深厚淤泥层基坑开挖动态监测与应急处理

张跃进, 曾纪文

(武汉地质勘察基础工程有限公司,湖北 武汉　430070)

0　引言

随着建筑地下空间的发展,城市深基坑开挖工程日渐剧增,同时受城市建设空间的限制,基坑周边的环境趋于复杂化,基坑紧邻周边建筑物和道路,加之地层的复杂性,从而使得基坑开挖的风险及危害性加剧。虽然设计充分考虑了基坑的安全性,但往往会因不可预见的地层变化而致使基坑在开挖过程中出现变形超出警戒值；通过先进的科学技术进行监测的数据反映了基坑的不稳定性。为确保基坑能安全顺利开挖施工到基坑底标高,就必须分析引起基坑变形加剧的实际原因而采取相应的应急处理方案,其直接影响到基坑变形稳定和周边建筑物及道路的安全。本文通过工程实例阐述基坑在超厚淤泥层变形超警戒时的应急加固方案设计与实施。

1　工程概况

拟建的武汉红星美凯龙家居广场基坑围护工程位于武汉市硚口区额头湾立交桥附近,设地下室两层,本项目基坑周长1 063 m,面积3.93万m2,规划总用地面积77 546 m2,地面设计标高为23.50 m,±0标高为绝对标高24.5 m,地下室埋深约9.8 m(包括底板厚度)。底板垫层底设计相对标高为-10.15 m,承台垫层底设计相对标高为-9.40～-13.00 m。西南角主楼部位筏板垫层底设计相对标高为-11.40 m。集水井垫层底设计相对标高为-11.35 m,消防集水井垫层底设计相对标高为-12.65 m,电梯井垫层底设计相对标高为-11.20～-12.65 m。本基坑分级放坡结合挂网喷砼,并采用搅拌桩加固坡底及坑底淤泥软塑土体的支护方式,本基坑工程安全等级:基坑北侧1-1、1′-1′、2-2剖面范围为二级,其余南侧为一级。

在勘探深度范围内,本场区地层共分16大层,而本基坑开挖深度范围内,影响基坑的主要土层为:第(1)-1层杂填土;第(1)-2层素填土;第(2)层淤泥以及第9层淤泥质粉质粘土。基坑范围内各岩土层层序、层名、岩土特征及空间分布等详见图1*中南勘察设计院(湖北)有限责任公司，武汉红星美凯龙世博家居广场勘察报告，2012。。

在实际施工中位于基坑东南角7剖面处基坑深度6 m以下实际揭露的地层为约15 m深的流塑状淤泥,且质地相当软弱,自稳性差,含水量大。

本基坑支护深度为7.8～9.15 m,分八个剖面进行支护,其中1和1′剖面采用放坡加锚杆结合挂网喷砼支护,2～6剖面采用二级放坡结合挂网喷砼支护加坑底搅拌桩加固支护形式,7剖面采用一级放坡加双排灌注桩悬臂支护,6、7剖面被动区采用密排搅拌桩加固坑底土体,电梯井坑中采用搅拌桩支护和加固。基坑水采用明排(图2)。

2　基坑施工情况及变形监测信息

本基坑除东南角7剖面为一级放坡加垂直开挖支护外,其它段面均为二级放坡支护。2012年8月开始施工放坡区域的搅拌桩,8月底开始施工7剖面钻孔支护桩,采用的是直径900 mm,桩长20.2 m旋挖灌注桩,双排桩内排桩间距1.2 m,外排2.4 m,因该区域揭露的地层主要为粉质粘土和淤泥质粘土,土质较软,局部为流塑状淤泥,造成实际施工中支护桩局部存在扩孔和缩颈现象。双排桩之间采用搅拌桩加固,内排桩10 m范围内密排搅拌桩加固被动土区域。钻孔支护桩和加固搅拌桩工作于10月中旬全部完成。该区域一级坡的支护形式为1∶1放坡挂网喷砼加三排注浆钢管,双排桩冠梁顶部标高为-5.2 m,基坑底标高为-10.2 m。

图1　钻孔地质柱状图Fig.1　Geology columnar section of drilling

图2　基坑平面图Fig.2　Planar graph of foundation pit

同年11月中旬该区域土方开始进行垂直下行开挖,12月5日土方开挖到基坑底,并进行了垫层施工。土方开挖过程中每间隔3天监测一次,基坑变形变化幅度很小,累计位移只有10～15 mm。但随着时间的推移,基坑顶部与路牙交界处出现5～20 mm的裂缝,逐渐趋于增大,基坑外10 m处的路面出现明显沉降和较大的裂缝(照片1、照片2),冠梁顶位移最大达到了50 mm(见图3-图5)。监测信息及时反馈到基坑设计单位,设计、施工、监理、建设方立即对现场进行了详细察勘和分析、讨论。考虑到该区域地层的复杂性拟定采取高压旋喷锚索对双排桩进行加固处理。

照片1　基坑顶道路边缘裂缝图Photo 1　Crack graph of foundation pit

照片2　基坑冠梁顶与一级坡地交界处裂缝图Photo 2　Crack graph of top beam and first slope juncture

3　基坑监测数据信息的分析

随着基坑开挖渐渐开挖到底,基坑范围被动土逐步卸除完毕,加之深厚淤泥层的不稳定性,基坑侧壁压差增大,造成基坑变形逐渐加剧。 依据基坑周边位移监测数据分析,整个基坑只有东南角7剖面冠梁顶设置的3个位移监测点(S3、S4、S5)的位移变化异常,且逐步超过位移警戒值。在12月5日以后,三个位移点监测的数据逐步加大,且变形幅度呈上升趋势,位移平均日变化幅度达到了5～10 mm,直至2012年12月9日开始S4点的位移就超过了警戒值,经向基坑设计院反应后,立即停止了基坑后续施工,并增大基坑监测频率和基坑周边巡查的力度。紧接着由设计、施工、监理、业主共同对现场踏勘,拟定基坑加固方案,以确保基坑安全。四方共同对该区段基坑变形异常的因素进行了分析。

图3　监测点S3位移曲线图*武汉建工股份有限公司，武汉红星美凯龙世博家居广场基坑监测报告，2013。Fig.3　Displacement curve of S3 monitoring point

图4　监测点S4位移曲线图Fig.4　Displacement curve of S4 monitoring point

图5　监测点S5位移曲线图Fig.5　Displacement curve of S5 monitoring point

3.1　地层的因素

该区域在很早以前为河塘,淤泥淤积较深,后经回填而形成现有地势地貌,当基坑开挖后内外土压力会发生变化从而导致坑外淤泥逐渐发生蠕变;通过旋挖成桩在施工中揭露的地层为坑底约4～5 m的淤泥,且基本为流塑状，稳定性极差。

3.2　基坑周边环境的影响

该区域基坑一级坡顶部为工地临时主要道路,基坑开挖后仍然有很多进出工地的重型车辆通过,对基坑顶部产生一种动载,对主动区的深厚淤泥层产生一种挤压作用,对基坑变形造成影响。

4　加固方案的实施及效果验证

4.1　该区域加固前后设计方案的对比

4.1.1基坑东南角原设计剖面图(图6)*武汉华太岩土工程有限公司，G修07(7-7剖面土锚)设计变更图纸，2012。

7剖面原设计方案上部采取一级放坡加锚管注浆结合挂网喷砼支护,下部采取双排桩悬臂垂直开挖支护;悬臂高度为5 m,基坑土方开挖后该区域桩顶位移加剧并逐步超过警戒值,基坑趋于不稳定状态。

图6　基坑7剖面原设计图Fig.6　Original design drawing of profile of No.7 foundation pit

4.1.2基坑东南角7剖面加固剖面图(图7、图8)

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

7剖面双排桩原设计计算是根据原勘察报告中所提供的c(13 kPa)、φ(8°)值进行计算的,基坑施工过程中发现该区域淤泥土质较差,经现场取样送相关实验室检测,发现其c(5 kPa)、φ(1.5°)值比勘察报告中提供的值要小很多。加固设计是通过后取土样检测的c、φ值重新计算并考虑变形扰动后确定增补锚索的拉力和长度。加固旋喷锚索大样图如图8。

图8　旋喷锚索设计大样图Fig.8　Detail drawing of anchor cable design

4.2　旋喷锚索加固的原理

基坑支护遇软土层时使用常规锚索施工,往往存在锚索抗拔力达不到设计所需值,特别是在遇淤泥等松软土质的基坑支护中抗拔力更是一个很难解决的问题。旋喷锚索是进行预成孔并将锚索送入设计要求的孔深,然后从孔底逐渐往孔口进行高压喷浆,以将锚固体直径扩大,增大锚索抗拔的摩擦接触面积,从而提高锚索的抗拔力,确保能达到设计值。

4.3　锚索施工设备选择及工艺

4.3.1设备选型

因采用搭设工作平台施工,不能承载重型设备,履带式锚杆机不能采用,为确保操作安全,成孔选择轻型设备,型号为XY-2型钻机;要进行高压旋喷注浆作业,故要配备一台90 kW的高压泵。

4.3.2成孔钻头的选型

如何将制作好的锚索顺利并完好地送至孔底,达到旋喷锚索有效地施工,就必须有一个切实有效的施工方法。通常的做法就是先进行钻孔预成孔,用普通钻孔将孔深钻进至设计孔深,然后提钻将制作好的锚索体用带高喷头的钻杆送入孔底,再实施高喷作业,或采取其他施工方法,但这些方法在施工过程中存在很多问题,譬如预钻孔发生了塌孔,锚索不能送达到设计部位,或锚索在送入途中发生缠搅,不能发挥其抗拔作用等等。如何解决这些问题,以让旋喷锚索施工能更快更完善地完成施工,就必须制作一个专用的旋喷锚索施工钻头,让钻孔与锚索体同步进行,顺利将锚索体送达设计部位。本加固工程是选用一种专用的旋喷锚索施工钻头[1],其包括钻头体,锚索端头固定体,钻头与锚索固定板单动装置,钻头与钻杆连接装置,逐个连接组装成一个完整的旋喷锚索施工钻头体。如图9，照片3-照片4。其特征是:钻头在旋转的过程中锚索端头固定板不旋转,并借助钻头推进力将锚索体顺利跟进带入。

图9　旋喷锚索钻头体示意图Fig.9　Schematic diagram of bit body of chemical churning about anchor cable1.钢板翼片；2.喷浆眼；3.推力轴承；4.钢绞线；5.中心杆；6.钢绞线挤压套；7.钢索端头固定板；8.钻杆专用接头。

照片3　旋喷锚索钻头体实物一Photo 3　Real graph of bit body of chemical churning about anchor cable

4.3.3成孔工艺

(1) 工作平台铺设:按增补锚索的标高,用钢管脚手架搭设6 m宽的工作平台,为确保安全,平台上满铺模板,作业平台边缘增设防护栏杆,脚手架底部增设扫地杆,侧壁安装剪刀撑。

(2) 钻孔预成孔:成孔钻机就位,调整好入射倾角,采用直径150 mm的三头钻进至设计深度,目的是减少锚索送入的阻力。

照片4　旋喷锚索钻头体实物二及与锚索连接实物Photo 4　Real graph of bit body of chemical churning about anchor cable and anchor connection

(3) 锚索制作及安放:锚索端部采用挤压套固定在锚拉钢板上,锚拉钢板焊接固定在一次性钻头上,然后将特制的钻杆接头插入钻头中部,同时将钻头锚索连体送入预成孔的钻孔内,通过钻机油压将锚索逐步送入至设计孔深,若遇阻力时可边旋转钻杆，边向孔内送入小压力的清水,直至锚索端部到达设计孔深(照片5)。

照片5　旋喷锚索制作Photo 5　Anchor cable making of chemical churning

(4) 清洗钻孔:采用20 MPa左右的压力向孔内高压喷射清水,将孔底的淤泥彻底冲洗干净,并再次对钻孔周边土体实施渗透环绕切割,以便浆液能充分渗透到土体中。

(5) 高压注浆:按1∶0.8～1∶1的水灰比配制浆液,同时加入适量的早强剂,采用不少于25 MPa的压力进行送浆,浆液通过钻杆体通道到达锚索钻头端部的喷嘴,喷出雾状的浆液渗透到土体中。浆液先稀后浓,边旋转边提拔钻杆,拔杆速度控制在每分钟25 cm左右;锚固段水泥用量控制在每米150 kg,自由段喷浆拔杆速度可相对加快,喷浆量保证每米100 kg即可(照片6)。

(6) 锚索腰梁施工:按照设计图纸的配筋绑扎腰梁钢筋,按图纸尺寸进行支模,锚索位于腰梁部位采用Φ75的PVC套管与砼隔离。

照片6　旋喷锚索施工Photo 6　Anchor cable construction of chemical churning

(7) 锚索张拉与锁定:在锚索注浆体龄期达到15天以上,强度达到设计值的70%后就可进行张拉锁定。张拉前必须将张拉设备送到有权威的检验机构进行标定,张拉按设计值分级进行,并间隔测量锚头位移量;张拉达到设计值后卸载,同时安装锚具夹片进行锚索锁定,锁定值按设计要求,但锁定时张拉力应增加30%的预应力损耗(照片7)。

照片7　加固锚索预应力张拉及锁定Photo 7　Prestress tensioning and locking of strenthing anchor

4.4　加固效果

该区域锚索加固实施并锁定后,通过每间隔1、3、7、15天时间的位移监测,冠梁顶部的位移区域稳定,不再继续延续扩大,路边的裂缝经水泥封闭后再无新裂缝出现。通过加固确保了基坑安全,保证了整体工期(照片8)。

5　结语

通过以上工程实例说明深基坑施工的动态监测信息反馈与分析是基坑降低安全风险的前提,依据工程实际地质及周边情况分析拟定特定的加固方案是基坑安全的有效保证,若选择的加固方案不适宜,不断会加大基坑变形,同时给基坑的安全带来更大的风险。如何优化加固方案和有效实施,必须做到设计、施工密切联系,跟踪及时反馈。监测信息的准确性和及时性及施工情况的详细记录是设计单位拟定有效加固方案的保障,而加固方案的有效实施是加固成功与否的关键。施工过程中发现地质条件及周边环境发生变化时,应及时把信息反馈给设计部门进行复核调整,当基坑监测数据反映出异常或基坑变形加剧时,应及时把信息反馈给安监、设计、甲方、监理等各部门,基坑应立即停止开挖,同时启动基坑安全应急预案,组织相关部门会审得出结论后方可进行下步工作。只有认真做好深基坑动态设计与信息化施工管理工作,同时及时对症下药拟定有效控制变形的加固方案,搞好关联工作才能确保基坑施工的绝对安全。

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

参考文献：

[1]武汉地质勘察基础工程有限公司.《旋喷锚索施工钻体》实用新型专利:中国，ZL201320787515.1[P].2014-06-11.