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杭州地区深基坑支护技术综述

376 2022-01-04 09:42:16

一、概况

随着改革开放,经济的发展,杭州地区高层、超高层建筑在近两年得到了迅速的发展,据初步统计,目前已报建的高层建筑超过了100幢之多,建设面积达146 万 m²,占在建工程施工面积的 36%之多,一些高层、超高层建筑,如东方、凯旋门等大厦以及金隆花园、国贸中心大楼等一系列工程,目前正处在紧张的施工阶段(报建工程项目详见附录)。高层建筑的兴建和地下空间的开发利用,促进了基坑支护的发展。由于城市土地利用对提高容积率的需要,以及建筑结构和功能上的要求,地下工程已由过去的一层发展到三层,开挖深度也由过去的 4m左右发展到目前的十几米。从发展的观点来看,无论是民用建筑或者是市政交通工程,都有向地下或高空索取空间的趋势。

从杭州地区的实际情况看,深基坑支护工程具有以下四个特点∶

1.深基坑支护施工的环境条件比较差。因为高层、超高层建筑都集中在市中心闹市区及主要街道的两旁,市区的建筑密度大,人口密集,交通拥挤,施工场地狭小,束缚了深基坑支护施工的手脚。

2.地下基坑的开挖越来越深。建设单位为节约土地。要求充分利用原有基地面积,充分利用地下空间,设置人防、车库、机房及消防等设施,故地下室的深度和层数相应增加,地下基坑的开挖越来越深。

3.必须设置技术可靠可行的支护结构来确保安全。在软土地基中进行深基坑开挖,进行深基础施工,对周围环境势必会造成一定的影响,施工中既要考虑到邻近建筑物的安全。还要考虑到对周围地下的煤气、上水、下水、电讯、电缆等管线的影响,为减少对这一系列建筑物及设施的损坏性影响,必须设置技术可靠可行的支护结构来确保安全。

4.施工难度日益增大。随着竞争机制的增加,业主对造价、工程进度、工程质量的要求也越来越高,相应增加了施工的难度。

总之,深基坑支护工程现实是任务重、条件差、要求进度快、质量高、造价低,这就给工程单位带来了一个又一个新的难题。

二、环境与地质

杭州地区地处长江三角洲区域,位于钱塘江下游北岸,杭嘉湖平原的西南部.山地与平原的交接地带。除了环抱西湖明珠的西南部为低山丘陵外,杭州的北、东、南为广阔的堆积平原,是属于比较典型的软土质地区。从众多的地质钻探资料综合分析来看,杭州地区的第四纪沉积层是有沉积成因类型多、相变复杂、厚度变化大,多次堆积和侵蚀交替作用,使得地层具有相变多而复杂,垂直方向土层软硬交替、多层组合,层厚变化大的明显特征。

平原区第四纪地层,成因类型有海相、河海相、冲海相、湖沼相、河流相等多种,沉积厚度也明显受到基岩面起伏所控制。基岩埋深约为35~55m,近山前地带约为 20~30m左右,东部最大厚度超过60m。

由于历史沿革等方面的原因,杭州地区高层建筑多集中在市区老城区范围。均属于第四纪软土地区,上部表土层为工业垃圾、杂填土、素填土层(厚度约1~3rn),下卧土层主要分为二种类型∶

1.软塑至流塑状态的饱和粘性土(属湖海相淤泥质土层)。该土分层设置,厚度一般为3~5m,深的可达到10m以上。其主要特征是;含水量一般在 30%~45%,而土颗粒很细。当受到振动后,土体结构破坏,地基土的强度降低。孔隙比一般在1~1.30,压缩量很大,压缩系数在1.1~5.0MPa之间,强度低,渗透系数小,一般为1.5×10-'~2×10-'cm/s,透水性低,增加了降低地下水位的难度,地下原水位较高,常见水位在地表下1m左右,这对深基开挖带来不利影响。

2.以粉土为主的饱和粉细砂土层。该土层的主要分界线以市中心的中河路为界,往南沿伸至延安南路直到南山路山边,经北与凤起路交界处折向东北方向沿伸至东新路以东大约有 4km宽的广宽地带,均是饱和粉土和粉砂土层,厚度约在5~15m左右,含水量极为丰富,一般在35%~50%,渗透系数在1×10-3~2×10-'cm/s,透水性强,而且透水层承压水多与河湖沟通,如井点降水不当,流砂、管涌将随时可能发生,将会给深基支护的设计施工造成极大的困难。

三、杭州地区目前常用的几种支护方式

基坑的开挖。根据开挖深度不同采用放坡形式开挖,但大多数是在有支挡结构的条件下开挖。前者仅适用开挖深度较浅的基坑,而对于开挖深度大于 4m的软土地区,则需要借助支护系统下进行开挖。目前杭州地区常用的支护形式分为加固型支护和支挡型支护两大类。加固型支护主要有水泥搅拌桩支护系统、喷锚网支护系统;支挡型支护主要有桩排支护系统;、钢筋混凝土桩排支护系统、框架式桩排、带有内支撑桩排系统和地下连续墙支护系统,而这些支护系统中,往往辅以止水防渗、支撑拉锚、加固土体、降水排水、挖土卸载等一系列的技术措施组成因地制宜的每一具体工程的支护方式,以达到深基支护工程的整体最优效益。下面是几种主要支护方式(详见表1);

(一)支挡型支护

采用悬臂式支护在地下室为1~2层。实际开挖深度在 4~7m 时使用较为普遍,有钻孔灌注桩、沉管灌注桩、人工挖孔桩等多种悬臂支挡型式。桩长根据地质情况正确选用土性参数进行土压力计算后确定深入坑底深度一般应控制在不小于1.2~1.5倍的基坑深度,坑边的防水幕墙可根据渗水情况,采用水泥搅拌桩和粉喷桩止水和加固土体,深度一般不少于坑底下 3m。在坑顶处沿基坑排桩顶部设置压顶梁锁口。以加强桩排和围护结构的整体性和刚度,增加桩身的抗弯强度。

1.钻孔灌注桩支护

近年来杭州市区使用较广泛,其特点是施工时无振动,对周围邻近建筑物、道路和地下管线影响危害比较少,具有一定的优越性。但缺点是桩的施工速度较慢,且场地泥浆处理较困难,工期较长。位于市区胜利路交通厅综合大楼,挖深5.6m,就是采用4700钻孔灌注桩作支护,桩长 12m,桩后用双排水泥搅拌桩 4500形成防水幕墙和加固土体(图1)。杭州丰

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乐苑高层商住楼,挖深 5m,也是采用 4600@800钻孔灌注桩挡土支护,桩长 12m,并在桩后4800三重管高压旋喷桩止水和加固土体。此外朝晖新村省粮食局高层住宅、古荡小区多功能综合大楼、省石油大楼、市工商银行解放路支行办公楼等均属此类支护方式。

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支护排桩钻孔桩直径一般选用 4600~1000,随着桩径的增加,应用时与内支撑或拉锚结合,适用基坑开挖深度达9~10m,这种支护桩结构优点是抗弯刚度大,比较安全可靠。

2.沉管灌注桩支护

该桩桩径为 φ377和 w426 两种,适用于基坑开挖深度不超过7m,一般应用时可由几排桩前后交错组合而成。杭州市区应用较多的是设置前后二排交错排列的双排支护,中间加1~2排水泥搅拌桩(φ500~700 单头或双头型),组成比较厚实的悬臂挡土止水支护结构,其优点是造价比较经济,施工进度快。

3.挖孔灌注桩支护

桩径一般选用φ1000 以上,适用于土质较好的,无承压水的粘土、粉土地区。因是采用人工边挖边衬砌方法,所以优点是施工简便,工作面点多面广。缺点是工期较长,如遇水土流失,将会造成危害,故在深基支护中还未推广使用。

4.钢板(管)桩支护

钢板(管)桩是一种目前在上海、北京等大城市中广泛应用的基坑挡土支护结构形式,通常采用槽钢和拉森型钢板桩,常用断面形式有 U型、Z型、直腹板式H型,冷轧薄型钢和钢管。应用时,常将钢板桩与内支撑型钢(钢管)或外拉锚锭、土中锚杆结合作为支护结构。其优点是施工速度快,尺寸预制定型,可重复使用,适用于施工场地狭小,地下室为1~2层,开挖深度在8~10m 以内的较好土层地区.因此在一定条件下采用将会取得较好的经济效益。但钢板桩需定型生产,一次投资大,施工时打钢板桩对周围环境影响较大,对土的扰动大,在拔桩时如处理不好,基坑周边的土体将会产生较大的沉降和位移,严重时将影响四周房屋、管线的安全,甚至会造成拔不出陷入的状况,另外,钢板桩多次使用也会造成锁口变形,直接影响桩的止水功能。

(二)内支撑支护

随着地下室层数的增加,基坑开挖越来越深,作为挡土结构所承受的侧向压力将逐步增加,悬臂式支护和自立式挡土已不能满足要求,为了减少变形,保证支护结构强度安全,就必

须对挡土结构施加拉锚或支撑,如场地限制。无法拉锚,采用设置同内支撑的组合支护系统,是比较安全可靠的。实践证明,特别是对那些开挖深(地下二层以上)、跨度大、邻近建筑物密集的深基坑,确保建筑物和管线的安全,这是行之有效的、可靠的防护措施。支撑系统是基坑支护很重要的一环,支撑的方式很多,有对撑和斜撑方式,有钢支撑和钢筋混凝土支撑。钢支撑安装方便,速度快,并可施加预应力,而钢筋混凝土支撑可与围檩浇捣一起形成,是一个刚度很大的支撑系统,对减少支护结构的水平位移十分有利。

目前杭州地区采用的内支撑主要有以下几种∶(1)钻孔灌注桩排桩加钢筋混凝土内支撑。(2)沉管灌注桩加钢筋混凝土内支撑。(3)悬臂板桩加钢筋混凝土内支撑。(4)地下连续墙加钢筋混凝土内支撑。(5)各类悬臂桩型加钢管内支撑。

无论采用何种支护结构,除了基坑开挖深度在 4m以内之外,对支护结构的强度、嵌入深度、支撑受力及构造都必须进行设计和详细计算,一定要做到结构可靠,经济合理,确保安全。

挡土墙的土压力计算,通常采用朗肯土压力理论计算;特别是主动土压力部分,其计算值与工程的实测数据较为接近,通过实测数据表明,经过井点降水,土体固结,其内摩擦角 φ和内聚力c值均有提高,对桩板墙的主动土压力将减少。因此在土压力计算时,对c、φ值的取值十分重要,不能生搬硬套,特别在井点降水和地面有可靠防渗排水措施的条件下,可将φ和c值略为提高,许多工程实践表明,采用了提高的φ和c值设计计算的板桩墙及其支护结构是安全可靠的。

1.水平内支撑

新华联商厦,位干庆春路与中河路叉口东北角,主楼 18层。框剪结构地下室两层,开挖深度9.55m,基坑呈不规则多边形,面积5500m²。长边为96m,基坑围护采用单排800@1000钻孔灌注桩,桩长 18~19m,桩后布置 φ500 高压旋喷桩止水固土并深入坑底3m,在标高-3.6m 处,采用一道水平混凝土十字型布置内支撑,支撑间隔为10m×10m,支撑截面700mm×700mm,基坑内外布置井点降水,以防 止流砂、涌砂现象,坑外井点顶标高为一3.2m,坑内二级井点顶标高-7m。实践证明。在粉土地区建造深基础。在保证围护结构受力安全的条件下。防水涌土、流砂。是围护施工的主要环节。因此,围护体系中钻孔桩、支撑和高压旋喷桩是不可分割的整体,而围护结构支撑的位置及布置形式是提高基坑开挖施工速度的关键,根据杭州地区成功的经验,10m 间距的支撑下土体开挖较为便利,设置单道支撑比设置双道支撑可以省去二道支撑的浇捣及养护时间,大大提高施工速度(见图 2)。

2.斜内支撑

杭州娃哈哈美食城位于庆春路与中山中路交界处,建筑面积 25000m2,由主体和球体建筑组成,地下室两层,基坑开挖深度9.55m,平面成不规则矩形,长×宽=67m×60.5m,基坑支护采用钻孔桩加两道不同型式的斜内支撑的施工方案,支护桩为 φ1000@1300.桩长18m,桩间止水采用压力注浆,注浆深度 13.4m,第一道支撑与桩顶帽梁相结合,标高-2.6m,截面1200mmn×1000mm,因受力较小,在四边大角处设置桁架式斜角撑,使中间留出空间,便于挖土。主支撑断面 800mm×800mm,混凝土 C30,第二道支撑中心标高设

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在-6.6m处.因受力较大,且整个基坑形状不规则。为充分发挥混凝土抗压能力强的优热. 采用圆环梁支撑形式,由内、外环梁和支撑杆组成,连成一体共同作用。外环梁直径62.8m,与围护桩四边相切,截面1200mm×1000mm,C30混凝土,内环梁直径 49m,截面1000mm×1000mm,C30混凝土,内外环梁均支撑在 12根支撑桩上,支撑桩上即采用 500mm×500mm 角钢格构柱,下部为帆800 钻孔灌注桩,格构柱插入钻孔桩 2m.放射形支撑杆间隔 15°,共 24 根,截面 600mm×600mm.C30混凝土。这些支撑杆对坑壁围护桩提供支撑水平力,形成可靠的支护体系,充分发挥了钢筋混凝土圆环的优势,对各支撑内力进行调整,使整个围护体系受力均匀合理,即安全可靠,又方便土方和浇捣混凝土的施工。

(三)加固型支护

1.水泥搅拌桩自立式挡土支护结构

它是由数排水泥搅拌桩排列在一起互相搭接,重叠而成,并具有较大厚度的重力式挡土墙。挡档土墙的宽度和插入深度,应根据地质资料,通过计算基坑侧壁土压力作用下保持平衡.并应满足抗倾覆、抗隆起、抗滑移和基坑整体稳定性而确定。水泥搅拌桩用作挡土结构,由于其施工噪声低、振动小和无污染,对环境影响小,且造价低,一般可不用内支撑等优点,所以它的应用得以较快发展。搅拌桩挡土墙其桩的排列,通常 3~4 排以下做成实心墙体,而多排排列,通常可做成格构式(图 3),以节约水泥。为了克服搅拌桩抗弯刚度小的弱点,有些工程在搅拌桩内插入竹筋和钢筋,以提高桩体的抗弯抗剪性能和整体刚度。水泥搅拌桩的水泥掺量一般为13%~15%,适用于开挖深度在 4~6m 单层地下室的基坑。水泥搅拌桩应用于基坑支护,另一作用是可作为止水帷幕和土体加固,采用搅拌桩作重力式挡土墙支护技术。如对天工艺苑商业中心的复建,中山花园涉外高层住宅楼和金都花园蝶式高层住宅楼群建设中,都得到了成功的运用。

2.高压旋喷桩支护

把需要支护的基坑侧壁土体采用高压旋喷工艺,将水泥浆、化学浆液与土体混合形成柱列式加固体,连成帷幕。作挡十结构。用于基坑支护。它还可作为止水帷幕使用于基坑的防渗和加固。如单独作为支护体,与水泥搅拌桩一样,为自立式挡墙,它具有施工方便、灵活

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的特点,目前技术发展较快,其喷射机具从单管已发展到三重管设备,在喷射注浆工艺上,目前发展了一种单管双液分喷法。高压旋喷桩的缺点是造价较高,至今还没有统一的技术规范,施工质量难以控制,所以独立作为基坑支护结构方面使用很少,杭州地区主要作止水帷幕使用较多。

(四)地下连续墙支护

在市区的一些深基础施工中,往往因开挖比较深(地下室三层以上深度超过 10m 以上的).而四周场地狭小。地下室基础边线离开建筑红线间距很小。有的深基础紧靠周围的房屋和市政设施,如采用其他支护桩布置,往往要超出建筑红线,无法实施。因此近年来本市一些超高层的深基工程中,采用了地下连续墙作支护的方式,如浙江日报大楼和省证券交易大楼(28 层)的深基施工,就是采用地下连续墙作围护的成功实例。地下连续墙集挡土、截水、防渗和承力于一体,是一种很有前途的基坑支护方式。由于其具有对周围环境影响小,对各种土质适应性强,墙体长度和深度可任意调整,特别是特大基坑,深度超过 10m,地下室超过三层的深基础工程,采用地下连续墙作为支护结构,其结构的合理性和经济性就能比较充分地体现出来。但地下连续墙施工需专用机具设备,机械化程度高,造价也比较贵,所以杭州地区除少数工程外,迄今还没有得到推广和应用。如果在支护结构设计中将地下连续墙作为地下室结构的外墙相结合,则可大大降低工程造价,如在施工中结合采用逆作法施工,还可缩短工期。

(五)喷锚网支护

喷锚网支护是喷射混凝土、锚杆、钢筋网联合支护的简称。作为一种先进的支护(加固)技术,在高边坡和大跨度地下工程中,特别是在不良地质条件下,通过喷锚网作用,形成喷射混凝土、锚杆(索)、钢筋网与土体共同作用的主动支护体系,最大限度地利用边壁土体的自承能力,变土体荷载成为支护结构物的一部分,这是一种新型的支护作用机理取代了传统的桩、板、墙、撑或桩锚、板锚、墙锚、撑锚的支护方法。

喷锚网支护在受力和结构上,具有以下特点∶

(1)喷锚网结构与土体紧紧结合在一起,相互作用,形成了喷锚网复合体,是一种主动受

力体系。它使被加固的土体整体化和结构化,显著地提高了被加固土体的稳定性和承载能力。

(2)喷锚网支护是分布式多点铰接连续板结构。喷层具有足够的柔性,允许土体有一定量的变形和位移。各节点受力可自行调节,从而重新调整结构受力状态,使结构受力处于最佳(应力分布均匀)状态,局部不会产生偶然过载。

3)喷锚网结构联合作用,侧压力通过结构传递回稳定土层,将原产生的土体一部分变成支护结构,充分利用和加强土体自身的承载能力。

(4)喷射混凝土与土表面之间在高速喷射作用下产生嵌固效应,提高了喷射混凝土与土体表面的粘结力。能对各种土质表面均有良好的适应能力,可防止雨水冲刷产生滑塌。

(5)基坑随挖随支护,快速作业,及时支护是喷锚网支护技术的显著特点,及时支护保证了开挖临空面后土体尽可能不出现卸荷应力重分布,不会产生微剪切滑移,不改变土体原位结构。

(6)具有很大的灵活性和可调性。根据地质情况的变化及监测结果,可随时调整支护参数,对软弱地质层进行补强,从而达到最佳支护。

(7)随基坑开挖逐次分层施工,不需单独占用场地,不占和少占单独作业时间,施工效率高,一旦开挖完成,喷锚网结构也就建好,特别是对于施工场地狭小,堆放材料困难,有相邻建筑物,优越性就更明显。

(8)施工噪声低,振动小,无污染。

(9)成本费用比传统支护方法明显降低。