復合土釘墻在軟土地基工程中的應用

葉煒鵬

1 土釘支護概述

土釘墻支護是在基坑開挖過程中將較密排列的細長桿件土釘置于原位土體中,并在坡面上噴射混凝土面層。通過土釘、土體和噴射混凝土面層的共同作用,形成復合土體,可彌補土體強度的不足并發揮土釘的作用。土釘墻以其獨特的性能、簡便的工藝、快速的施工、經濟的造價,已經在全國深基坑支護工程中得到了廣泛的應用,取得了巨大的經濟和社會效益。但在軟弱地層中,用單一的土釘墻支護常常難以達到支護要求。

2 工程概況

溫州機場污水處理站工程,地上機房建筑面積76.5 m2,結構形式為鋼筋混凝土框架結構。地下為污水處理池,面積為415 m2,底面埋深為5.9 m～7.8 m,基坑開挖深度為6.2 m～8.1 m。場地東側有DN300老污水管道與給水管道,西側臨河道。場地勘察報告,基坑開挖范圍內的地層:第①層素填土,雜色;松散～稍密,中～高壓縮性,層厚0.9 m～1.6 m。第②層黏土,灰黃色;軟塑,中～高壓縮性,層厚0.4 m～1.0 m、層底埋深1.0 m～2.0 m。第③-1層淤泥,青灰色;土性呈流塑、高壓縮性、高靈敏度,層厚1.2 m～1.6 m,層底埋深2.5 m～3.6 m。第③-2層粉砂,夾淤泥,灰色;松散,中～高壓縮性,層厚1.7 m～3.5 m,層底埋深5.3 m～6.3 m。第③-3層淤泥,青灰色;土性呈流塑、高壓縮性、高靈敏度,層厚9.5 m～10.2m,層底埋深15.5 m～16.0 m。第③-4層淤泥,青灰色;土性呈流塑、高壓縮性、高靈敏度;與上層呈過渡關系、無明顯界線,層厚14.7 m～18.7 m,層底埋深30.3 m～34.2 m。

3 基坑設計

根據場地地質條件分析,基坑開挖土體為人工素填土及處于地下水位以下的黏土、淤泥及粉砂夾淤泥,其邊坡穩定性很差。基坑開挖過程中,邊坡易產生側向位移而導致基坑失穩;擬建場地西臨的河流易造成突涌、流砂及邊坡失穩等不良后果;第③層為高壓縮性土,含水率高,粘聚性低,若采用常規的土釘支護技術,必然會存在以下問題:土釘與周圍土體之間的界面粘結力小,抗拔力低;土釘成孔時孔壁易坍塌;基坑開挖難以自立;地下水位高于基坑底面時出現滲水現象;土層與混凝土噴射面粘結強度低,難以施工等;特別是③-2層的粉砂夾淤泥層,滲透、流動性強,若保護不當,極易出現塌陷等現象。

為解決以上問題,經研究決定采用攪拌樁加土釘墻的復合土釘墻支護方式,主要利用攪拌樁體與土釘墻共同作用,產生良好的抗滲性和一定強度,水泥攪拌樁帷幕作為超前支護結構,具有擋水與擋土雙重功能,既解決了基坑開挖后存在臨時無支撐條件下的自立穩定問題,又形成了止水帷幕,達到了防滲要求。同時采用管狀土釘,直接擊入四周帶孔的鋼管后壓力注漿,避免了成孔時坍塌的問題,注入的水泥漿與周圍土體粘結,固結為較完整的整體,提高了管狀土體的抗拔力。

深層水泥攪拌樁止水帷幕軸線距基坑底邊線2.7 m～3.2 m,水泥攪拌樁設計樁徑500 mm,樁搭接100 mm,攪拌樁長 10 m～14 m。樁與樁搭接形成連鎖狀止水帷幕,在基坑內增設降水井,并隨基坑開挖而逐漸失效。土釘采用Φ 48焊接鋼管,直接打入再行注漿,長度12 m～15 m不等。罩面板鋼筋網采用Φ 6.5@250 mm×250 mm布置,土釘與鋼筋網的加固采用Φ 14拉接。噴射混凝土罩面板采用C20,面層厚度100 mm。采用二級放坡開挖,放坡坡率為1∶0.25。在場地臨河側采用木樁加土圍堰。處理好的基坑如圖1所示。

4 基坑圍護施工

4.1 施工流程

攪拌樁施工→開挖第一層土方→整修邊坡→噴射第一層混凝土→制作安放土釘→注漿→掛面層鋼筋網→焊土釘端部加強釘→噴射第二層混凝土→養護→開挖第二層土方→重復上述流程。

4.2 水泥攪拌樁止水帷幕施工

攪拌樁嚴格按有關施工規范施工。攪拌樁養護期不少于28 d,因工期要求根據挖土程序安排施工成樁流程及摻入早強劑,保證開挖時水泥土及混凝土強度達到設計要求。

4.3 土方開挖

基坑內采用井點降水,保證工作面處于干燥狀態。基坑開挖要充分利用基坑支護的時空效應,嚴格分層、分塊、對稱、限時開挖和及時支護的科學程序,開挖分級深度必須嚴格控制,要結合土釘墻施工機械的要求,與土釘布設排距相一致,最深不超過2 m,嚴禁超挖。基坑開挖用施工設備必須能挖出光滑規則的坡面,最大限度減小支護土層擾動,開挖時預留20 cm～30 cm土層人工進行修整,清除坡面表層的任何松動部分,確保邊坡面的平整度,同時避免破壞止水帷幕。

本工程圍護結構施工期間開挖:沿基坑6 m范圍,分層分段開挖,每層開挖高度為錨管下30 cm～50 cm,開挖出作業面后,應立即進行支護,最后一層錨管施工完,應立即施工地下室墊層,并進行基坑封底。下層土體應在上層土釘注漿3 d后方可開挖。

4.4 土釘墻施工

土釘是復合結構的主要受力體,所以施工時應嚴格按設計要求施工,對土釘的長度、土釘的成孔間距、土釘成孔傾角、水泥注漿量、水灰比等都應嚴格控制。

開挖時預留20 cm～30 cm土層進行人工修整邊坡;采用48 mm×3.5 mm的鋼管,水平、豎向間距均為1 m進行錨桿擊入;注漿采用二次注漿工藝,第一次注漿壓力為0.3 MPa～0.6MPa,待初凝后,進行第二次注漿,注漿壓力為 0.6 MPa～1.0 MPa;掛網面層鋼筋網隨開挖分層設置,兩層之間的豎向鋼筋宜采用焊接接頭,土釘端部與加強鋼筋、鋼筋網及井形架相互焊接,焊接后立即進行噴射;混凝土面層厚100 mm,強度等級為C20,其配比為水泥∶砂∶碎石∶水=1∶2∶2∶0.5,碎石粒徑為5 mm～ 10 mm,噴射混凝土的壓力為0.3 MPa～0.4 MPa,采用兩次施噴工藝,第二次施噴在加強筋和錨管焊接完后進行。

5 施工監測

監測的項目有坑外土體水平位移及沉降、深層土體水平位移、錨管拉拔實驗、地下管線的沉降等。基坑變形設報警值,當變形達到5 mm/d并連續3 d不收斂或累計變形量達到或超過H/100(H為開挖深度)時報警并分析原因以決定及時采取加固、補強措施。基坑開挖期間每天監測一次,支護結構完成后,每星期觀測一次,直到回填完成為止。用水準儀、經緯儀進行垂直沉降和水平位移變形觀測。經實際監測最大沉降和水平位移均在西側,最大沉降為12 mm,水平位移為15 mm,低于設計及相關規范要求,基坑變形均未小于報警值;周邊建筑物及馬路水平位移及沉降變形均為零,地面無下陷、開裂等現象。設計所采用的界面粘結力標準值為38 kPa,實測各土釘的抗拔力均達到或大于設計要求。

6 基坑施工事故與處理

由于施工原因,水泥攪拌樁止水帷幕局部出現搭接不嚴、開裂的情況,該施工區域地質層中的粉砂層含水量高,因此導致滲水、涌砂現象,現場發現后及時采取在坑壁設置短排水管方法進行處理,采用φ 48錨管,長度以穿透水泥攪拌樁,錨管一端用砂布包裹,防止流砂、淤泥等堵塞排水管,很好地解決了地質粉砂層排水與防止砂土流失的問題。

7 經驗與體會

土釘+水泥攪拌樁復合地基在本工程中很好地解決了地下水豐富的軟土地基的基坑支護,保護了周圍的地下管線與河道,在該基坑工程中引起的水平位移及沉降變形均較小,是軟土地基可以采用的一種經濟安全的基坑圍護體系,但在基坑的開挖施工過程中,支護結構應在理論分析指導下有計劃的進行監測,以便對出現的不利情況及時解決,確保基坑的施工安全。

當基坑開挖后,軟土層中的含水層及本地區的雨水將對基坑造成較大的威脅,因此應對這些因素高度重視,土層中的水應采取疏堵結合,并防止土層中砂質成分的流失而造成的土層松動現象,而對于雨水則應備足充分的排水設施。

基坑圍護結構體施工過程中,現場的多道工序均為隱蔽工程,有一定的隨意空間,因此必須嚴格按設計要求施工、及時監測、及時分析,使基坑工程按既定的施工方案執行,確保施工中的土釘長度、注漿量、注漿壓力、噴漿厚度等質量要素。

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