方山耀,黄 丽,李鹏程
(武汉地质工程勘察院,湖北武汉 430051)
土钉墙支护一般适用于地下水位以上或进行人工降水后的可塑、硬塑或坚硬的黏性土,在填土、松散砂土、软塑或流塑土、软土中的应用存在一定的困难,与止水帷幕的配合使用时,扩大了土钉墙支护的使用范围。与其他支护方法比较,其支护安全系数高,施工文明,受到社会的广泛关注,在城市中的应用将会越来越广。同时,由于各地区地质条件差异较大,土钉支护施工工艺各有不同,这就要求在具体施工时,特别是在复杂周边环境和场地情况下,灵活运用土钉支护技术,扩大其使用范围,并不断对土钉支护技术加以改进和创新,从而使其设计机理和施工工艺更趋完善。
深圳世界大学生运动会体育中心位于深圳市龙岗区奥体新城。体育中心由主体育场、热身赛场、体育馆、游泳馆及设备房、地下停车场、人工湖、中水收集池等构筑物组成,总用地面积0.520 45 km2,建筑正负零标高为50.40 m,基坑工程的主要参数如下:
场地地面局部整平标高48.80 m(-1.60 m)。环境高程为 55.40 m(5.00 m),底板标高 =49.30 m(-1.10 m)、45.90 m(-4.50 m)、43.10 m(-7.30 m)、41.90 m(-8.50 m);底板底标高(含垫层)=48.80 m(-1.60 m)、45.10 m(-5.30 m)、42.30 m(-8.10 m)、41.20 m(-9.20 m);承台底标高 41.50 m(-8.90 m);基坑支护设计至底板底:深度3.70 ~7.30 m,即45.10 m(-5.30 m)、42.30 m(-8.10 m)、41.50 m(-8.90 m)、41.20 m(-9.20 m)。基坑最大开挖深度14.20m。
基坑面积 18 722.725 m2,基坑周长 638.536 m。
拟建场地位于龙岗中心城黄阁路以西,龙翔大道以北,如意路以南。属于低丘陵地貌单元,地势开阔而略有起伏。
场区范围内出露地层主要为石炭系测水组(C1c)碎屑岩系(主要岩性为泥质粉砂岩或钙质砂岩)及石炭系石磴子组(C1s)灰岩等,松散层则以耕植层(Qpd)、第四系冲洪积层(Qal+pl)、第四系坡积层(Qdl)及第四系残积层(Qel)和第四系人工填土层(Qml)为主。现从上至下按场区分述如下:
①素填土(Qml):场地东南部主要由碎块石混少量瓦砾、砖头等建筑垃圾回填而成,局部含生活垃圾,西北部主要由坡残积的含砂粘性土回填而成,局部夹少量碎块石,碎块石的成分为开山挖方的中—微风化泥质粉砂岩。色杂,稍湿,未经处理,呈松散状态。层底标高42.66 ~49.87 m。
②含砂粘性土(Qal+pl):灰黄、灰褐、褐红、褐黄色,含砂量20%左右。湿,呈软—可塑状态。该层顶部相变为含粘性土粉细砂,灰黄色,稍湿,呈松散状态,该层层厚1.30 ~7.50 m,平均3.85 m,层顶标高43.59 ~49.26 m,层底标高38.66 ~46.86 m,平均42.34 m。
③含粘性土细砂(Qal+pl):局部为含粘性土中粗砂。灰黄、灰白色为主,个别地段因含有机质成分呈现灰黑、灰褐色,湿—饱和,以松散状态为主,局部稍密—中密。该层层厚0.70 ~8.30 m,平均3.55 m,层顶埋深0.00 ~6.80 m,层顶标高 42.48 ~47.41 m,层底埋深 2.20 ~11.90 m,层底标高35.91 ~44.42 m,平均41.57 m。
④ 含砾粉质粘土(Qdl):褐红、褐黄色,不均匀,含砂砾,砂砾的成分为强—中风化状的泥质粉砂岩,其次为石英砂。稍湿—湿,可塑—硬塑状态。层厚1.90~7.50 m,层顶埋深0.30 ~3.60 m,层顶标高45.30 ~49.87 m。
⑤ 粉质粘土(Qel):褐红、褐黄、棕褐、灰白色,由石炭系测水组泥质粉砂岩等风化残积而成,原岩结构可以辨认,稍湿—湿,呈可—硬塑状态,底部靠近微风化灰岩面由于地下水的作用大多呈软—可塑状。该层干强度较高,韧性较高,粘性强。由于原岩矿物成分不同造成风化不均匀,大多夹块状强风化泥质粉砂岩,局部夹中风化泥质粉砂岩,个别地段夹薄层微风化灰岩 (探头石)。该层层厚0.60~57.60 m,场地东南部原冲沟地段厚度一般为5~10 m之间,西北部原残丘地段厚度变化较大,一般在7~25 m之间,59号钻孔地段>57.6 m。层顶埋深0.20 ~11.90 m,层顶标高35.91 ~49.01 m。
场地下伏基岩为石炭系下统测水组粉砂岩、泥质粉砂岩、炭质泥页岩等以及石磴子组灰岩。测水组碎屑岩按其风化程度可分为强、中、微三个风化带,灰岩只有微风化。
孔隙潜水主要赋存于第四系人工填土层中,其次赋存于冲洪积层、坡积层、残积层、全风化及土状强风化中。基岩裂隙水赋存于块状强风化、中、微风化泥质粉砂岩基岩裂隙中。岩溶水赋存于溶蚀裂隙及溶洞、土洞中。
场地人工填土层为中等透水性地层,灰岩岩溶裂隙及中、微风化岩裂隙发育且连通性较好时为强透水性地层,场地其余均为弱透水地层。勘察期间测得第四系地下水位埋深为0.0 ~3.20 m,平均0.5 m,标高介于44.94 ~53.17 m,平均46.93 m。2号钻孔岩溶裂隙水水头高出地面2 m,标高为52.17 m,钻孔涌水量43.2 m3/d。
基坑位于场区的西北部,临近大运路和龙兴路,建筑场地环境空旷,周边无地下管线。
根据岩土工程勘察报告、《深圳地区建筑深基坑支护技术规范》(SGJ05—96)[1]以及有关工程经验,基坑支护设计有关参数取值见表1。其中填土层为经强夯处理后强度指标。
本场地周边无建筑,临时荷载取15 kPa,作用于自然地面。
由于基坑周边整平高程、可利用边宽、周边地层埋藏深度都有较大的差异,为节省投资及尽可能准确设计,将游泳馆地下室基坑边坡划分为10个计算剖面。
本基坑开挖深度大,高差达13.90 m,基坑壁和底部有含水的流砂层,局部含有淤泥。
对基坑有影响的主要是上层滞水、潜水和岩溶水。
填土中上层滞水量小,可采取明沟集水井排水,放坡开挖施工时采取分段开挖引流措施,一般能保证开挖顺利。
潜水一般分布在土、砂层中,由于渗流易引起流砂,故采取水泥搅拌桩隔渗,少量基坑内的潜水在放坡开挖施工时,采取分段开挖引流措施,一般能保证开挖顺利。
本场区岩溶发育,地下水丰富,水位高,对基坑影响大。承压水头高出基坑底最大有10余米。存在基坑局部涌水的危险。
表1 基坑支护设计参数Table 1 Design parameters of foundation pit support
图1 基坑支护平面图Fig.1 Planar graph of foundation pit support
根据上述条件,笔者拟定了多种方案进行分析比较,以期找出最佳的技术和经济结合点。采取水泥土搅拌桩复合土钉墙支护技术,使减压井降低地下水水头。
在基坑底部、顶部设排水沟,采取明排的方式,将基坑内积水排出坑外,减少大气降雨流到基坑。具体设计如下:
(1)坡面导水管 支护结构坡面设置导水管,以便引排坡体中的地下水,降低因降雨引起的地下水水位升高,从而避免支护坡体水压力过大而影响支护结构安全。导水管水平向间距3 m,垂直坡面间距2 m,呈梅花形设置。
(2)水泥土搅拌桩 单排布置,复喷复搅,桩径0.55 m,桩距0.4 m,相互咬合150 mm,水泥为 P0.32.5,水灰比 0.45 ~0.55,喷浆压力≥1.0 MPa,水泥土强度≥1.0 MPa,水泥掺入量为75 kg/m,掺入比约为17%左右,桩长应嵌入第④或第⑤层不透水层1.5 m,桩顶低于自然地面时先开挖桩顶土方,后施工搅拌桩。
(3)减压井 减压井共布置10口,在南北两侧各布置5口井,沿基坑底边线布置,距基坑底边线0.3 m,平面位置分别在南侧H点东7 m、西3 m、西13 m、西23 m、西33 m;北侧E点东7 m、西3 m、西13 m、西23 m、西33 m。
(4)排水沟 坡顶、坡脚均设置一圈排水沟,尺寸为:300×300×300(顶宽×底宽×高,单位mm),坡脚排水沟汇集支护面排出的水及坑底积水,坡顶排水沟拦截坡顶雨水,并用于接受坑底抽水。排水沟主要以明沟形式排泄,基坑顶四周排水沟范围以内采用挂网喷砼与坡面喷砼连成一体,以防地表水渗入。排水沟采用砖砌构造,沟底铺5~8 cm厚砂浆找平后砌筑,沿排水流向,沟底水力坡降0.1% ~0.5%。
(5)集水井 基坑底部和顶部设一定数量的集水井(具体数量和位置根据现场实际情况确定)以汇集坑顶坑底排水沟滞水,尺寸800×800×1 000。集水井采用砖砌构造,砂浆抹面。基坑底部集水井用于抽水,顶部集水井兼作冲刷坑使用。
(6)基坑积水的抽排 汇集于集水井的积水通过水泵向坑顶抽排,每个集水井中设置污水泵1台,要求泵口径 >0.067 m,扬程 >15 m。
游泳馆基坑分10个计算剖面,详见图1,支护设计采用《理正岩土计算》软件5.11版。有搅拌桩地段均采取先开挖后施工搅拌桩。
(1)B2-B3-C1-C、B2-C剖面土钉墙加放坡开挖B2-B3-C1-C、B2-C剖面段建筑设计为二阶,坡高7.30 m,坡顶平均荷载设计值为15 kPa。坑壁为砂土,分二阶开挖,第一阶 B2-B3-C1-C段,坡高3.70 m,重直开挖,采用单排水泥搅拌桩加土钉支护,搅拌桩长8.3 m,桩芯插入长5.5 m的48钢管,加3排长5 m的压浆钢花管型土钉支护,土钉与水平面夹角10°,横间距1.2 m,纵向间距1.0 m。平台宽13.20 m;第二阶坡高3.60 m,B2-C段坡率1∶0.5,坡面采用3排长4 m的土钉挂网护面,土钉与水平面夹角15°,横间距1.2 m,纵向间距1.0 m。
(2)C-D、E-E1-F段剖面复合土钉墙支护 C-D、E-E1-F剖面段设计为二阶,坡高7.3 m,坡顶平均荷载设计值为15 kPa。第一阶坡高2.60 m,采取放坡开挖,坡率1∶1;第二阶坡高4.7 m,坑壁为砂土,垂直支护,桩顶平台宽1.0 m,采用单排水泥搅拌桩加土钉支护,搅拌桩长6.5 m,桩芯插入长5.5 m的48钢管,设置4排长7 m的压浆钢花管型土钉,土钉与水平面夹角10°,纵横间距1.2 m。
(3)G1-H-H1剖面复合土钉墙支护加放坡 G1-HH1剖面段坡高7.3 m,坡顶平均荷载设计值为15 kPa。采用水泥搅拌桩复合土钉墙支护,二阶放坡,第一阶桩顶2.0 m放坡开挖,坡率1∶1.0,坡面采用非注浆土钉挂网护面,桩顶平台宽1.0 m;第二阶坡高5.3 m,垂直开挖,采用单排水泥搅拌桩加土钉支护,搅拌桩长7.0 m,桩芯插入长6.0 m48钢管。4排长7 m的压浆钢花管型土钉,土钉与水平面夹角10°,纵横间距1.2 m。
图2 典型地段剖面图Fig.2 Profile of typical area
(1)喷锚支护施工步骤:基坑开挖—削坡—喷底层砼—土钉孔定位、成孔—安放土钉杆体—灌浆—吹洗坡面—编网—喷表层砼—砼养护。
(2)严格分层开挖,不可超挖和欠挖。开挖削坡后立即喷底层砼,每开挖一层施工一排土钉,分层开挖高度详见图2。
(3)喷锚支护应分段施工,每段施工长度≤20 m,并采用间隔跳槽施工。
(4)基坑喷锚支护面板厚度为100 mm,土方开挖并修整坡面后立即喷射第一层砼厚30 mm,挂网后再喷射砼厚70 mm。土钉墙面层砼强度等级为C20,砼重量配比拟采用:水泥∶砂子∶砾石 =1∶2∶2.5(通过配比试验确定实际配比),水泥用P0.32.5普通硅酸盐水泥。
(5)钢筋网片可用焊接或绑扎,网格允许误差为±10 mm,钢筋网铺设时每边搭接长度不少于200 mm,若焊接则不少于网筋直径的10 d。
(6)压浆钢花管型土钉,与水平夹角10°,采用钢花管材料Q235,直径48 mm,壁厚3.25 mm,间隔0.5 m设一道喷浆孔,孔口焊接角钢保护,角钢与锚管呈15°夹角、倒刺形,角钢采用 Q235,L40,壁厚2.5 mm,长80 mm,头部与加强钢筋216横向焊牢。为增强面层与土钉、锚杆的连接,设置2根长400 mm16钢筋两边焊牢,土钉外露≥80 mm,按间距1 200(横向)mm×1 200(纵向)mm密度设置。网筋采用6钢筋,间距为200×200。土钉灌浆材料采用纯水泥浆,水灰比0.4~0.5,灌浆为压力注浆,注浆体应饱满密实。
(7)钻机成孔钢筋注浆全粘结型土钉。孔径100 mm,与水平夹角15°,植入 HRP335级25钢筋,头部与纵横加强钢筋116焊牢。加强筋与土钉的连接应采用“L”形羊角筋加强,一边焊接在杆芯上,另一边焊接在加强筋上,每个节点纵横各二个。
(8)放坡段按设计坡率放坡后,采用8#钢丝,间距200 mm×200 mm,加强筋12,纵向间距1 200 mm×1 200 mm,土钉长1 000 mm,为非注浆型土钉,垂直地面打入,顶部与加强筋焊接,喷砼50 mm。
本基坑工程已竣工2年多,基坑边坡位移得到有效的控制,基坑开挖运行全程进行了变形监测,至全部回填,最大水平位移48.6 mm,最大累积沉降50.4 mm。复合土钉墙在止水方面也有较好效果,在基坑开挖至坑底标高的过程中未出现漏渗水现象。此工法比桩锚支护或桩撑支护节省了50%以上的费用,取得了较好的经济效果,质量得到了保障。对于坑壁存在流砂或淤泥的情况下,基坑支护形式可采用复合土钉墙,它能有效地减少搅拌桩墙体的宽度,仅双排搅拌桩就能有效地止水止淤,在搅拌桩中插筋能有效地增加桩体的抗弯及抗剪能力,弥补土钉墙围护在侧向抗弯及抗剪能力中的不足,并产生较好的经济效益。对于有一定覆盖层的承压水可以采取减压井降低水头即可。此工程实例为类似基坑围护施工提供了借鉴。
[1] SGJ05-96,深圳地区建筑深基坑支护技术规范[S].