談城市地下工程的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

周東升 李靜田

(中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅蘭州 730000)

1 概述

伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，合理開發(fā)和綜合利用城市地下空間，不僅可以緩解當(dāng)前存在的各種城市矛盾，滿足某些社會和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的特殊需要，而且為進(jìn)一步建設(shè)現(xiàn)代化城市開辟了廣闊的前景［1］。所以，修建城市地下工程已成為世界各國各大城市的首選，以地鐵為主的各種城市地下工程大量興起并蓬勃發(fā)展。

而圍護(hù)結(jié)構(gòu)部分作為城市地下工程實(shí)施的第一步驟，它在工程建設(shè)中起著至關(guān)重要的作用，其方案確定的合理與否將直接影響到工程施工的成功。因此，根據(jù)不同現(xiàn)場情況和其他地質(zhì)條件來選定與之相適用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案，這樣才能確保工程安全、經(jīng)濟(jì)、有序的進(jìn)行。

基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要承受基坑開挖卸荷所產(chǎn)生的土壓力和水壓力，并將此壓力傳遞給支撐，是穩(wěn)定基坑的一種擋墻結(jié)構(gòu)。隨著施工機(jī)具以及施工技術(shù)的發(fā)展，目前基坑圍護(hù)的結(jié)構(gòu)形式眾多。

2 主要的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

最初的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式主要有工字鋼樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)，鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)。由于打樁時(shí)，施工噪聲大，因此，在現(xiàn)在的城市地下工程中已基本上不再采用。但在郊區(qū)距居民點(diǎn)較遠(yuǎn)的基坑施工中，鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)由于其強(qiáng)度高、樁與樁之間連接緊密、隔水效果好等原因，在地下水位較高的基坑中采用較多。

2.1 鉆孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)

鉆孔灌注樁圍護(hù)墻是排樁式中應(yīng)用最多的一種。多用于坑深7 m～15 m的基坑工程，在我國北方土質(zhì)較好地區(qū)已有8 m～9 m的臂樁圍護(hù)墻。其特點(diǎn)是:施工時(shí)無振動、無噪聲等環(huán)境公害，無擠土現(xiàn)象，對周圍環(huán)境影響小;墻身強(qiáng)度高，剛度大，支護(hù)穩(wěn)定性好，變形小;當(dāng)工程樁也為灌注樁時(shí)，可以同步施工，從而施工有利于組織、方便、工期短;樁間縫隙易造成水土流失，特別是在高水位軟粘土質(zhì)地區(qū)，需根據(jù)工程條件采取注漿、水泥攪拌樁、旋噴樁等施工措施以解決擋水問題。它適用于軟粘土質(zhì)和砂土地區(qū)，但是在砂礫層和卵石中施工困難應(yīng)該慎用;樁與樁之間主要是通過樁頂冠梁和圍檁連成整體，因而相對整體性比較差，當(dāng)在重要地區(qū)，特殊工程以及開挖深度很大的基坑中應(yīng)用時(shí)需要特別慎重。

2.2 挖孔灌注樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)

挖孔灌注樁又稱人工挖孔樁，因其具有應(yīng)用靈活，無機(jī)械噪聲和泥漿污染，易調(diào)整糾偏和控制精度，對施工場地和機(jī)具設(shè)備要求不高和造價(jià)便宜等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛地用于基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。但適用范圍還是有限制的:地層必須具有一定的自穩(wěn)能力，地下涌水量不能太大，挖孔深度不宜超過30 m。在廣州地鐵車站施工中，廣泛地采用了密排的挖孔樁作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，直徑1 200 mm～1 500 mm，深度15 m～27 m，形狀有圓形的，亦有方形的。香港地鐵車站施工中不僅采用挖孔樁作為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，而且也用來作為主體結(jié)構(gòu)的邊墻或邊墻的一部分。

2.3 深層攪拌樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)

它是利用水泥、石灰等材料作為固化劑通過深層攪拌機(jī)械，將軟土和固化劑強(qiáng)制攪拌，利用固化劑和軟土之間所產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的水泥土攪拌樁體，作為基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)防水性能好，可不設(shè)支撐，基坑能在開敞的條件下開挖，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益;便于機(jī)械化快速挖土;具有擋土、止水的雙重功能;施工中無振動、無噪聲、污染少、擠土輕微。但位移相對較大，厚度較大。水泥攪拌樁適宜于各種成因的飽和粘性土，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、粘土和粉質(zhì)粘土等，加固深度可從數(shù)米至50 m～60 m。由于其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，故常適用于基坑深度不大(5 m～7 m)、可采用重力式擋墻結(jié)構(gòu)形式的基坑。

2.4 高壓旋噴樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)

高壓旋噴樁是利用高壓經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合形成水泥土加固體，相互搭接形成排樁，用來擋土和止水。高壓旋噴樁的施工設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、機(jī)動性強(qiáng)、占地少，并且施工機(jī)具的振動很小，噪聲也較低，不會對周圍建筑物帶來振動的影響和產(chǎn)生噪聲等公害，但施工中有大量泥漿排出，容易引起污染。

2.5 土釘墻及復(fù)合土釘墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)

土釘支護(hù)是在土體內(nèi)放置一定長度和密度的土釘體，與被加固土體、混凝土護(hù)面固結(jié)后而共同作用，以彌補(bǔ)并增強(qiáng)土體的強(qiáng)度，限制其位移，增強(qiáng)坡體的穩(wěn)定性。具有施工便捷、施工工藝流程相對簡單、經(jīng)濟(jì)技術(shù)性突出等特點(diǎn)。適用于地下水位以上或經(jīng)降水后的人工填土、粘性土和弱膠結(jié)砂土，開挖深度為5 m～10 m的基坑支護(hù)。不適用于含水豐富的粉細(xì)砂層、砂礫卵石層、飽和軟弱土層和對變形有嚴(yán)格要求的基坑支護(hù)。南京地鐵南北線一期工程奧體中心站，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要采用土釘支護(hù)方案，周圍用水泥土攪拌樁作為止水帷幕。廣州地鐵二號線赤崗站點(diǎn)基坑支護(hù)采用土釘支護(hù)，經(jīng)歷了雨季和珠江高涌水位的考驗(yàn)，證明土釘墻支護(hù)是可行的，有效的，保證了車站主體工程的順利完成。

復(fù)合土釘墻支護(hù)是近年來在土釘墻基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型支護(hù)結(jié)構(gòu)，以深層攪拌樁帷幕等超前支護(hù)措施解決土體的自立性、隔水性及噴射面層與土體的粘結(jié)問題，以水平向壓密注漿及二次壓力灌漿解決土體加固及土釘抗拔力問題，以相對較長的插入深度解決坑底的抗隆起、抗管涌和抗?jié)B流等問題，組成防滲帷幕、超前支護(hù)及土釘?shù)冉M成的復(fù)合型土釘墻支護(hù)。它是具有安全可靠、造價(jià)低、工期短、使用范圍廣等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了一般土釘墻的許多缺陷和使用限制，極大地?cái)U(kuò)展了土釘墻技術(shù)的應(yīng)用范圍。

2.6 地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻是一種較為先進(jìn)的基坑圍護(hù)方法，即從地面上沿著擬建的地下結(jié)構(gòu)基坑的周邊，用特制的挖槽機(jī)械開挖一定長度的溝槽，然后將鋼筋籠吊放入溝槽，用導(dǎo)管法在溝槽內(nèi)澆筑混凝土形成的地下墻體［2］。施工時(shí)振動小、噪聲低，墻體剛度大，止水性能好，同時(shí)能兼作臨時(shí)設(shè)施和永久的地下主體結(jié)構(gòu)。但在一些特殊的地質(zhì)條件下(如很軟的淤泥土，含漂石的沖積層和超硬巖石等)，施工難度大。地下連續(xù)墻的施工主要包括:導(dǎo)墻施工、開槽施工、泥漿循環(huán)與清槽、吊放鋼筋籠、澆筑混凝土、槽段接頭施工。其施工工藝如圖1所示。

圖1 地下連續(xù)墻施工工藝原理框架圖

2.7 SMW 工法

SMW(Soil Mixing Wall)是近年來發(fā)展起來的一種新的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，是通過特制的攪拌設(shè)備切散土體，同時(shí)將水泥漿注入土體，使之在攪拌過程中與地基土反復(fù)混合攪拌，然后在水泥土混合體硬結(jié)之前插入作為補(bǔ)強(qiáng)材料的H型鋼或鋼板，等水泥土硬結(jié)后，形成的地下墻體。一般可在粘性土、粉土、砂土、砂粒土、φ100以下卵石及單軸抗壓強(qiáng)度60 MPa以下的巖層中應(yīng)用［3］。其整體剛度大、強(qiáng)度高，連續(xù)施工防水止水效果好，占用施工場地少，對周邊環(huán)境影響小，符合環(huán)保要求，同時(shí)由于型鋼可回收重復(fù)利用，工程造價(jià)低，進(jìn)度快。但是，在粉細(xì)砂層中易產(chǎn)生抱鉆現(xiàn)象，其由于結(jié)構(gòu)屬于柔性，不太適合太深基坑，一般在深度16 m以內(nèi)有較大的技術(shù)優(yōu)勢。據(jù)調(diào)查，在日本地鐵所有基坑工程幾乎都采用該工藝。杭州地鐵一號線、天津豐鐵基坑、南京地鐵二號線等基坑圍護(hù)中都成功應(yīng)用了SMW。目前，在我國東南沿海地區(qū)的工程建設(shè)中較為廣泛，由于SMW工法省錢、省地、省時(shí)，所以已經(jīng)逐步在取代混凝土連續(xù)墻施工工藝。

2.8 鉆孔咬合樁

鉆孔咬合樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)是指樁身密排且相鄰樁樁身相割形成的具有防滲作用的連續(xù)擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)。作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，既可全部采用鋼筋混凝土樁，也可采用素混凝土樁與鋼筋混凝土樁相間布置。由于其特點(diǎn)為樁間的相互咬合，故稱為咬合樁。也是近年來發(fā)展起來的基坑圍護(hù)新結(jié)構(gòu)，工藝施工進(jìn)度快、成樁質(zhì)量好、抗?jié)B能力強(qiáng)、施工安全、噪聲干擾小、無泥漿排放、工程造價(jià)低。可適用于任何土層，尤其有淤泥、流沙、地下水富集等不良條件的軟土地層。由于咬合樁施工靈活，容易轉(zhuǎn)折變線，更適于施作一些平面幾何圖形轉(zhuǎn)折多變，或呈各種弧形的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)［4］。

圖2 鉆孔咬合樁施工流程圖

鉆孔咬合樁其施工工藝流程圖見圖2，其施工順序?yàn)?B1→B2→A1→B3→A2→B4→A3……。其施工的關(guān)鍵技術(shù)是成樁精度控制和混凝土緩凝時(shí)間的控制。深圳地鐵一期工程、天津地鐵三號線華苑車站、上海軌道交通8號線一期工程虹口足球場車站的基坑圍護(hù)工程中，都成功運(yùn)用了鉆孔咬合樁。作為國內(nèi)地下工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一種新形式、新工法，將對城市文明施工的價(jià)值顯著，值得推廣。

3 結(jié)語

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的多樣化解決了城市地下工程施工中施工的多樣性和復(fù)雜性。隨著城市地下工程越來越多，施工環(huán)節(jié)越來越復(fù)雜，對施工技術(shù)的要求也越來越高，從而促進(jìn)了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在技術(shù)和形式等各方面都有了較快的發(fā)展。

［1］ 李彬峰，梁志新.論城市地下工程的可持續(xù)發(fā)展［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2003(3):12-15.

［2］ 劉建航，侯學(xué)淵.基坑工程手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［3］ 夏明耀，曾進(jìn)論.地下工程設(shè)計(jì)施工手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1999.

［4］ 張春強(qiáng).地鐵基坑各類圍護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)分析［J］.山西建筑，2007，33(18):84-85.