沖填粉煤灰地層深基坑開挖支護施工技術

曹國俊

1 工程概況

武漢天興洲公鐵兩用長江大橋公路引線工程和平大道立交段,橋墩承臺墩柱主要分布在戴家湖內。戴家湖場地內地表覆蓋主要為沖填粉煤灰層,沉積時間短、結構疏松。因戴家湖內承臺(共計165個)基本處于粉煤灰層中,施工承臺需開挖11 m左右粉煤灰層,該粉煤灰層呈松散～稍密狀態,力學性能較差,而且地下水非常豐富,開挖1.5 m～2 m基本上可以見水,對支護體系的安全和經濟提出很大的要求。

2 施工方案的選擇及確定

根據施工可行性、投入程度、經濟效益等并結合現場實際施工條件綜合考慮,計劃采用鋼板樁防護開挖深基坑承臺的施工方法。設計鋼板樁圍堰按承臺設計尺寸每邊加寬1.5 m左右考慮,加寬值以滿足鋼板樁偏位、安裝內支撐和架立模板之用。

鋼板樁圍堰施工采用液壓振動錘將鋼板樁打入,由上而下焊接鋼支撐,最后采用人工配合長臂挖機進行開挖,或采用抽灰設備進行抽灰開挖。

3 施工工藝

3.1 工藝原理

鋼板樁在液壓振動錘的插打作用下,深入土層1.5 m～2 m,采用機械進行開挖,同時由上而下焊接鋼支撐,最后采用人工配合長臂挖機進行開挖,或采用抽灰設備進行抽灰開挖至設計標高,混凝土封底處理,進行承臺施工,其關鍵工序為鋼板樁的插打和鋼板樁圍檁及支撐安裝。

承臺深基坑施工工藝流程圖見圖1。

3.2 鋼板樁圍堰及支撐穩定性檢算

3.2.1 圍堰情況分類

鋼板樁打設根據現場標高及施工情況,基本分為4種情況。

3.2.2 計算依據

1)施工水位26.0 m。

2)地質:根據現場取樣試驗測得,粉煤灰干容重0.95 t/m3,飽和容重1.4 t/m3,因戴家湖內承臺基本處于粉煤灰層以下,粉煤灰力學性能差,且戴家湖內水位較高,假設粉煤灰內摩擦角φ=0°,q=H+(γ′-1)Htg245°=γ′H t/m2。

3)黏土容重 r=2.74 t/m3,φ=3.6°。

4)鋼板樁:德國拉森-Ⅳ型,截面模量 ω=2 037 cm3,彎曲允許應力[σ w]=170 MPa;支撐材質:Q235鋼,軸向允許應力[σ]=160 MPa;彎曲允許應力[σ w]=170 M Pa,允許剪應力[τ]=95 MPa。

可計算出四種支撐體系參數(見表1)。

表1 四種支撐體系參數表

通過檢算鋼板樁圍堰整體穩定性安全系數為1.2,圍堰支撐體系強度及其穩定性安全系數為1.5,滿足施工安全要求。

抗隆起驗算,經檢算鋼板樁底土為亞黏土,只要鋼板樁深入該層不小于0.5 m,坑底抗隆起能滿足要求。對于粉煤灰層厚度大于11.5 m的情況,可考慮上部放坡處理。根據現場地質情況基坑底為亞黏土,坑底抗隆起能滿足施工要求。

3.3 施工準備及測量放樣

承臺采用鋼板樁圍護施工。樁基施工完成后方可進行施工前的準備工作。測量放樣時測量人員用全站儀定出鋼板樁圍堰平面位置(比承臺實際尺寸每邊加寬1.5 m),同時對地面標高進行測量,這樣便于施工人員準確掌握基坑內開挖取土的深度。

此外承臺施工前應對地面的排水是否通暢進行檢查,必要時在地面上開挖和設置排水溝,防止圍堰外的地面水流入基坑內影響施工。

3.4 鋼板樁圍堰施工

3.4.1 鋼板樁整理

將承臺平面尺寸每邊加1.5 m作為鋼板樁圍堰尺寸,方便內支撐和模板安裝等工作。施工前首先對鋼板樁進行整理。主要用一塊長1.5 m～2.0 m的標準板樁從頭至尾沿被檢查樁(即將使用的鋼板樁)走一次。如發現鎖口不順暢或有缺陷的地方提前進行修整。鋼板樁整理后堆放整齊,下面支墊方木,妥善保存。

3.4.2 插打鋼板樁

承臺鋼板樁采用拉森-Ⅳ型,每根板樁長度12 m,15 m。鋼板樁頂露出地面20 cm～50 cm。鋼板樁插打采用打樁機直接打設,鋼板樁采用逐根插打的方法。插打鋼板樁之前,通過測量安裝導向架,以保證鋼板樁插打的位置準確。在插打過程中,施工人員重點對板樁的垂直度進行觀察,一旦傾斜及時做好方向調整。

3.4.3 開挖基坑,設置內支撐

根據計算,承臺鋼板樁圍堰設有4道～5道水平內支撐,現將有關施工方法簡述如下:1)在基坑開挖取土過程中,當挖至第一道內支撐的高度后應暫時停止開挖工作并開始安裝第一道水平內支撐。在安裝過程中應采用可靠措施,比如支墊鋼板或方木的辦法保證鋼板樁與支撐橫梁間密貼。第一道水平內支撐安裝完畢后繼續向下開挖。當開挖至第二道水平內支撐的高度后暫停開挖取土工作,仍應安裝第二道水平內支撐。同樣要采取鋼板支墊等方法確保內支撐橫梁與鋼板樁間密貼。如此操作幾個循環直到最后一道支撐安裝完成,最后繼續開挖直至指定的標高。2)鋼板樁插打完,即可抽水開挖。先支撐再開挖,并檢查各節點是否頂緊,板樁與圍檁間木楔是否敲緊,防止因開挖而出現事故。開挖速度不能過快,且要隨時觀察圍堰的變化情況。當鎖口不緊密漏水時,用棉絮等在內側嵌塞,同時在鎖口漏縫處撒大量木屑或谷糠,使其由水夾帶至漏水處自行堵塞,或采用混凝土封底等措施。3)部分承臺因鋼板樁打入亞黏土層太深致使鋼板樁無法打入,首先采用引孔機進行引孔,然后進行鋼板樁插打。4)基坑開挖深度超出鋼板樁長度時,基坑頂下挖2 m,使鋼板樁錨入基坑底1.5 m以上,并按演算進行安裝支撐即可。

3.5 鑿除樁頭

承臺基坑開挖完畢,然后進行樁頭混凝土鑿除清理工作。鑿除前用油漆在樁頭設計標高處做醒目標記。鑿除過程中應嚴格控制樁頭標高特別是保證嵌入承臺內的樁頭高度(15 cm),避免出現樁頭實際標高低于設計標高的情況。當鑿至設計標高后應確保露出新鮮混凝土面且樁頭無松散混凝土,最后將樁頭表面清理干凈。對于各墩鑿除的樁頭混凝土廢渣收集后運輸至廢棄點集中處理。

3.6 澆筑墊層混凝土或封底混凝土

承臺底部設計為10 cm厚C15混凝土墊層。樁頭驗收完畢后再進行墊層混凝土的澆筑工作。找平基坑底,做好標記確保混凝土墊層的澆筑高度,同時應有專人進行找平以保證墊層混凝土的平整度。

在墊層混凝土澆筑時注意設置排水溝和集水坑,一旦基坑內有滲水及時通過水泵排出圍堰。當墊層混凝土強度達到設計強度的80%以上時,方可進行其他作業。

地下水壓大,單純抽水無法降低水位,原設計C15混凝土墊層無法施工時,采取灌注C30水下混凝土封底。

3.7 拔除鋼板樁

鋼板樁拔樁前,先將圍堰內的支撐拆除,拆除過程中首先用黏土回填到支撐以下50 cm處,然后拆除支撐,逐步從下到上依次分層回填與拆除。支撐拆除完成后,先將鋼板樁略用錘擊振動各拔高1 m～2 m,然后依次將所有鋼板樁均拔出,對樁尖打卷及鎖口變形的樁,可加大拔樁設備的能力,將相鄰的樁一起拔出。

4 基坑開挖后監測及補救措施

1)基坑開挖前在鋼板樁上做好監測標志。2)基坑開挖后每天一次監測樁頂位移。3)每天把鋼板樁后側出現的裂縫用混凝土補好,特別在雨天更應做到滴水不漏。4)如樁體出現漏水現象時必須及時采取堵漏措施,以防產生樁體前后的動水壓力。5)檢查基坑面樁體有無水平裂縫,如有發現應及時采取卸載措施。6)基坑開挖一周后,如樁頂位移小于15 cm且已基本穩定,可不再監測,但裂縫補漏必須天天進行。

5 結語

1)重復使用的鋼板樁拔除后,對于變形過大的鋼板樁需及時進行整修、調直處理,否則由于鋼板樁變形過大,將會導致鎖口密封性差,從而會引發漏灰、突水等不利于施工的現象發生,而處理漏灰、突水等既費時又浪費資源。2)由于粉煤灰地層有其特殊性,所以整個基坑的開挖、支撐的架設都應快速進行施工,坑底的開挖應集中人力、機械多班組、不停頓的進行,并能在最短時間內進行封底;同時因封底混凝土作為一道支撐使用,應保證封底混凝土的質量及澆筑厚度。3)通過計算可知內鋼支撐承受剪應力較大,施工過程中對焊接質量應引起高度重視,從本項目實施結果看:焊接質量成為了基坑能否施工的關鍵因素之一。4)注意鋼板樁的錨入土層深度,從本項目實施結果看,有的鋼板樁錨入土層2 m～3 m,有的鋼板樁樁底懸空,沒有錨入長度,從施工過程中能發現,錨入深度越深,鋼板樁越穩定,相反錨入深度越淺,施工過程中極不穩定,經常發生漏灰、涌水現象,處理起來既費時又費工、費料;項目部也嘗試在粉煤灰層比較厚的地方采用15 m鋼板樁代替12 m鋼板樁,以增加錨入土層深度。5)施工過程中需對基坑進行一些必要的防護,比如盡量避免在基坑邊上走大型車輛以及相互交叉作業,尤其是履帶式機械,這樣能減少鋼板樁背后土層的擾動次數。從已經施工完的基坑中總結得出,采取防護措施能非常有效的控制鋼板樁變形、漏灰、突水等不利現象發生。

[1] 陳應思.某深基坑工程設計及信息化管理[J].山西建筑,2008,34(14):84-85.