结合实例对搅拌桩复合土钉墙施工技术分析

钟瑞才

摘要:近年来,土钉墙基于其明显的价格优势和方便快速的施工特性,在软土地区浅基坑中的应用越来越广泛。本文结合软土地基的特点及某工程地质条件,确定了采用复合土钉墙围护的施工方案,并对其施工工艺及方法作了介绍,经基坑动态监测,取得了较好的施工效果。

关键词:工程概况;复合土钉墙;施工工艺;支护

1 工程概况分析

某工程为3 幢高层住宅楼,一字形排开,均有一层地下室,基坑开挖深度5.7m,因3 幢楼相互距离较近,采用一个长115m、宽35m的大基坑,该工程的地质条件如下。①杂填土,由杂色粘性土与煤渣、碎石和碎砖组成,厚度0.60～3.40m。②褐黄色粉质粘土,可塑～软塑,局部夹薄层粉砂,见铁锰斑点,厚度0.20～2.40m,w= 30%,γ=19kN/m3,c=20kPa,φ=15°。③灰色淤泥质粉质粘土,流塑、饱和、高压缩性,厚度3.50～5.00m,w=44%,γ=18kN/m3,c=7kPa,φ=12°。④灰色淤泥质粘土,流塑、饱和、高压缩性,厚度5.40～11.00m,w=50%,γ=17kN/m3,c=9kPa ,φ=7°。⑤灰色粘土,软塑,高、中等压缩性,厚度6.00m以上,w=35%,γ=18kN/m3,c=10kPa,φ=13°。本工程四周紧邻建筑物及道路,最近处3m左右,并有煤气、电缆等各种管线。基坑底部位于第③層土,与土钉共同受力的土体为第③、④层土。

2 支护方案

由于场地第③、④层土是高压缩性、低渗透性的淤泥质土,含水率高(w=44%～50%) ,土的粘聚力低(c=7～9kPa),垂直渗透系数小(10-7～10-8cm/s),若采用常规的土钉支护技术,必然存在下述问题:土钉与周围土体之间的界面粘结力小,抗拔力低;土钉成孔时孔壁坍塌;基坑开挖后难以自立,出现渗水、坍塌;土层与喷射混凝土面层粘结强度低,难以施工等。采用搅拌桩加土钉墙的复合土钉墙工艺,利用搅拌桩体良好的抗渗性和一定的强度,解决基坑开挖后临时无支撑条件下的自立性、隔水性,使其能立即施做喷射混凝土土钉支护,同时也避免了土钉支护无插入深度的问题。另外,改杆状土钉为管状土钉,直接击入周面带孔的钢管后压力注浆,避免了成孔时易塌孔的难题,浆液透过壁孔渗入周围土体,与周围土体粘结,固结为较为完整的整体,提高了管状土钉的抗拔力。本工程基坑开挖深度5.7m,采用直径700mm的单排搅拌桩,相互搭接100mm,桩长12m。边坡土钉上下共5排,长度依次为6m、12m、9m、9m、6m,水平、竖向间距均为1m,呈梅花形布置,倾角10°,顶部土钉距地面1.5m,土钉均采用直径48mm的钢管。施工顺序先施工两边的1号、3 号楼,待地下室施工结束后,再开挖中间的2号楼。

3 施工流程

搅拌桩施工v基坑内井点降水v开挖第一层土方v整修边坡v喷射第一层混凝土v制作、安放土钉v注浆v挂面层钢筋网v焊土钉端部加强筋v喷射第二层混凝土v养护v开挖第二层土方v重复上述流程,直到坑底。

4 软土条件下土钉墙施工要点

降水配合土方开挖与土钉支护同步进行。降水深度在基坑开挖面以下0.5m,以消除基坑底部向上的涌水并使基坑内土体的含水量疏干,减小土的流变变形。土方开挖分层、分区、分块、分段,抽槽开挖,随挖随支,各层开挖深度控制在本排土钉高度以下0.3m,严禁超挖,同一层每两个施工段之间预留平衡土体,充分利用基坑开挖的空间效应及饱和软弱地层变形的时间因素。改杆状土钉为管状土钉,并增加密度、长度,采用直径48×3.5mm的钢管,水平、竖向间距1m,顶部及底部土钉长度为1.0H,中部土钉长度1.5～2.0H,钢管前端做成封闭尖形,端部1/3长度范围内按梅花形设间距15～20cm的直径10～15mm出浆孔, 借助普通风镐振动将钢管土钉植入土层至设计长度,沿钢管全长每隔0.5～1.0m焊接环形倒刺,利用环形倒刺扩出直径约10cm的圆柱形松散土体空间,以利注浆并可增加注浆量和锚固力,环形倒刺还能增加钢管与凝固体的摩擦力。注浆质量是保证土钉抗拔力的关键。应严格控制注浆液配合比,并掺加高效减水剂、早强剂,以保证浆液的流动性并提高早期强度,使土钉早日进入工作状态。采用土钉底部注浆,将注浆管插入钢管孔内距孔底20cm左右。注浆至浆液溢出土钉钢管口时,即在钢管口设置止浆袋进行高压注浆,注浆压力0.4～0.6MPa,稳压5min后将注浆管拔出30～50cm,再高压注浆并稳压5min。在钢管端部布孔范围内重复上述步骤, 进行高压间歇性反复注浆。在布孔范围之外,边高压注浆边缓慢匀速撤出注浆导管,注浆压力保持在0.4～0.6MPa。

上述注浆工艺使浆液在一定的压力下通过钢管预留孔压入地层中,并向土体渗透、挤压和劈裂原状土,对原状土进行置换和加固,显著提高了软弱土层的综合力学性能指标,从而大大增加了土钉的抗拔力。面层钢筋网随开挖分层设置,两层之间的竖向钢筋宜采用焊接接头,土钉端部与加强钢筋、钢筋网及井字架相互焊接,以增强整体刚度。其各自位置由里向外依次为:钢筋网v水平加强筋v端头井字架垫块。焊接后立即进行喷射混凝土作业。面层混凝土强度等级不低于C20,碎石粒径不大于15mm,砂采用不大于2.5mm的中细砂,混凝土配合比为水泥∶砂∶碎石=1∶2.5∶1.5,水灰比为0.4～0.5,掺2%的早强剂。当坑壁土质较差时,应采用两次施喷工艺。土方开挖、修整边坡后先喷一层,使作业面形成一层硬壳保护层,以保证其他工序进行。坑壁土质较好时,可在挂网后一次喷射成型。喷射顺序自下而上,从开挖层底部开始向上施喷,以防止喷射混凝土自重悬吊于上层土钉而增加上一层土钉的荷载。面层混凝土终凝2h后洒水养护。下层土方在上层土钉完成注浆2d,面层喷射混凝土完成24h以后方可进行。必须设置良好的排水系统,以防地表水渗透对喷射混凝土面层产生压力,降低土体强度和土体与土钉之间的界面粘结力。基坑顶部地面应做混凝土护顶,并用水泥砂浆堵塞所有缝隙,将基坑边缘地面垫高,以防地表水注入基坑。在边坡底部,喷射混凝土面层应插入坑底下200mm。每层作业区和坑底设置排水沟和集水井,用潜水泵及时将积水排除,以免浸泡坑壁。强调动态设计和信息化施工,施工过程中要加强监测并将监测的位移、沉降等数据与设计允许值作比较,对基坑边坡的稳定性作出全面的判断,必要时还应及时修改设计或采取相应的加固措施。

5 基坑监测

为随时掌握边坡的变形和稳定状况, 以利及时进行反馈设计, 在土钉墙和基础施工中应进行全过程跟踪监测。监测的项目有边坡的水平位移、垂直沉降及周围建筑物、地下管线的沉降。沿基坑四周间距10～15m布置监测点,用精密经纬仪、收敛计监测边坡水平位移,用精密水准仪监测垂直沉降。支护施工阶段每天监测3次;完成基坑开挖,变形趋于稳定时每天监测2次;地下室基础底板施工结束后每天监测1 次,直至整个基坑回填结束为止。本工程测得边坡水平位移平均值8.8mm,最大值19mm,沉降量平均值7.8mm,最大值14mm,周围建筑物及管线平均沉降2.8mm。

6 基坑坍塌原因分析。本工程原安排先施工两边的1号、3号楼,待两楼地下室完成后再开挖2号楼。实际施工时由于工期紧,在1号楼施工至基础底板绑扎钢筋及3号楼基础底板混凝土浇筑完成后即开始开挖2号楼土方。2号楼挖第④层土时,坑壁第③层土钉以下部位发生塌方,坑边沉陷,搅拌桩折断。针对此情况立即在坑内抛填块石、粘土等, 用履带式挖掘机碾压,并对基坑侧壁进行压密注浆加固,及时排除了险情。分析事故发生的原因如下。2号楼土方提前开挖,且挖第④层土时未按每层挖深1m,每段开挖长度10m左右的要求进行,而是按1号、3号楼基坑的底标高将长30余m的基坑一次挖完,深度达2m,严重超挖。2号楼开挖前,坑边为成品钢筋堆场,根据开挖所揭示的地层情况看,堆场部位原为暗浜,由于土质差、荷载大, 堆场混凝土地坪开裂沉降, 雨水及地表水渗入使土质含水量大大增加,强度低、墙体薄的单排水泥搅拌桩在土压力和急剧上升的水压力作用下被折断,造成塌方。坑边成品钢筋堆场有部分钢筋未及时运走,增加了坡顶荷载。

7 工程造价分析

与土层锚杆及重力式水泥土搅拌桩相比,土钉墙是一种安全经济的基坑支护方案。在上海地区,开挖深度6m左右的基坑采用重力式水泥土搅拌桩平均造价700元/m2,采用搅拌桩加土钉墙平均造价500元/m2,可节约投资28.6% 以上。土层锚杆是靠其对面层的锚拉约束土体的变形,从而起稳定边坡的作用;而土钉是靠有效的密度和长度来改善土体的结构,充分利用了土体的自承能力;锚杆则相对稀疏,不能像土钉一样起改善土体结构的作用,是一种被动的支护体系。土钉墙是一种主动的加固体系。两种作用机理的不同是土钉墙比锚杆造价低的内在原因。

重力式水泥土搅拌桩是采用搅拌桩机将水泥和土强行搅拌,形成连续搭接的水泥土柱状加固体挡墙。土钉的金属钉体在空间的组合有一定的骨架作用,提高了土体的整体刚度和结构整体性。注浆的浆液使土体密实,提高了土体的剪切强度。与重力式水泥土搅拌桩相比,土钉墙施工所需的机械台班少, 由于我国人工费用相对低廉,更可降低工程造价。