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深基坑工程中新技术的应用分析

287 2020-09-14 17:36:49
摘要

结合工程实例,介绍了预应力鱼腹梁式钢支撑和旋喷搅拌加劲桩在深基坑支护结构中的综合应用,并探讨了其工作机理和技术特点。工程实践结果表明,这两种较新的基坑支护锚固技术在基坑安全性、造价和方便施工等方面均有优势。

近20 年来,我国建筑基坑工程技术得到长足发展,主要体现在:

①基坑工程设计理念由单纯防止基坑发生失稳破坏,发展到更加重视基坑尤其是深基坑对周围建筑物的影响,以及更加重视基坑工程的环境保护。反映在具体设计思路上,就是基坑支护结构的设计由稳定控制为主转变为变形控制为主。

②很多新型支护结构及施工新技术得到推广和应用。我国基坑支护结构从简单的板桩支护已发展到有多种形式,既有土体加固类的重力式水泥土墙、土钉墙,也有支挡式的排桩、地下连续墙,这些支护结构的设计与施工已日趋成熟。

近年来,我国一些地区根据不同地质条件和环境条件,研究和开发了不少新的支护结构,并在工程中得到应用,较为成熟的新型支护结构有复合土钉墙、双排桩结构、型钢水泥土墙、钻孔咬合桩、钻孔后注浆连续墙以及钻孔桩、旋喷桩结合围护结构等。传统的钢筋混凝土内支撑有着施工周期长、材料不能重复利用因而不够环保、拆除困难等缺点。近年来,装配式的钢支撑,包括钢管和型钢支撑的应用逐渐增多。在此基础上,目前出现一种有很大优点的新型预应力鱼腹梁式钢支撑,其应用尚不多见。

传统的土层锚杆,有在软弱土层中锚固力不够、易受到建筑红线限制等缺点,目前斜向旋喷搅拌加劲桩技术作为一项基坑支护新技术,与传统的土层锚杆相比,克服了锚杆在砂土和软弱土层中施工困难的问题,解决了锚杆锚固力有限的问题,还可以采用筋体回收技术,使得超红线问题容易得到解决。本文对鱼腹梁式钢支撑、旋喷搅拌加劲桩的原理及其应用进行探讨。

1、预应力鱼腹梁式钢支撑、旋喷搅拌加劲桩的工作机理

1.1 预应力鱼腹梁式钢支撑的工作机理

预应力鱼腹梁式钢支撑的全称是预应力高刚度鱼腹梁工具式组合内支撑系统,简称IPS工法( innovative prestressed support system) ,是基于预应力原理,针对传统混凝土内支撑、钢支撑的不足,通过大量的工程研究和实践应用,开发出的一种新型深基坑支护内支撑结构体系,它由鱼腹梁( 高强低松弛的钢绞线作为上弦构件、H型钢作为受力梁,与长短不一的H 型钢撑梁等组成) 、对撑、角撑、立柱、横梁、拉杆、三角形节点、预压顶紧装置等标准部件组合并施加预应力,形成平面预应力支撑系统与立体结构体系,其中鱼腹梁结构如图1所示。

图1 预应力鱼腹梁结构示意

预应力鱼腹梁结构示意

与传统混凝土内支撑、钢支撑相比,极大地提高了支撑体系的整体刚度和稳定性,结合位移监测系统,可以采用控制和调整预应力张拉值的方法,有效而精确地控制基坑位移,大幅减小基坑的变形。鱼腹梁式钢支撑的工作机理是通过对鱼腹梁弦上的钢绞线施加预应力,从而对鱼腹梁支撑杆件产生一个较大的反作用力,使作用于鱼腹梁腰梁上的弯矩大大减小。由于鱼腹梁的跨度可以达到60m 以上,从而可以大大减少对撑的数量,同时也减少了立柱的数量,降低了钢支撑的材料用量。此外,支撑对基坑开挖空间的占据量也减少,方便施工,从而能缩短施工工期。

对此种支撑形式的优点可总结如下:

①鱼腹梁钢支撑的型钢构件之间全部采用螺栓连接,支撑的安装和拆除都很方便,噪声低、对环境影响较小,而且大部分型钢构件都可在拆除后重复利用,大大降低工程成本。

②装配式支撑与排桩形成共同空间受力体系,施工操作面大,便于土方开挖。

③装配式钢支撑施加预应力,有利于控制变形,而且预应力装配式支撑围护结构的破坏模式为延性破坏。因此在基坑开挖时能够确保充分的时间针对可能发生的过大土压或异常土压采取有效而及时的措施。总之,此项技术取得了深基坑支护内支撑技术的重大突破。

1. 2 旋喷搅拌加劲桩的工作机理

1) 加固原理近年来,我国软土锚固技术发展迅速,旋喷搅拌加劲桩简称加劲桩,即是其中一种新型的基坑锚固技术。斜向旋喷搅拌加劲桩是由加筋水泥土桩锚支护技术[6]发展而来的,是在地基土中经过旋喷搅拌和加筋形成的一种斜向水泥土桩。在成桩过程中对桩周土体进行切割、搅拌、渗透、挤压和置换,所形成的大直径水泥土桩体,首先可对松散软土的力学性能做出改善,使软土改变成具有较高强度的水泥土体,有效提高土体的黏聚力、内摩擦角值; 其次,大直径或者变径的水泥土桩体,因与土层接触面积较大,桩体与土层之间产生较大摩阻力,可确保支护结构锚固力达到设计要求。旋喷搅拌加劲桩可与各种围护墙体( 钻孔灌注桩、预制桩、SMW 工法桩、地下连续墙、钢板桩等) 组合,可在粉土、砂土、砂砾地层及承压水土层中使用加劲桩,解决了传统锚杆在上述土层中成孔时易塌孔、喷砂涌水的难题,因而广泛应用于建筑基护、边坡加固等领域。

2) 能有效约束基坑侧向变形通过施加预拉力,可有效控制支护结构的侧向位移。此外,加劲桩的锚固力可通过现场张拉检测确定,对每根桩体的张拉检测,可方便地检验加劲桩的施工质量,从而确保了基坑工程的安全度。

3) 代替内支撑,改善施工条件大直径的旋喷搅拌加劲桩具有很高的锚固力,在基坑围护结构中使用可代替内支撑。该种锚固形式与传统内支撑相比,不仅在造价上有较为明显的优势,而且在坑内形成无撑大空间,便于土方开挖及地下室结构施工并加快施工速度。

4) 可采用回收型加劲桩此外,锚筋可进行回收。除了节约钢材,又可以突破斜向旋喷搅拌加劲桩使用不得超过建筑红线的限制,等到施工结束以后,只要将锚筋抽出,将不产生地下障碍物。


工程实例
1
工程概况

杭政储出( 2009) 101 号地块商品住宅工程,拟建场地北侧近艮山西路,东侧为车站南路,西侧为运河东路,南侧为规划支路6 ( 已建成) 。主要建( 构) 筑物由7 幢楼组成,总建筑面积约为156 470. 25㎡。本基坑呈不规则多边形,基坑总周长约860 延m。基坑实际开挖深度为7. 20 ~ 11. 65m,靠基坑边电梯井处局部开挖深度为13. 20m。本工程周边环境较为复杂,基坑距离最近管线约7. 4m,距离基坑开挖线西南角最近约23m 有1幢4 层砖混浅基础结构房屋,距离基坑开挖线最近约30. 8m有幢11 层的高层建筑,基础形式为桩基础。


2
工程与水文地质条件

基坑影响深度范围内的地基土主要由①杂填土、②黏质粉土、③粉砂和⑥淤泥质黏土组成,具体土性参数如表1 所示。


表1 现场土体的特性参数
现场土体的特性参数

根据区域水文地质资料,浅层地下水水位年变幅为1. 0 ~ 2. 0m,多年最高地下水水位埋深0. 5 ~1. 0m。下部承压水由于埋深较大,故对本工程无影响。由于②黏质粉土和③粉砂的渗透系数较大,基坑在这类土层中开挖应设置止水帷幕。在做好止水帷幕的同时,做好基坑降排水工作,在坑外设置明排水沟并确保随时畅通,及时拦截坑外地表水以防流入坑内,坑内应采取降水措施,有效控制地下水及地表水。


3
基坑围护方案设计

由于基坑开挖较深,面积较大,且基坑开挖范围内除①杂填土以外,以②黏质粉土和③粉砂这两类透水性较强的土层为主。此外,基坑距离附近管线和建筑物较近,对变形控制要求高。根据以上特点,采用Ø850三轴水泥搅拌桩在基坑四周形成封闭的止水帷幕,坑内采用深井降水。

基坑支护形式考虑采用以下4 种方案:

1 排钻孔灌注桩+ 1 道混凝土支撑优点为变形小; 缺点为需另行施工止水帷幕,造价高、工期长。

Ø850 三轴水泥搅拌桩内插型钢+ 1 2 道预应力鱼腹梁装配式钢支撑优点为能控制变形,安全性高,施工空间大,工期短,工程造价较方案1 低,更环保经济; 缺点为工程造价较方案3 高。

Ø850 三轴水泥搅拌桩内插型钢+旋喷搅拌加劲桩优点为工程造价低、工期短,克服了土层锚杆在砂性土中无法施工的难题; 缺点为基坑变形较采用内支撑方案大。

④基坑东侧采用方案2,基坑西侧采用方案3,结合了这两种方案的优点。

因拟建工程西侧为1 层地下室,东侧为2 层地下室,如完全采用方案2,则西侧只需1 道装配式支撑,而东侧需2 道装配式支撑,使得第1 道支撑能形成封闭的整体结构,但第2 道支撑不能形成封闭的整体结构,这样上、下2 道支撑受力体系差异较大。而且根据业主要求,西侧区域主体结构先完成,如果全部采用装配式支撑,西侧主体结构必须等东侧2 层地下室完成,拆除装配式支撑后方可实施,影响西侧1 层地下室区域的工期。同时考虑到拟建工程西侧基坑开挖深度较东侧小,变形也较小,故支护方案最终采用了基坑东侧采用Ø850 三轴水泥搅拌桩内插型钢( SMW 工法桩) 结合2 道预应力鱼腹梁装配式钢支撑,基坑西侧采用850 SMW 工法桩结合旋喷搅拌加劲桩的支护体系,即方案4。围护结构第1 道支撑处平面布置如图2 所示,围护结构东侧典型剖面如图3 所示。

图2 围护结构第1 道支撑处平面布置


图3 围护结构东侧典型剖面
4
总结

1)采用预应力鱼腹梁式钢支撑,通过预应力的施加和调整,可控制支护结构的变形,确保支护结构自身以及周围建筑物、地下管线等的安全。2) 采用预应力鱼腹梁的装配式钢支撑,能大大

2)减少钢材用量,相比于传统形式的支撑,能降低支护结构工程造价。此外,支撑对基坑开挖空间的占据量也大幅减少,方便施工、缩短工期。

3)旋喷搅拌加劲桩相比于传统的土层锚杆,其锚固力大大提高,同时可以解决土层锚杆在软弱土层中的成孔困难及在砂土层施工中遇到的管涌、颈缩和渗流等问题。此外,采用锚筋可回收技术,又可以突破斜向旋喷搅拌加劲桩使用不得超过建筑红线的限制,施工结束后,只要将锚筋抽出,将不产生地下障碍物。

4)上述两种较新的支护结构锚固形式,是基坑支护技术的重要改进,如能再结合其他较新的支护工程技术,如SMW 工法桩、钻孔咬合桩等,得到进一步的推广应用,无疑对提高支护结构的安全性和降低围护工程造价有着十分重要的作用。

4.1
成槽工艺优缺点对比

1) 改进后的施工工艺成槽时间较原工艺短,成槽效率高。

2) 改进后的工艺先使用冲击钻冲击主孔,施作1. 5m 深导向孔,而后使用旋挖钻机在导向洞内向下钻进,极大地减小了偏孔概率,弥补了旋挖机在岩层中易偏孔的缺陷。

3) 将旋挖钻机的施工时间从42h 降至21h,极大地缩短了旋挖钻机的施工时间,降低了旋挖钻机噪声对周边环境的影响; 同时,多个工作面同时施工时,缩短单幅槽段旋挖钻机的成槽时间相当于提高了旋挖钻机的使用效率。

结语

1) 改进后的工艺在不增加机械设备投入的情况下,成槽周期短,施工效率高。

2) 增加导向洞施工工序,改善了旋挖钻机在岩层中易偏孔的缺陷。

3) 缩短了旋挖钻机的施工时间,降低了旋挖钻机噪声对周边环境的影响,且提高旋挖钻机的使用效率。

由此可以看出,改进后的成槽工艺具有广泛的推广应用价值。

作者:张卫,陈善民

单位:杭州市建设工程质量安全监督总站, 浙江工业大学建筑工程学院