算軟件和理正基坑支護軟件,本工程采用理正基坑支護軟件進行驗算。

2.2.2 驗算方法

1)1—1剖面圍護結構驗算。經過驗算,土釘墻的兩排土釘承載力安全系數分別為2.37和2.05,土釘墻的整體穩定性安全系數為1.76,抗滑移安全系數為3.75,抗傾覆安全系數為17.13,均大于允許值1.2,符合要求。2)2—2剖面圍護結構驗算。經過驗算,土釘墻的兩排土釘承載力安全系數分別為1.57和1.35,土釘墻的整體穩定性安全系數為1.58,土釘墻抗滑移安全系數為2.53,抗傾覆安全系數為9.33,均大于允許值1.2,符合要求。

3 土釘墻施工

3.1 工藝流程

放線定位→基坑開挖→設置第一排土釘并灌漿→設置鋼絲網片→噴射混凝土面層→基坑開挖→設置第二排土釘并灌漿→設置鋼絲網片→噴射混凝土面層→基坑開挖循環至基坑底。

3.2 施工方法

3.2.1 土釘入土

沿坡面從上往下共設置兩排土釘,最高處一排離地面1.5m,土釘入土角度與水平線夾角為10°,入土長度最長 6 m;第二排土釘距第一排土釘1.5m,土釘入土角度與水平線夾角為15°,入土長度最長6 m;土釘打入總進尺480m。采用空壓機風鎬振動打入的方法,實踐證明,該施工方法進度快,工人勞動強度不大,確保了土釘入土長度和位置要求。

入土方法:用6 m長的鋼管制作移動式簡易固定支架,土釘擱置于支架上,風鎬頂住土釘尾部,均勻用力振動入土。

3.2.2 鋼管土釘的注漿

注漿采用純水泥漿,水灰比為 1∶0.5,注漿壓力控制在0.2 MPa～0.4 MPa左右,同時應小于上覆土壓力的2倍。根據土層的孔隙率大小,注漿量在0.025 m3/m左右,可根據實際情況及基坑監測變形數據適當進行調整,分一次或兩次注漿。

3.2.3 掛網與加強筋

土面采用φ 6.5@200鋼絲網,用加強筋壓在鋼絲網和土釘上,與土釘焊牢,并在土釘頭上綁焊井字筋壓住橫向加強筋。

3.2.4 邊坡噴射混凝土

噴射混凝土采用干噴法,使用32.5級普通硅酸鹽水泥,骨料為中粗砂和直徑5 mm～10mm的碎石,強度不低于C20,水灰比1∶0.5。摻速凝劑,摻量為水泥重量的3%。混凝土干料至少拌和三次。噴射機開機順序為:送風→送水→送料,關機順序反之。

4 應用效果

4.1 質量效果

在整個基礎工程施工過程中,項目部專職測量人員每天3次對邊坡進行變形監測,監測結果表明邊坡坡頂累計最大位移值5 mm,無局部塌陷發生。確保了邊坡的穩定,保證了施工過程中水處理系統電纜溝及運行電纜和消防水系統的安全。證明打入式土釘薄壁墻支護能有效控制坡頂變形,保證邊坡安全穩定。

4.2 進度效果

采用本支護方法進行邊坡支護,從基坑開挖到支護施工結束僅用時7 d,節約了施工工期,減少了基坑暴露時間,確保了邊坡穩定。

4.3 經濟效果

經過計算,采用打入式土釘薄壁墻支護方案,在達到了支護效果的同時降低了工程造價,具有良好的經濟效益。

4.4 社會效益

打入式土釘薄壁混凝土墻用于擋墻支護在浦鋼搬遷工程中尚屬首例,是成功的。既安全又省工省時,達到了常規施工條件下進行施工的目的,同時加快了施工進度,降低了工程造價,具有良好的經濟效益和社會效益。

[1]呂洪斌.深層攪拌樁復合土釘墻的工程應用[J].山西建筑,2008,34(1):126-127.