問題深基坑的加固處理案例分析

李勝杰

(1. 成都市建筑科學研究院有限公司, 四川成都 610051;2. 成都市建科院工程質量檢測有限公司, 四川成都 610051)

0 引言

因城市建設發展增速,部分建設工程因工期緊,施工提速,但在深基坑施工到一定階段,因規劃設計調整,深基坑加深或者變淺或者基坑停等時間超過設計使用年限或者基坑周邊環境條件變化,原有支護結構不能滿足安全穩定性要求,或者因為工程地質條件差、超載、滲漏水或者暴雨等情況,造成基坑變形達報警值或者發生基坑坍塌甚至垮塌現象,必須對深基坑進行加固處理。

1 基坑深度變化引起原有支護結構不能滿足安全穩定性要求的加固處理

原支護結構為土釘墻的基坑加深后的加固措施相對較簡單,根據地質條件和原有支護參數,建立相應模型可處理,即:加深部位采用放坡+土釘墻、排樁、樁錨支護[1];原有支護結構深度范圍內根據加深情況可增設比原有土釘長的土釘或錨桿;或者增設微型樁、預應力錨桿等復合土釘墻型式;而對于基坑外側地下有障礙物的基坑,則可采用增設微型樁、型鋼斜撐等型式。對于原支護結構以支護樁為主的基坑從簡單到復雜都有,相對簡單的是支護樁的嵌固段在直接增設錨索后能滿足要求,相對復雜的是即使增設錨索后嵌固段不滿足要求,但支護樁樁端基本在基底以下,如圖1、圖2所示;特別復雜的是樁端完全在基底以上,如圖3所示。

圖2 采用內支撐+坑內留置平臺放坡土釘墻加固(單位:mm)

圖3 排樁連接加固(單位:mm)

1.1 基坑深度加深

案例一:成都某基坑工程地層從上至下依次為3 m厚雜填土、5 m厚淤泥質土、2 m厚細砂層,以下為卵石層。H-H’和H1-H1’支護段原基坑深度8.82 m,基底下約6 m為地鐵隧道,H1-H1’支護段外側最近3.16 m外為7F老建筑,基礎型式和埋深在檔案館都無記錄,支護樁樁長分別為10.05 m、9.37 m,支護樁施工完成后,基坑加深1.03 m,變為9.85 m,基本無嵌固段(圖1、圖2)。

對于H-H’支護段,如采用內支撐,則相應造價較高,受地鐵控制線要求,不可能在基坑內側再施工一排樁,但由理正軟件采用樁錨支護模型在增加錨索后計算結果顯示,整體穩定安全系數為0.01,是否不能滿足要求?這種情況可認為不再適用樁支護模型,建議采用土釘墻[1]支護計算模型和錨桿式擋土墻[2-3]進行計算,將排樁及樁間土支護看作土釘墻面板、墻,通過計算,安全系數等均滿足要求。

對于H1-H1’ 支護段,由于臨近7F建筑,其基礎型式和埋深不明,但以成都的經驗,推測可能會是預應力管樁基礎[4],如采用錨索,則可能會破壞臨近建筑基礎,引起糾紛,同時受地鐵控制線影響,也不可在基坑內側施工一排樁,因此綜合考慮,擬采取利用已經施工的支護樁,增加2道內支撐,第一道位于樁頂下3.0 m,第二道距第一道4 m。利用該段處于汽車坡道位置,在坑內預留4 m寬、高2.45 m的土體,在此標高處施工第二道鋼筋混凝土支撐梁,預留土體放坡至基底,預留土體的自身穩定性采用土釘墻支護型式,經理論計算,滿足要求。

經嚴密的理論計算和精心施工,施工和使用期間監測位移均在10 mm以內,其支護效果達到了預期效果。

案例二:四川某大廈項目基坑工程,地層從上至下依次為約3 m為填土層、32 m厚砂卵石層,以下為泥巖。原基坑深度約7 m,支護樁樁徑φ1.0 m、樁長13 m,地下室由1層變更為3層,加深后基坑深度為17 m(圖3),基坑開挖后,原有支護樁不僅無嵌固段,而且將是懸掛在基坑側壁,如果將原有支護樁廢棄,將造成很大浪費,而且工期較長,經綜合考慮造價及工期要求,保留原有支護樁,并加以利用,同時新增樁錨支護體系,具體工法是:先對原有支護樁在-4.5 m處施工一道錨索;然后采用在基坑內側緊貼原有支護樁施工φ1.1 m樁,較原有支護樁直徑稍大,這樣可以使原有支護樁有較大的受壓約束面積;新樁頂設1.1 m×1.0 m冠梁,可以使原有支護樁端部附近有足夠的強度和剛度,減小兩樁搭接部位的位移量,防止原支護樁側向變形滑移破壞,保證支護結構的整體穩定性;冠梁上設1.1 m×1.1 m、長10 m方樁,新樁與原有樁搭接長度6 m,可以進一步加大受壓約束面積,增強原有支護樁的抗傾覆能力;并在新樁冠梁及其下3.5 m處各施工一道錨索,對新舊樁可以起到增加原有支護樁的抗傾覆能力,對新樁的整體穩定性、抗傾覆能力、位移控制均能起到很好的作用[1]。另一方面,為使新舊樁之間位移不致過大而影響支護體系的協調工作,在新增支護樁冠梁底以上部分對原有支護樁采用φ14 mm鋼筋進行植筋,植筋錨固長度為15d,植筋與新增支護樁冠梁及以上方樁現澆為整體,增強了支護體系的穩定性。實踐證明,該項目在基坑開挖及使用期間支護效果較好,監測位移均在預警值范圍之內。

1.2 基坑深度變淺

案例三:成華區迎暉路某基坑,場地地貌單元為岷江水系Ⅱ級階地,為膨脹性土地層,地層從上至下依次為:約5 m厚雜填土、10.5 m厚硬塑黏土(裂隙較發育、含鐵錳質結核及鈣質結核,充填有少量條帶狀灰白色黏土)、3.10 m厚可塑黏土(裂隙較發育、含鐵錳質結核及鈣質結核,充填有少量條帶狀灰白色黏土)、約5 m厚硬塑—可塑粉質黏土、泥巖?；訓|側為朗詩項目地塊,主樓18層,設2層地下室,框架結構,主樓采用筏板基礎,純地下室采用柱下獨立基礎及墻下條形基礎,基礎底面標高500.95～504.75 m;南側和西側臨市政道路,北側無建構筑物,地勢比基坑頂高2 m。原基坑設計深度22.5 m,采用內支撐支護(圖4),基坑支護結構已經完全實施完成,基坑已開挖到基底附近;基坑因故停等了4年,超過設計使用年限2年[1],由于設計變更,基底標高提高后基坑深度變為19.95 m,根據本工程最終建筑和結構施工圖,現擬建地下室3層板面標高均與原有混凝土內支撐中心線標高相距較近(地下室頂板標高507.80～510.00 m,板厚180～200 mm,第1層內支撐中心線標高507.50 m;地下室負1層標高503.25～505.40 m,板厚120～140 mm,第2層內支撐中心線標高503.45 m;地下室負2層標高498.70～499.25 m,板厚120～140 mm,第3層內支撐中心線標高498.45 m,3層支撐梁尺寸均為0.8 m×1.0 m),為保證基坑安全以及后期主體修建便利,對原基坑支護設計方案進行復核,復核后發現基坑東側ABC段(臨朗詩主樓和地下室部分)在首層支撐梁拆除后樁身懸臂長7.8～10.4 m,存在較高臨空面,加上前期該側樁身和冠梁有削弱,且處膨脹土分布地區,需進行加固,加固設計采用在負2層地下室頂板設置斜支撐[1](圖5),設置鋼支撐后方可完全拆除首層混凝土支撐梁;基坑其余三側因基坑深度減小、周邊情況相對簡單、負2層地下室回填后剩余懸臂不高,暫不考慮加固。以AB段加固設計為例,具體加固設計為:在拆除第n道支撐連系梁前,需待已施工的下層樓板和換撐混凝土板混凝土強度達到80%;最終第n道支撐梁和環梁拆除前需待已施工的下層樓板和換撐混凝土板混凝土強度達到100%;在負2層地下室頂板設置斜支撐,斜支撐設置完畢,經檢測滿足拆撐條件后,正式拆除原水平支撐前先采用繩鋸沿連系梁加腋處切割掉連系梁,待聯系梁拆除(第Ⅰ批次拆除)后,待3天監測值無異常后再進行主撐梁和環梁拆除(第Ⅱ批次拆除)。

圖4 成華區迎暉路某基坑內支撐平面布置

圖5 成華區迎暉路某基坑斜支撐加固(單位:mm)

2 水患引起原有支護結構不能滿足安全穩定性要求的加固處理

2.1 原支護結構為支護樁或樁錨支護

案例四:成都某地塊深基坑工程,地貌單元屬岷江水系Ⅲ級階地后緣,場地地層分布如下:人工填土層厚0.4～1.5 m,弱膨脹潛勢的硬塑粘土層分布層厚4.4～12.9 m,下伏強風化、中風化泥巖層 ;基坑深度約10.9 m,設計采用樁錨支護,施工樁徑φ1 200 mm,樁距2.5 m,EFG段外側約6.6m為4F建筑,淺基礎,設計采用2排錨索,JK段外側臨市政道路,施工采用1排錨索。

EFG段冠梁施工后僅開挖2 m就發現基坑水平位移變形速率超過報警值,經現場調查,發現坡頂有較多積水[5],且較難以截斷水源,施工單位馬上采取應急措施進行回填反壓,經回填反壓土體后水平位移仍然較大, 為確?；蛹爸苓吔ㄖ锇踩?對該側進行加固,加固設計在基坑轉角部位采用2層水平角撐,其余部位采用2層豎向斜支撐(圖6)。斜支撐采用φ609 mm、壁厚t=14 mm焊接鋼管,鋼管材質Q235;腰梁采用現澆鋼筋混凝土腰梁,混凝土強度等級C30;基坑內設置支撐樁,支撐樁φ1.20 m,嵌固段長度7.0 m,混凝土強度等級C30,樁間距同支撐間距,支撐(支撐樁)間距可根據實際情況進行調整,以避開主體結構,但不得大于6.0 m,支撐樁采用梅花形布置,樁頂設置聯系梁形成整體,聯系梁頂標高同基礎墊層底標高,聯系梁混凝土強度等級C30,支撐樁在基坑開挖前應完成施工;支撐施工并完成施加預應力之前應按設計要求預留反壓土體,圖6中所示預留土體為設置支撐前的臨時邊坡,邊坡形成后應以最快的速度完成支撐設置并挖除預留土體,在暫時尚不安裝支撐的地段,預留土體頂部寬度不小于6.0 m,坡率按1∶1.5～1∶2控制,并按高度3.0～3.5 m設置寬度不小于2.0 m的馬道;土方開挖與支撐設置應分段采取單向推進的方式,即完成一根支撐,挖除該支撐區域圖中所示預留土體,并將相鄰支撐區域的邊坡開挖至圖中所示預留土體坡形,嚴禁超挖;底板澆筑完成后,在支護樁與底板之間澆筑C25素混凝土,厚度不小于600 mm,混凝土強度達到設計強度的75%后,可拆除第二道支撐,負2層地下室頂板完成施工,在與頂板同標高位置澆筑厚度600 mm的素混凝土,強度達到設計值75%后可拆除第一道支撐。施工現場按照此加固設計精心施工,最終變形控制在規范允許范圍內。

圖6 EFG段豎向斜支撐加固平面及剖面

JK段采用樁錨支護,錨索為1排,但該側土方運輸車輛長期在該側洗車、碾壓,3天內變形急劇增大,造成該側樁折斷、冠梁拉斷,導致該段基坑垮塌,施工單位立即采取應急措施,對市政道路半幅封閉,回填反壓基坑,該段及臨近支護段坡頂進行卸載,并進行后續加固處理。加固設計采用豎向斜撐:因原支護樁樁端已進入中風化泥巖,能提供一定的水平反力,故對原支護樁水平反力進行一定折減后加以利用,將原有支護樁坑底以上截斷,在坑底處增設地連梁,在基坑原支護樁外側新增支護樁及豎向斜撐,利用原有支護樁坑底以下段及地連梁作為斜撐坑底支點(圖7),新增支護樁及原有支護樁之間斜支撐下部土體仍然保留,該預留土體作為反壓土體不再挖除,并采用噴射C20混凝土封閉坡體[6],防止雨水滲透。經如此加固處理,基坑得到順利實施。

圖7 JK段豎向斜支撐加固示意(單位:mm)

2.2 原支護結構為土釘墻支護

案例五:成都市新都區石板灘某基坑,地貌單元屬成都沖積平原沱江水系二級階地,場地地表地層分別為:第四系全新統填土層(Q4ml):疏松,主要成份為黏性土,偶見碎磚塊、生活垃圾,為近1年平整場地所回填,具濕陷性,厚約2 m;第四系晚更新統沖積層黏土(Q3al):可塑,由黏粒及少許粉砂粒組成,含較多褐色鐵錳質氧化物斑點或結核,在發育的裂隙中充填有灰白色、軟塑狀的黏土網脈。裂隙面較光滑,無搖震反應,干強度高,韌性高,厚約7.8 m,黏土具弱膨脹性,自由膨脹率49%,脹縮等級Ⅰ級;白堊系上統灌口組(K2g)棕紅色泥質砂巖。該基坑北側為空地,基坑設計深度6.6 m,采用二級放坡土釘墻支護,第一級放坡坡比設計坡比1∶2,施工坡比約為1∶1.5,第二級放坡設計和施工約為1∶1.5,一二級放坡之間設1.5 m寬平臺,土釘長度分別為6 m、5 m、4 m、3 m,土釘水平和豎向間距均為1.5 m,坡頂設計散水寬度5 m,實際坡頂施工散水寬度約3 m(圖8)。在一次暴雨后基坑垮塌,且坑底隆起,已施工基礎拱起破壞,塔吊倒塌。經現場調查發現,北側坡頂地表匯水面積較大,坡頂硬化寬度不足,坡頂無截水溝,地表水無法避開基坑排泄,大量地表水通過沖刷坑壁或滲入土體,由于膨脹土體裂隙發育,大量滲水沿著裂隙入滲,由于坡體泄排水不暢,原本呈軟塑狀的黏土網脈進一步延伸擴大,加劇膨脹土的變形破壞,從而導致基坑垮塌、坑底隆起變形破壞。基于基坑外側無建筑物,設計加固采用1∶2.5清除坡壁垮塌松散土體,坑底因隆起的松散土體清除厚度達0.9 m,因此基坑深度變為7.5 m,1∶2.5放坡后的坑壁掛φ8@200 mm×200 mm鋼筋網噴射100 mm厚C20混凝土,坡頂硬化寬度按8 m實施,同時在坑底采用混凝土塊反壓坡腳[7]。經加固處理后基坑方得以順利實施。

圖8 事故基坑垮塌前土釘墻施工剖立面示意

3 結論

本文針對問題深基坑的幾個加固案例闡述,剖析了成都地區基坑深度變化或基坑變形達報警值或基坑垮塌的一系列支護加固特殊案例。實踐證明，通過此類加固技術應用效果較好，監測位移均在報警值范圍之內；對節省造價，減少浪費資源、縮短工期起到了很大的作用；對防止基坑安全事故或對基坑事故采取的處理措施效果明顯；對此類工程的加固取得的成功為類似工程提供了相應的加固技術思路。同時，針對膨脹土地區基坑，由于膨脹土在滲水后膨脹變形明顯，基坑更容易垮塌，基坑頂更應嚴格控制超載，在基坑開挖影響范圍內坑頂嚴禁重車通行、洗車；在基坑設計施工過程中應對基坑開挖影響范圍內坑頂地面硬化加強，加強對基坑的防水、排水、截水，防止地表水下滲；支護結構也應且根據膨脹土分布區域的不同及周邊環境條件采取不同的支護形式并加強支護。通過研究問題深基坑的加固技術，對其研究成果應用于工程中，必將取得更重大的經濟效益和社會效益。