深基坑土釘墻支護技術的發展與應用

裴洪軍

(深圳市水務規劃設計院 廣東深圳 518008)

1 引言

深基坑支護技術是伴隨著城市的經濟發展和建設而發展起來的。由于城市建設用地的限制,建筑發展模式由平面型向地下或空間發展為一大趨勢。基坑的開挖深度也越來越深,同時周邊環境越來越復雜,深基坑開挖的環境效益問題也日益突出,給深基坑支護技術提出了技術先進、經濟合理、安全適用和保護環境等更高的要求。土釘墻支護技術是近年來發展起來用于土體開挖和邊坡穩定的一種新型擋土結構,由于經濟、可靠且施工速度簡便等優點,已得到迅速推廣和應用[1],發揮了良好的經濟效益,已成為基坑支護的主要手段,并產生了許多創新的發展,開拓了土釘墻的應用領域。

2 土釘墻技術的新發展

土釘墻一般由被加固土體,放置于原位土體中的土釘及噴射混凝土面層組成,傳統土釘支護僅適用于有一定膠結能力和密實程度的砂土、粉土和礫石土、素填土、堅硬或硬塑的黏性土以及風化巖層等[2]。為了使土釘支護結構能夠在更為廣泛的地層中使用,就必須對土釘支護結構中的部分構件進行改進或在土釘支護的基礎上添加輔助構件,復合土釘支護便是這種改進的產物。所謂復合土釘支護是指基坑支護中,除采用土釘作為主要加固體外,還采用其他地基處理技術作為輔助手段與之聯合,并協同工作[3],主要表現在下列幾個方面[4～9]。

(1)為了防止地下水位降低,引起建筑物及道路的沉降,出現了一種新型止水型土釘墻,這種土釘墻施工前先做止水帷幕,然后分層開挖施工土釘和噴射混凝土面層。止水帷幕常采用相互搭接的單排或雙排深層攪拌樁、高壓旋噴 (擺)樁和控制壓力注漿技術。這樣就使土釘墻在不做降水的情況下得到應用。

(2)對于難成孔的砂層和軟土層,開發了一種打入注漿式土釘,解決了難于成孔這一難題。打入注漿式土釘實際上是將直徑 48～60mm的鋼管利用專門的設備直接打入土中,在鋼管上按一定規律布置直徑 5mm的鉆孔,并焊接小角鋼倒刺予以保護,再將帶有倒刺的鋼管打入土中后高壓注漿,漿液通過鋼管上鉆的小孔滲入管體外土中,從而形成土釘,這種釘的特點是施工速度快,使用范圍廣,尤其是對于粉細砂層、松散回填土、軟弱土層難以成孔的土層,更顯示出其優越性。

(3)為了限制土釘的位移,開發了土釘墻與預應力錨桿聯合使用的技術。對于變形要求嚴格的工程,在土釘墻施加初始背拉力,這樣大大減少了土釘墻位移,滿足了不同實際工程的需要。

(4)對于開挖土層較差,自穩時間短來不及按常規步驟進行本層支護時,開發了多種超前加固技術。常采用的超前加固技術有如下幾種。

1)超前微型樁加固,包括鋼管樁和混凝土樹樁,鋼管樁采用直徑 48～150mm的無縫鋼管或焊接鋼管,間距 0.5～1.0m,樁端宜深入基底 1～3m,鋼管樁通過鋼筋網和加強筋與之焊接連成整體。樹根樁即為小直徑鉆孔灌注樁,直徑 100～250mm,間距 0.5～1.0m,樁端深入基底 1～3m,利用加強筋和噴射混凝土連接成整體。

2)超前加固注漿,即沿開挖面豎向鉆孔注漿,利用水泥漿滲透固結土層,即使開挖工作面具有臨時自穩能力,以便施工土釘墻。

3)超前土釘加固,即沿開挖面施工豎向土釘,其長度不宜小于該層開挖深度的兩倍,間距宜取 300～500mm,超前土釘的上部應與已完成的支護連成一體。

4)其他超前加固措施,有打入角鋼、槽鋼、螺紋鋼筋、預制混凝土桿件、木樁、竹樁等,目的均是為了保證開挖坡面的臨時自穩能力,以便于有足夠的時間做土釘墻。

5)土釘墻用于超深基坑 (深度大于 12m)、高難度基坑 [坑邊緊臨建 (構)筑物]和軟土基坑 (淤泥質土),利用上述新技術進行了有益的嘗試,取得了一定的工程經驗。

3 工程實例

3.1 工程概況

某污水處理廠二期擴建工程基坑場地緊臨一期污水處理廠,基坑平面尺寸為 80m×60m,基坑深12.5m,安全等級為 1級,基坑北側距離一期進水井 8.0m;南側距離二期待建構筑物約 8.5m,其他兩側為廠區道路與圍墻,場地條件受限無放坡空間,基坑須采取可靠的支護方案。

3.2 工程地質條件

根據勘察報告,場地地質自上而下依次為以下幾種。

(1)人工填土層:以強風化粉砂巖碎石土為主,含少量砂性土,土質不均勻,松散 ～稍密狀,層厚 0.6～12.4m。

(2)淤泥質土:分布范圍小,呈透鏡體分布,軟塑 ～流塑狀,飽和,層厚 1.0～1.5m。

(3)粉質黏土:層厚 0.6～6.7m,可塑 ～堅硬狀,濕。

(4)粉細砂、中粗砂和礫砂:層厚 2.6～10.4m,松散 ～稍密,飽和。

(5)殘積粉質黏土:層厚 2.1～6.6m,硬塑狀,濕。

該場地地下水類型以第四系孔隙潛水為主,砂層為主要含水層,北側為龍崗河,砂層構成良好的水力通道,水量豐富,埋深 0.6～3.8m,對基坑支護影響較大。

3.3 支護設計方案

通過多方案經濟、技術比較,基坑采用止水型土釘墻支護方案,方案特點有以下幾點。

(1)為防止地下水位降低引起周邊環境產生過大的沉陷,采用單排攪拌樁作止水帷幕。攪拌樁直徑 550mm,相互搭接 150mm,樁深度平均12.0m,帷幕穿過砂層進入弱透水層不小于 2.0m,形成全封閉的止水帷幕墻。

(2)由于砂層中難以成孔,采用了打入鋼花管注漿式土釘,鋼管采用 D48,δ3.5電焊鋼管,用 3φ16鋼筋邦焊接長,土釘長度 6.0～8.0m,高壓注漿時控制注漿壓量,確保土釘抗拔錨固力。

(3)為限制土體位移,在土釘中設置 3排預應力錨桿,第一排錨桿也打入鋼花管注漿形成錨桿,鋼管采用 D60,δ3.5無縫鋼管制作,長度16.0m,采用 3φ20鋼筋雙面邦焊接長。預應力錨桿設計抗拔力 300kN,施加預應力 250kN。

(4)該方案施工速度快,節省工程造價,且工序相對簡單。

3.4 施工方法

該支護工程施工工藝為:先施工攪拌樁止水帷幕,然后分層開挖施工土釘墻,由于基坑場地作業面積大,遵守分區、分層、分段、對稱、均衡、適時的原則。上層土釘噴射混凝土完成后,并具有一定強度,方允許開挖下一層土方。第一、第二排土釘采用洛陽鏟成孔,下部的土釘和預應力錨桿均采用自制設備打入鋼花管后,高壓注漿,防止水土流失。整個基坑工程于 2008年 8月竣工,施工工期150d。

3.5 監測成果分析

基坑施工前,在基坑四周布置了水平和沉降位移監測點,監測結果表明:①基坑最大位移發生在東側中部,最大位移 15mm,其他三側位移最大11mm;②沉降位移最大 25mm,位于東坡中部;③邊坡的位移和沉降是隨著開挖深度的增加而逐步增大的,位移曲線呈鋸齒狀;④測斜和沉降位移較少,分析是錨桿的預加應力起了很大的作用。

4 結論

經過多年的理論研究和大量的實際工程實踐,促進了土釘墻支護技術的發展,突破了原來的使用禁區,極大地拓展了土釘墻技術的應用范圍,為深基坑土釘墻支護技術的設計和施工提供指導。土釘墻技術成為深基坑支護中很有競爭力的手段,并大大地提高了其安全性,節省了工程造價和施工工期,取得了顯著的經濟效益。

1 陳肇元,崔京浩.土釘支護在基坑工程中的應用 (第二版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2000.

2 清華大學土木工程系,總參工程兵科技三所 .基坑土釘支護技術規程 [M].北京:中國工程建設標準化協會,1997.

3 孫鐵成,張明聚,徐從平,等.復合土釘支護技術[J].工程力學,2002,19(增Ⅱ):59-62.

4 楊志銀,張俊.深圳地區深基坑支護技術的發展與應用 [J].巖石力學與工程學報,2006,25(增Ⅱ):3377-3380.

5 孫鐵成,張明聚,楊茜.深基坑復合土釘支護模型試驗研究 [J].巖石力學與工程學報,2004,23(15):2585-2592.

6 馬軍,郄偉叢.軟土地基基坑攪拌樁加土釘墻支護技術 [J].建筑技術,2002,33(2):123-124.

7 唐軍,曹欽.復合土釘墻在超大型深基坑中的應用[J].建筑施工,2001,23(6):394-395.

8 劉雷,薛守良.土釘與預應力錨索復合支護技術的應用 [J].鐵道建筑,1998,(9):29-31.

9 湯鳳林,林希強.復合土釘支護技術在基坑支護工程中的應用—以廣州地區為例 [J].現代地質,2000,14(1):100-104.

10 深圳市標準.SJG 05—96深圳地區建筑深基坑支護技術規范,1996.