深厚淤泥層基坑開挖動態監測與應急處理

張躍進, 曾紀文

(武漢地質勘察基礎工程有限公司,湖北 武漢　430070)

0　引言

隨著建筑地下空間的發展,城市深基坑開挖工程日漸劇增,同時受城市建設空間的限制,基坑周邊的環境趨于復雜化,基坑緊鄰周邊建筑物和道路,加之地層的復雜性,從而使得基坑開挖的風險及危害性加劇。雖然設計充分考慮了基坑的安全性,但往往會因不可預見的地層變化而致使基坑在開挖過程中出現變形超出警戒值；通過先進的科學技術進行監測的數據反映了基坑的不穩定性。為確保基坑能安全順利開挖施工到基坑底標高,就必須分析引起基坑變形加劇的實際原因而采取相應的應急處理方案,其直接影響到基坑變形穩定和周邊建筑物及道路的安全。本文通過工程實例闡述基坑在超厚淤泥層變形超警戒時的應急加固方案設計與實施。

1　工程概況

擬建的武漢紅星美凱龍家居廣場基坑圍護工程位于武漢市硚口區額頭灣立交橋附近,設地下室兩層,本項目基坑周長1 063 m,面積3.93萬m2,規劃總用地面積77 546 m2,地面設計標高為23.50 m,±0標高為絕對標高24.5 m,地下室埋深約9.8 m(包括底板厚度)。底板墊層底設計相對標高為-10.15 m,承臺墊層底設計相對標高為-9.40～-13.00 m。西南角主樓部位筏板墊層底設計相對標高為-11.40 m。集水井墊層底設計相對標高為-11.35 m,消防集水井墊層底設計相對標高為-12.65 m,電梯井墊層底設計相對標高為-11.20～-12.65 m。本基坑分級放坡結合掛網噴砼,并采用攪拌樁加固坡底及坑底淤泥軟塑土體的支護方式,本基坑工程安全等級:基坑北側1-1、1′-1′、2-2剖面范圍為二級,其余南側為一級。

在勘探深度范圍內,本場區地層共分16大層,而本基坑開挖深度范圍內,影響基坑的主要土層為:第(1)-1層雜填土;第(1)-2層素填土;第(2)層淤泥以及第9層淤泥質粉質粘土。基坑范圍內各巖土層層序、層名、巖土特征及空間分布等詳見圖1*中南勘察設計院(湖北)有限責任公司，武漢紅星美凱龍世博家居廣場勘察報告，2012。。

在實際施工中位于基坑東南角7剖面處基坑深度6 m以下實際揭露的地層為約15 m深的流塑狀淤泥,且質地相當軟弱,自穩性差,含水量大。

本基坑支護深度為7.8～9.15 m,分八個剖面進行支護,其中1和1′剖面采用放坡加錨桿結合掛網噴砼支護,2～6剖面采用二級放坡結合掛網噴砼支護加坑底攪拌樁加固支護形式,7剖面采用一級放坡加雙排灌注樁懸臂支護,6、7剖面被動區采用密排攪拌樁加固坑底土體,電梯井坑中采用攪拌樁支護和加固。基坑水采用明排(圖2)。

2　基坑施工情況及變形監測信息

本基坑除東南角7剖面為一級放坡加垂直開挖支護外,其它段面均為二級放坡支護。2012年8月開始施工放坡區域的攪拌樁,8月底開始施工7剖面鉆孔支護樁,采用的是直徑900 mm,樁長20.2 m旋挖灌注樁,雙排樁內排樁間距1.2 m,外排2.4 m,因該區域揭露的地層主要為粉質粘土和淤泥質粘土,土質較軟,局部為流塑狀淤泥,造成實際施工中支護樁局部存在擴孔和縮頸現象。雙排樁之間采用攪拌樁加固,內排樁10 m范圍內密排攪拌樁加固被動土區域。鉆孔支護樁和加固攪拌樁工作于10月中旬全部完成。該區域一級坡的支護形式為1∶1放坡掛網噴砼加三排注漿鋼管,雙排樁冠梁頂部標高為-5.2 m,基坑底標高為-10.2 m。

圖1　鉆孔地質柱狀圖Fig.1　Geology columnar section of drilling

圖2　基坑平面圖Fig.2　Planar graph of foundation pit

同年11月中旬該區域土方開始進行垂直下行開挖,12月5日土方開挖到基坑底,并進行了墊層施工。土方開挖過程中每間隔3天監測一次,基坑變形變化幅度很小,累計位移只有10～15 mm。但隨著時間的推移,基坑頂部與路牙交界處出現5～20 mm的裂縫,逐漸趨于增大,基坑外10 m處的路面出現明顯沉降和較大的裂縫(照片1、照片2),冠梁頂位移最大達到了50 mm(見圖3-圖5)。監測信息及時反饋到基坑設計單位,設計、施工、監理、建設方立即對現場進行了詳細察勘和分析、討論。考慮到該區域地層的復雜性擬定采取高壓旋噴錨索對雙排樁進行加固處理。

照片1　基坑頂道路邊緣裂縫圖Photo 1　Crack graph of foundation pit

照片2　基坑冠梁頂與一級坡地交界處裂縫圖Photo 2　Crack graph of top beam and first slope juncture

3　基坑監測數據信息的分析

隨著基坑開挖漸漸開挖到底,基坑范圍被動土逐步卸除完畢,加之深厚淤泥層的不穩定性,基坑側壁壓差增大,造成基坑變形逐漸加劇。 依據基坑周邊位移監測數據分析,整個基坑只有東南角7剖面冠梁頂設置的3個位移監測點(S3、S4、S5)的位移變化異常,且逐步超過位移警戒值。在12月5日以后,三個位移點監測的數據逐步加大,且變形幅度呈上升趨勢,位移平均日變化幅度達到了5～10 mm,直至2012年12月9日開始S4點的位移就超過了警戒值,經向基坑設計院反應后,立即停止了基坑后續施工,并增大基坑監測頻率和基坑周邊巡查的力度。緊接著由設計、施工、監理、業主共同對現場踏勘,擬定基坑加固方案,以確保基坑安全。四方共同對該區段基坑變形異常的因素進行了分析。

圖3　監測點S3位移曲線圖*武漢建工股份有限公司，武漢紅星美凱龍世博家居廣場基坑監測報告，2013。Fig.3　Displacement curve of S3 monitoring point

圖4　監測點S4位移曲線圖Fig.4　Displacement curve of S4 monitoring point

圖5　監測點S5位移曲線圖Fig.5　Displacement curve of S5 monitoring point

3.1　地層的因素

該區域在很早以前為河塘,淤泥淤積較深,后經回填而形成現有地勢地貌,當基坑開挖后內外土壓力會發生變化從而導致坑外淤泥逐漸發生蠕變;通過旋挖成樁在施工中揭露的地層為坑底約4～5 m的淤泥,且基本為流塑狀，穩定性極差。

3.2　基坑周邊環境的影響

該區域基坑一級坡頂部為工地臨時主要道路,基坑開挖后仍然有很多進出工地的重型車輛通過,對基坑頂部產生一種動載,對主動區的深厚淤泥層產生一種擠壓作用,對基坑變形造成影響。

4　加固方案的實施及效果驗證

4.1　該區域加固前后設計方案的對比

4.1.1基坑東南角原設計剖面圖(圖6)*武漢華太巖土工程有限公司，G修07(7-7剖面土錨)設計變更圖紙，2012。

7剖面原設計方案上部采取一級放坡加錨管注漿結合掛網噴砼支護,下部采取雙排樁懸臂垂直開挖支護;懸臂高度為5 m,基坑土方開挖后該區域樁頂位移加劇并逐步超過警戒值,基坑趨于不穩定狀態。

圖6　基坑7剖面原設計圖Fig.6　Original design drawing of profile of No.7 foundation pit

4.1.2基坑東南角7剖面加固剖面圖(圖7、圖8)

圖7　基坑位移超警戒值后的加固剖面圖Fig.7　Strengthening profile after ultra warning value of pit displacement

7剖面雙排樁原設計計算是根據原勘察報告中所提供的c(13 kPa)、φ(8°)值進行計算的,基坑施工過程中發現該區域淤泥土質較差,經現場取樣送相關實驗室檢測,發現其c(5 kPa)、φ(1.5°)值比勘察報告中提供的值要小很多。加固設計是通過后取土樣檢測的c、φ值重新計算并考慮變形擾動后確定增補錨索的拉力和長度。加固旋噴錨索大樣圖如圖8。

圖8　旋噴錨索設計大樣圖Fig.8　Detail drawing of anchor cable design

4.2　旋噴錨索加固的原理

基坑支護遇軟土層時使用常規錨索施工,往往存在錨索抗拔力達不到設計所需值,特別是在遇淤泥等松軟土質的基坑支護中抗拔力更是一個很難解決的問題。旋噴錨索是進行預成孔并將錨索送入設計要求的孔深,然后從孔底逐漸往孔口進行高壓噴漿,以將錨固體直徑擴大,增大錨索抗拔的摩擦接觸面積,從而提高錨索的抗拔力,確保能達到設計值。

4.3　錨索施工設備選擇及工藝

4.3.1設備選型

因采用搭設工作平臺施工,不能承載重型設備,履帶式錨桿機不能采用,為確保操作安全,成孔選擇輕型設備,型號為XY-2型鉆機;要進行高壓旋噴注漿作業,故要配備一臺90 kW的高壓泵。

4.3.2成孔鉆頭的選型

如何將制作好的錨索順利并完好地送至孔底,達到旋噴錨索有效地施工,就必須有一個切實有效的施工方法。通常的做法就是先進行鉆孔預成孔,用普通鉆孔將孔深鉆進至設計孔深,然后提鉆將制作好的錨索體用帶高噴頭的鉆桿送入孔底,再實施高噴作業,或采取其他施工方法,但這些方法在施工過程中存在很多問題,譬如預鉆孔發生了塌孔,錨索不能送達到設計部位,或錨索在送入途中發生纏攪,不能發揮其抗拔作用等等。如何解決這些問題,以讓旋噴錨索施工能更快更完善地完成施工,就必須制作一個專用的旋噴錨索施工鉆頭,讓鉆孔與錨索體同步進行,順利將錨索體送達設計部位。本加固工程是選用一種專用的旋噴錨索施工鉆頭[1],其包括鉆頭體,錨索端頭固定體,鉆頭與錨索固定板單動裝置,鉆頭與鉆桿連接裝置,逐個連接組裝成一個完整的旋噴錨索施工鉆頭體。如圖9，照片3-照片4。其特征是:鉆頭在旋轉的過程中錨索端頭固定板不旋轉,并借助鉆頭推進力將錨索體順利跟進帶入。

圖9　旋噴錨索鉆頭體示意圖Fig.9　Schematic diagram of bit body of chemical churning about anchor cable1.鋼板翼片；2.噴漿眼；3.推力軸承；4.鋼絞線；5.中心桿；6.鋼絞線擠壓套；7.鋼索端頭固定板；8.鉆桿專用接頭。

照片3　旋噴錨索鉆頭體實物一Photo 3　Real graph of bit body of chemical churning about anchor cable

4.3.3成孔工藝

(1) 工作平臺鋪設:按增補錨索的標高,用鋼管腳手架搭設6 m寬的工作平臺,為確保安全,平臺上滿鋪模板,作業平臺邊緣增設防護欄桿,腳手架底部增設掃地桿,側壁安裝剪刀撐。

(2) 鉆孔預成孔:成孔鉆機就位,調整好入射傾角,采用直徑150 mm的三頭鉆進至設計深度,目的是減少錨索送入的阻力。

照片4　旋噴錨索鉆頭體實物二及與錨索連接實物Photo 4　Real graph of bit body of chemical churning about anchor cable and anchor connection

(3) 錨索制作及安放:錨索端部采用擠壓套固定在錨拉鋼板上,錨拉鋼板焊接固定在一次性鉆頭上,然后將特制的鉆桿接頭插入鉆頭中部,同時將鉆頭錨索連體送入預成孔的鉆孔內,通過鉆機油壓將錨索逐步送入至設計孔深,若遇阻力時可邊旋轉鉆桿，邊向孔內送入小壓力的清水,直至錨索端部到達設計孔深(照片5)。

照片5　旋噴錨索制作Photo 5　Anchor cable making of chemical churning

(4) 清洗鉆孔:采用20 MPa左右的壓力向孔內高壓噴射清水,將孔底的淤泥徹底沖洗干凈,并再次對鉆孔周邊土體實施滲透環繞切割,以便漿液能充分滲透到土體中。

(5) 高壓注漿:按1∶0.8～1∶1的水灰比配制漿液,同時加入適量的早強劑,采用不少于25 MPa的壓力進行送漿,漿液通過鉆桿體通道到達錨索鉆頭端部的噴嘴,噴出霧狀的漿液滲透到土體中。漿液先稀后濃,邊旋轉邊提拔鉆桿,拔桿速度控制在每分鐘25 cm左右;錨固段水泥用量控制在每米150 kg,自由段噴漿拔桿速度可相對加快,噴漿量保證每米100 kg即可(照片6)。

(6) 錨索腰梁施工:按照設計圖紙的配筋綁扎腰梁鋼筋,按圖紙尺寸進行支模,錨索位于腰梁部位采用Φ75的PVC套管與砼隔離。

照片6　旋噴錨索施工Photo 6　Anchor cable construction of chemical churning

(7) 錨索張拉與鎖定:在錨索注漿體齡期達到15天以上,強度達到設計值的70%后就可進行張拉鎖定。張拉前必須將張拉設備送到有權威的檢驗機構進行標定,張拉按設計值分級進行,并間隔測量錨頭位移量;張拉達到設計值后卸載,同時安裝錨具夾片進行錨索鎖定,鎖定值按設計要求,但鎖定時張拉力應增加30%的預應力損耗(照片7)。

照片7　加固錨索預應力張拉及鎖定Photo 7　Prestress tensioning and locking of strenthing anchor

4.4　加固效果

該區域錨索加固實施并鎖定后,通過每間隔1、3、7、15天時間的位移監測,冠梁頂部的位移區域穩定,不再繼續延續擴大,路邊的裂縫經水泥封閉后再無新裂縫出現。通過加固確保了基坑安全,保證了整體工期(照片8)。

5　結語

通過以上工程實例說明深基坑施工的動態監測信息反饋與分析是基坑降低安全風險的前提,依據工程實際地質及周邊情況分析擬定特定的加固方案是基坑安全的有效保證,若選擇的加固方案不適宜,不斷會加大基坑變形,同時給基坑的安全帶來更大的風險。如何優化加固方案和有效實施,必須做到設計、施工密切聯系,跟蹤及時反饋。監測信息的準確性和及時性及施工情況的詳細記錄是設計單位擬定有效加固方案的保障,而加固方案的有效實施是加固成功與否的關鍵。施工過程中發現地質條件及周邊環境發生變化時,應及時把信息反饋給設計部門進行復核調整,當基坑監測數據反映出異常或基坑變形加劇時,應及時把信息反饋給安監、設計、甲方、監理等各部門,基坑應立即停止開挖,同時啟動基坑安全應急預案,組織相關部門會審得出結論后方可進行下步工作。只有認真做好深基坑動態設計與信息化施工管理工作,同時及時對癥下藥擬定有效控制變形的加固方案,搞好關聯工作才能確保基坑施工的絕對安全。

照片8　加固后的基坑Photo 8　Foundation pit after reinforcement

參考文獻：

[1]武漢地質勘察基礎工程有限公司.《旋噴錨索施工鉆體》實用新型專利:中國，ZL201320787515.1[P].2014-06-11.