緊鄰高邊坡條件下深基坑支護案例分析

肖洪波,張可能,許志海,陳 駿,王永招

(1.中建五局土木工程有限公司,湖南 長沙 410000;2.中南大學地球科學與信息物理學院,湖南 長沙 410083;3.有色金屬成礦預測與地質環境監測教育部重點實驗室,湖南 長沙 410083)

1 工程概況

郴州市人民東路延伸段工程為郴州市立體路網建設的重要環節,對解決郴州城區的交通擁堵,方便市民出行起到至關重要的作用。依照規劃,人民東路延伸段西起郴州市郴江大道與人民東路的交匯點,路線向南延伸直至青年大道時與青年大道以立交方式相連接,下穿青年大道后延伸段終點接于郴縣路(圖1)。由于埋設下穿箱涵需要,兩條路的交匯處需進行基坑開挖,基坑支護工程由此產生。人民東路下穿青年大道基坑支護工程屬人民東路延伸工程中的重點控制環節,基坑支護的成敗對于整條人民東路能否按期通車起到決定性的作用。

圖1 場地道路分布示意圖

按照道路設計內容,下穿施工采用明挖式箱涵,下穿范圍為主道K3+610.6到K3+707.6段、匝道BK0+141到BK0+226.6段。人民東路延長線在下穿處的平均設計標高約為217.3m,青年大道路面標高約為231.7m,主箱涵頂板高為6.8 m,因此基坑開挖深度約為12m,用于下穿主道和連接青年大道的匝道的箱涵埋設。人民東路下穿青年大道后一分為二,其中匝道b從北往南逐漸抬升并上跨主道箱涵后與青年大道相連,以便車輛從人民東路駛向青年大道。基坑東北側匝道a用于車輛從青年大道向人民東路駛入,匝道將經過場地東北側,即青年大道右側邊坡坡腳。因此基坑整體面臨西南、東北兩側壁緊鄰高邊坡的場地條件,為基坑的開挖及支護結構的施工提出了難題。同時為了保證施工階段青年大道的暢通,需滿足青年大道半幅通車的要求,因此基坑北側緊鄰道路,同樣需要做好支護措施。

圖2 基坑周邊平面示意圖

2 區域地質環境

2.1 地形地貌

郴州市境內總的地形地貌為東南面山系重疊,群山環抱;西部山勢低矮,向北開口,中部為丘、平、崗交錯。地勢自東南向西北傾斜,一般海拔200m～400m,最低處海拔70m。受新構造運動、間歇性抬升影響,郴州東南部形成高聳的的山地及山原,東部主要為南北延伸的羅霄山脈,南部為東西走向的南嶺山脈,地形切割強度及密度都很大,陡峻斜坡十分發育,邊坡地質災害頻發。郴州西部是郴道盆地橫跨,北部有醴攸盆地和茶永盆地深入,形成低平的地勢[1]。基坑場地位置原始地貌單元屬丘陵,地勢起伏較大。基坑的開挖形成了東北角、西北角與西南角邊坡,東南側為填方路基。

2.2 工程地質條件

經基坑場地勘察鉆孔揭露,該區域地層由人工填土層、第四系坡殘積層、石炭系(C)地層構成。地層自上而下為人工填土(Qml)、第四系坡殘積(Qdl+el)粉質粘土、第四系坡殘積(Qdl+el)粘土、石炭系(C)砂巖、石炭系(C)炭質頁巖。基巖巖層由白云質灰巖、砂巖、炭質頁巖構成,砂巖與炭質頁巖呈互層狀分布,巖層產狀275°∠30°。其中對場地地質條件起到控制作用的主要是炭質頁巖層。該層以全風化～強風化炭質頁巖為主,呈灰白色粒狀結構,具有塊狀構造,顆粒連接方式以鈣質膠結作用為主。根據區域地質資料顯示,該地區炭質頁巖成分主要礦物成分為石英、長石。從圖3呈現出的巖心來看,主要呈塊狀、碎塊狀及土柱狀。該層最大層厚22.3m,具有質軟,遇水軟化,在外露條件下易崩解,強度性質損失大的特點[2]。

圖3 強風化炭質頁巖巖心

根距工程勘察報告所提供的資料,結合土工試驗得到場地各地層的巖土性質參數如表1所示。其中強風化炭質頁巖層主要以煤系巖土的形式出現,不同風化程度的煤系巖土的物理力學指標相差較大,因此其強度指標是結合長期勘察、設計經驗,并經過多個雨季對工程措施的反復總結而得出的。

表1 場地巖土參數

2.3 水文地質條件

通過詳細勘察階段對水文地質情況的調查發現,基坑場地內無地表水,地下水類型為孔隙水、基巖裂隙水。其中孔隙水主要賦存于山坡及谷地地帶第四系土層中,受大氣降水及生活用水補給,水量較小,穩定水面埋深5.30m～5.70m。基巖裂隙水主要賦存于基巖節理裂隙及巖溶空洞中,其節理均較發育,連通性一般。降雨后地下水垂直徑流速度較大,其水量較豐富,山間谷地地下水水位埋藏淺,山坡上地下水埋深較大。場地內各地層均屬弱透水層。場地地下水對工程結構的評估結果顯示,地下水水質對混凝土結構具弱腐蝕性,對鋼筋混凝土中的鋼筋具弱腐蝕性,對鋼結構具弱腐蝕性。

3 基坑支護設計

3.1 基坑支護設計安全等級

場地開挖至通道涵基坑底的基坑開挖最大深度有16.9m,而將雨污水管施工時基礎最大開挖深度考慮在內,最大開挖深度能達到19.6m。綜合場地的地質條件、基坑深度和周邊影響狀況等因素,該場地工程安全等級為一級,結構重要性系數為1.1。

3.2 基坑支護設計方案

基坑支護采用錨拉樁支護體系進行支護,根據場地的工程地質條件及基坑邊線與擬建的通道橋的長度及主線與匝道框架結構的平面關系,本基坑共布置172根排樁：基坑開挖深度為16.9m,采用錨拉排樁支護,樁長13～22米,樁徑樁徑1.5m,樁間距2.0m。

綜合考慮場地的環境條件和地質條件,根據各區域的不同特點及要求,設計方案對基坑支護范圍進行了三個區域的劃分,對于不同的區段根據計算結果采取了不同的支護措施和參數(圖4)。人民東路主道的左幅,即主道K3+610.6～K3+707.6段左幅采用“旋挖樁+錨索”的支護方式。其中主道K3+610.6～K3+630段左幅的支護樁與道路紅線之間留1.2m施工距離。主道K3+630～K3+680段左幅由于與青年大道到支護樁樁頂存在高差,施工時從青年大道路面到樁頂按1∶1放坡。錨索排數依據懸臂段長短設1～3排,每排間距4m。

位于場地西北側及西南側的匝道bK0+141～bK0+226.6段右側、主道K3+680～K3+707.6段右幅兩個區段采用“旋挖樁+錨索”的支護方式。其中匝道bK0+141～bK0+200段右側支護部分為匝道箱涵段,匝道bK0+200到bK0+226.6段右側段支護結構部分樁頂標高為低于青年大道路面標高1m,后隨里程降低為高于主道箱涵頂3m。施工時從青年大道路面到樁頂按1∶1放坡。主道K3+680～K3+707.6段右幅支護樁樁內側做混凝土面板,起到邊坡的長期支護作用。錨索排數依據懸臂段長短設1～3排,每排間距4m。

主道K3+633.4～K3+680段右幅及青年大道中間隔斷樁采用“旋挖懸臂樁”的支護方式。其中K3+633.4～K3+680段右幅樁頂標高與主道箱涵頂同高,隔斷樁與青年大道路面標高相同。

樁間土采用噴射混凝土中鋼筋網片為φ6.5@200×200,錨桿長度及間距根據現場開挖揭露的地質情況進行調整,混凝土強度為C25,厚度100mm。考慮上部土體滲漏對護壁土的浸蝕,在基坑四周豎向護壁中設置排水孔,排水孔間距Φ100軟式透水管,L=5m、間距4m,在施工過程中,出現滲水立即增加排水孔。

圖4 基坑支護結構平面布置圖

4 基坑支護主要技術參數

4.1 旋挖灌注樁

經過對基坑側壁的穩定性計算,為確保支護結構能夠發揮作用,基坑各支護段支護樁均采用樁徑為1.5m的支護樁,由于基坑隔斷樁無法進行錨索施工,所以采用1.8m的樁徑以確保支護效果。各位置支護樁樁間距均為2m。基坑各區段樁頂均以冠梁連接以起到支護結構的整體性,冠梁施加一排錨索,根據支護樁懸臂長度,豎向距離每隔4m施加一排錨索。支護樁樁身混凝土采用C30。

挖樁時嚴格執行三序跳挖施工工藝,道路南幅大致流程為：兩臺旋挖機施工東西側兩排圍護樁,由南向北施工,施工完畢后,在分別進行中間排樁和隔斷樁施工。南半幅施工主體結構完畢后,且滿足北幅施工施工條件后,兩臺旋挖機由北向南施工。

4.2 預應力錨索

根據基坑樁長度設置1～3排錨索,第一排錨索設置于冠梁中心0.6m位置,根據不同斷面錨索設置長度分別為16m、18m、20m,其中自由段長、錨固段長根據各錨索長度確定,第二排錨索根據基坑不同斷面設置于第一排錨索下4m、5m,單根長12m、16m、18m、19m,其中自由段長、錨固段長根據錨索的不同長度確定,第三排錨索均設置于第二排錨索下5m,單根長18m,錨索采用15.2或21.6鋼絞線 ,角度均下傾20°。

錨索采用270級高強低松弛、抗拉強度不小于1860Mpa的鋼絞線,每組錨索為7φ5的高強鋼絞線5束作為錨筋。錨具選用OVM15型。錨索自由端套管采用22×1.5的聚乙烯管現場套做。錨索成孔采用潛孔錘干法,孔徑為130mm,鉆孔傾角20°,錨索設計長度成孔深度為錨索長度+1000mm為錨索沉渣段。注漿時采用二次注漿工藝,常壓注漿壓力約為0.5MPa～0.8MPa,第二次加壓注漿壓力增大為2MPa,漿液選用水泥砂漿,水灰比0.5～0.6,錨固砂漿設計強度為M30,為確保注漿效果,張拉段孔道灌漿要密實,每次注漿結束的穩壓時間為5min～10min。預應力錨索張拉是預應力錨索施工的關鍵工序,設計張拉力為500kN～600kN,張拉后錨索可以承擔370kN～450kN的荷載。完成張拉后,做好封錨等后續工作。

圖5 錨索張拉

4.3 噴砼支護

基坑東北側、西南側邊坡部分支護段需要進行噴砼措施。材料選用強度為C25的混凝土,混凝土配料中,水泥與砂、石重量比位于1.0∶3.5～1.0∶4.0之間,其中粗骨料粒徑不宜大于15mm,水灰比處于0.42～0.50間。噴砼層厚為100mm。在噴射砼24h后進行噴水養護,養護時間不少于7天。噴射時噴頭與受噴面保持垂直,距離宜為600mm～1000mm。

5 基坑施工的技術要求

5.1 總體施工步驟

選取合理的施工順序及步驟,對整個施工的成敗具有決定性作用[3]。為確保施工過程的安全性,最大程度減少因基坑開挖對正常交通秩序的影響,經專家論證后,為保證青年大道在施工階段保持暢通,達到半幅車道保持通車的要求,在施工過程中將整個基坑以青年大道中線為界,分兩大區域逐次進行施工。首先進行道路南側部分基坑的施工,青年大道北側單向兩車道變雙向通行。待南側箱涵布設完畢后,回填南側基坑并重修青年大道路面,恢復青年大道南側兩車道雙向通車后,進行基坑北側區域的開挖。

對于基坑支護施工的具體環節,主要分為道路開挖、旋挖樁施工、旋挖樁冠梁施工、土方開挖、錨索施工。具體施工順序如下：首先進行南側主線及b匝道段基坑開挖,進行南側基坑圍護樁施工(包括隔斷樁施工)在確保西南側邊坡支護滿足開挖條件后,分別進行第一層、第二層、第三層土體的開挖,每開挖一層土體后緊接著施工一排錨索。在完成基坑的支護措施施工后,進行坑底處理及臨時排水設施的施工。基坑滿足使用要求后進行車道箱涵的施工,最終進行基坑回填,回填完畢后,在施工完成后的通道頂修筑南側臨時道路,為交通疏解組織第三階段做準備,同時北側土石方開挖和邊坡防護可持續進行。

待北側土石方施工開挖至青年大道現有路面標高基本一致后、且南側臨時道路滿足通行要求后、開放南側臨時道路,封閉隔離樁以北青年大道,進行基坑北側部分的施工,施工流程與南側基本一致。

5.2 土方開挖要求

基坑土方開挖的順序對基坑施工過程中的穩定性十分重要。在開挖過程中必須貫徹“分區分層分段開挖”的原則。基坑開挖時設立基坑支護底邊線向坑內約8m范圍的工作區和中心區,由周邊區向中心區方向開挖,出土通道留在中心區并預留出土口,出土口最后開挖支護。值得注意的是,基坑在開挖前必須嚴格保證支護結構各構件的養護時間,待支護結構達到足夠的強度,起到有效的支護作用后方可開挖下一層土方。以錨索為例,錨索施工后必須養護15天以上,經張拉合格并鎖定后方可進行下一層土方的開挖。

5.3 支護樁施工

基坑上部為人工填土、下部主要為強風化炭質頁巖及砂巖,土體穩定性差,粘性大,容易縮孔。如果選用沖孔樁施工則面臨作業周期長、成孔效率低的問題,難以滿足工程施工進度要求。旋挖樁具有施工作業效率高、成孔快,且能夠滿足設計要求[4],結合現場樁基試成孔實驗,采用大功率旋挖機鉆強風化灰巖能夠滿足設計要求。

支護樁施工質量的控制要素主要包括樁位、垂直度、深度、振搗質量等。樁軸線按現場施工放線定位,樁位的誤差不應大于50mm。樁應由兩側向中間靠,在挖樁時嚴格執行三序跳挖施工工藝。孔位垂直度允許最大偏差1%,開挖過程中及時做好支撐和護壁并及時澆注。基坑開挖后驗證樁體的實際偏斜度。有漏水現象時在攪拌樁帷幕的背后進行注漿堵漏。

旋挖過程中用泥漿為材料對樁位孔進行護壁處理。遇到地下水豐富、存在塌孔嚴重現象樁孔,采用泥漿護壁方式能夠有效防止塌孔和縮徑,確保成孔質量。當樁上部土層厚超過3m,存在大面積塌孔現象時,采取鋼護筒跟進方法施工。根據該樁土層的厚度制作較樁孔徑大300mm的鋼護筒,采用振動錘將護筒打入至巖層頂部,在澆灌混凝土時逐步提升鋼護筒拔出。

5.4 錨索施工

錨索鉆孔是保障錨索施工質量的關鍵。鉆孔采用無水鉆進工藝,孔徑Ф130mm。鉆進深度要求比設計深度增大0.4m,鉆孔施工前應嚴格定位定向,孔間水平方向允許偏差為±10mm,垂直方向允許偏差為±50mm,鉆孔傾斜允許偏差為3‰。終孔后清孔要徹底,施工現場利用清水循環沖洗,并在檢查驗收合格后插入錨索進行灌漿施工。

錨索制作時按設計長度下料,在錨索長度的基礎上增加1.0m 用于外錨固段的張拉。自由段抹黃油,套22×1.5的聚乙烯管現場套做。錨固段每隔1m設置一個分離架,分離架與分離架之間用鐵絲攏緊,錨具采用OVM15-4型,包含夾片、錨板、錨墊板等定型產品,并將制作完成的錨索與注漿管一起置于錨索孔中。

錨索注漿漿液材料采用PO.42.5硅酸鹽水泥砂漿,為增加漿液的流動性,可適當加入減水劑。加入適當比例的早強劑以提高早期強度。注漿方法為孔底注漿法,注漿管與錨索綁扎同時放入孔內,注入的水泥漿自孔底逐漸返回孔口,自孔口溢出后停止注漿,初凝后進行孔口補漿。二次注漿則在注漿體強度達到3～5MPa時進行。

圖6 錨索伸長值測定儀器

錨索張拉分為5級進行,每級張拉穩壓不小于10min。張拉過程中有異常情況時延遲穩壓時間,達到設計荷載的1.1倍,穩壓10min～20 min后鎖定,鎖定后48小時內,任何錨索應力下降到設計質以下時進行補償張拉。張拉時采用應力控制及伸長值校核的雙控法控制。當實際伸長值大于計算伸長值10%時停止張拉,查明原因,再采取措施后,開始重新張拉。

5.5 基坑側壁回填施工

基坑回填前必須將基坑底的松散土、砂漿、混凝土及其它雜物清理干凈,對坑底的積水必須及時清除并挖出被水浸泡的濕土[5]。回填時對兩個相對側面同時進行回填。基坑側壁回填應在箱涵墻體混凝土達到70%的設計強度后進行,并應避免局部沖擊荷載。

基坑回填基坑回填材料以填土為主,并摻雜一些石灰與灰土。填土土質不得含有有機雜質,粒徑不大于50mm,土用40mm-60mm篩子過篩。石灰選用粒徑小于5mm且水分含量較低的熟化石灰。灰土拌合材料采用熟化石灰與素土按2∶8的體積比混合均勻,進行兩次翻拌并適當控制含水率,拌至土料顏色均勻一致。每層鋪灰土厚度為250mm,用蛙式打夯機進行夯實,人工打夯不大于200 mm,夯壓的遍數不少于3次。各層鋪灰土厚度與坑邊壁上的標高相等。灰土最上一層完成后進行表面拉線找平,對高出允許偏差的地方及時進行依線鏟平,對低于規定高程的地方補土夯實。

圖7 基坑回填施工順序

6 基坑施工監測

基坑開挖范圍和開挖深度,應對基坑本身及周圍環境的位移、沉降等多項內容進行監測。場地共設水平位移監測點25個,其中終點結構施工過程監測頻率為一天兩次。在基坑支護樁冠梁頂部設25個水平位移監測點,監測點同時也能夠進行沉降觀測。通過對各點持續了近30周的觀測后,所有監測點中累計最大水平位移為+5.4mm,累計最大豎向位移+1.11mm,均在報警值之內。對所有水位觀測孔進行了觀測,單次最大的變化速率0.42m/d,小于預警值2m/d。

7 結語

本案例針對基坑位置緊鄰高邊坡的特點,基坑支護措施上采用“旋挖樁+錨索”的支護設計,并結合基坑周邊邊坡的加固及滿足道路半幅通車的要求提出了一整套方案。施工過程進展較為順利,沒有遇到重大問題。通過施工過程中及施工后半年內跟蹤監測的各項數據發現各項監測值均在監測預警值以內,且基坑支護后的箱涵施工進展順利,表明該深基坑的支護設計與施工達到了預期的目的,可作為類似工程條件下基坑支護的參考案例。