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严寒地区超长深基坑支护的设计施工一体化

396 2021-02-23 08:52:27


摘要:结合本溪市威宁大街地下管廊工程狭长形基坑施工的实际,对其所在土层、周围环境、基坑特点及开挖条件进行分析,通过基坑支护设计、施工方案的比选,决定采用钢管桩加预应力锚索支护体系设计施工一体化的方式,并对钢管桩水平及基坑坡顶竖向位移进行监测。应用实践表明,该基坑支护体系安全、经济、施工速度快,值得推广应用。

关键词:严寒地区;地下综合管廊;超长深基坑;设计施工一体化;变形监控

本溪市威宁大街地下综合管廊基坑工程是地下综合管廊施工的基础,该管廊基坑开挖最长设计里程为K0+800~K2+800。基坑标准深7.10~8.15 m,底宽约12.0 m,局部加深至12.4~15.0 m。该基坑具有超长、较深及紧邻城市交通干线的特点,且在经历冬季严寒的条件下,因此应加强设计施工一体化协调,并应对特殊环境、重点工况、关键工序、施工部位等情况重点控制。

1、工程概况

1.1、工程项目概述

辽宁省本溪市威宁大街地下综合管廊EPC工程,范围自沈本产业大道至太子河梁家大桥,建设总长度约6.07 km(图1)。管廊标准段采用平行三仓布置形式,左侧为电力仓、中间为综合仓、右侧为燃气仓。电力仓净高3.55 m,净宽1.80 m;综合仓净高3.55 m,净宽4.30 m;燃气仓净高3.55 m,净宽1.60 m。

图1 综合管廊布置示意

本工程基坑有开挖较深、一次开挖长的特点,且基坑两侧深度范围内有杂填土、碎石等,需要基坑支护处理。基坑一侧紧邻威宁大街道路,车流量较多且基坑开挖工期紧,拟于农田一侧采用放坡开挖,紧邻道路一侧则采用钻孔灌注桩(倒虹段)加锚索、钢管桩加锚索支护2种不同方案。

1.2、特殊环境特点

本工程敷设于威宁大街道路北侧宽10 m绿地控制线范围内,且在已建道路红线边,靠近管廊侧已敷设1根φ0.6~1.0 m的雨水管线,管位位于机动车道边线外侧仅2 m左右,管廊施工范围内主要为农田耕地,且局部路段跨越鱼塘和房屋。管廊地下由杂填土、卵石、强风化砂岩、中风化砂岩等多种类型岩土构成地层,其中在中风化石灰岩中存在大量的发育完全的串珠、葫芦状溶洞,钻孔见洞率83.8%,地质情况较为复杂多变。

工程所在区地处中纬度,属中温带,冬季寒冷期长,最低温度可达-30 ℃。夏季降水集中,湿度较大,地下水类型为孔隙潜水,主要赋存于杂填土及卵石层中,地下水主要补给来源为太子河流域侧向渗流及大气降水,水位埋深4.0~6.7 m,且对混凝土结构具有微腐蚀性,严峻的气温及复杂的地质给冬季施工及基坑降水带来一定的难度。

2、基坑支护设计

2.1、超长基坑(2 000 m)支护设计考虑因素

因管廊施工开挖工期紧、任务重、现场条件有限等难点,故本工程一次开挖段最长达2 000 m,并以此作为一个施工段。

2.1.1 地质条件变化的影响

当基坑为超长基坑时,工程沿线地质情况往往变化较大,通常将分为多种类别。以本工程为例,基坑下地质情况分为以下几大类:石灰岩溶洞区、页岩区、卵石层区、砂土层区、黏土层区、淤泥质土层区(原河道或水塘处)等。因此在进行超长基坑设计时,应根据不同地质情况对基坑支护方案进行分类,采用不同的支护形式及地基处理方案以满足基坑安全性需要。

本工程对溶洞区采取填充处理,对淤泥质土层区则采用换填及压密注浆加固等来改善基坑底部的土层性质。

2.1.2 周边环境的影响

超长基坑周边环境变化较大,沿线存在既有建筑物、已建市政雨水管线、暖棚、农田、已建道路、高压铁塔等。基坑设计时应根据周边环境变化采取不同的支护措施。

本工程中针对高压铁塔、雨水管线等保护性建(构)筑物,分别采取钢管桩支护、钻孔灌注桩支护等刚度较强的支护形式以减小施工期间的变形;对周边环境为农田、暖棚等则采取放坡开挖的施工方案。根据周边环境的不同,工程设计时也应针对各种保护建(构)筑物设置不同的监测方案。

2.1.3 基坑深度的影响

超长基坑的开挖深度一般会有较多变化。本工程中常规基坑深度约7.2 m,倒虹段处基坑深度将加深2~3 m,因此超长基坑设计时应根据基坑深度变化选择不同种类的支护形式。

2.1.4 形状变化的影响

超长基坑另一个经常遇到的问题是基坑形状随着结构变化而改变,因此在基坑支护设计中应充分考虑基坑形状、宽度等的变化,采取不同的支护、支撑形式以满足基坑安全性要求[1-4]

2.2、考虑施工过程的设计方案优化

根据地质条件、周边环境及本工程的实际情况,从施工工艺、工程安全、经济性及当地的施工经验角度出发,基坑支护可采用钻孔灌注桩及钢管桩2种方案进行比选。

2.2.1 钢管桩设计优化

结合基坑周边地质状况,靠近威宁大街道路侧的基坑采用当地常用的φ159 mm(壁厚6 mm)@400 mm钢管桩结合锚索支护;另一侧较为空旷,采用放坡开挖+喷射混凝土护坡(图2)。

图2 钢管桩支护断面

钢管桩桩径小,施工灵活,根据现场施工试验反馈,钢管桩施工较为顺利。

2.2.2 钻孔灌注桩设计优化

基坑靠近威宁大街道路侧的既有道路、高压铁塔、雨水管线时,采用φ800 mm@1 400 mm钻孔灌注桩结合锚索支护进行保护;另一侧较为空旷,采用放坡开挖加挂网喷射混凝土护坡。根据现场施工试验反馈,由于卵石层内存在较大块径石块,故钻孔桩实施较为困难。

2.2.3 方案比选优化

2种支护方案的比选情况如表1所示。

表1 支护方案比选


综上所述,基坑标准段支护采用钢管桩加锚索,当基坑周边环境变化或者基坑深度变化时,存在钢管桩与钻孔灌注桩支护变化交界面(图3),而位于倒虹段、邻近高压铁塔或雨水管线的基坑则采用钻孔灌注桩加锚索施工。

图3 钢管桩与钻孔桩交界面支护平面

支护结构过渡段钻孔灌注桩应向钢管桩段多打1~2根,以确保过渡段的基坑安全。基坑内侧钢围檩应贯通以确保支护结构受力均匀、可靠。

现场实施时,应尽量缩短围护桩衔接段的施工支护时间,挂网喷射混凝土、锚索注浆及腰梁施工时均掺加高效早强剂,使喷射混凝土与岩面、注浆锚固体及腰梁尽快达到设计强度,缩短锚索锚具安装及张拉完成时间,加快基坑开挖施工进度。

2.2.4 设计施工一体化

1)设计先行,施工及时反馈,采购选型跟进,确保进度。

2)提前介入施工图设计,比选优化方案,加快项目进度。

3)基坑支护优化:原设计的混凝土灌注桩支护因不良地质情况及工期紧等原因优化成钢管桩,节约工期,降低成本;结合管廊沿线分区设置钢筋加工场地、混凝土泵车浇筑平台、汽车吊吊装平台等,设计阶段即考虑此段区域支护局部加固,避免二次设计、施工。

4)降水井优化:φ273 mm无缝钢管抽缝处理。

5)建议采用符合当地环境、节能降耗的新工艺、新材料。

6)按需招标采购,设计配套跟进,备货进场协调。

3、基坑支护施工

3.1、总体施工组织

根据工程总进度计划要求,结合本项目特点和施工任务,遵循工区路线距离适中、作业面不互相干扰、施工管理便利的原则,将管廊施工段划分为5个工区平行组织施工(图4),监控中心单独设一个分区。

图4 综合管廊开挖分段平面布置

基坑开挖遵循先支护后开挖的原则,对称、分层、分块、限时进行,利用时空效应原理,尽量减少基坑无防护的暴露时间,严格控制基坑变形;同时提高坑内土体抗力,从而确保施工安全,并减少坑底隆起和围护结构的变形量。

3.2、施工关键工序

3.2.1 碎石层钢管桩冬季施工

冬季施工时冻土层较厚,并且施工区域土质较差,利用潜孔锤引孔破碎冻土及碎石,然后加工钢管桩,桩头处形成削尖后采用液压振动锤打入土体(图5),减少对钢管桩的破坏。最后在钢管桩顶部进行钢筋盘梁以形成一个稳定的深基坑支护体系(图6),满足了基坑的稳定性,合理压缩工期,施工能耗大大降低。

图5 钢管桩施工
图6 钢管桩麻花式盘梁施工

3.2.2 回填土预应力锚索施工

在工程施工中,由于土质地层的不确定性,锚索成孔往往会遇到不同的困难。传统锚索机在杂填土或碎石回填层中成孔困难,成孔过程中钻头往往会卡在岩石层中无法拔出或因为土质松散、间隙大而不能稳定地成孔,坍孔成为普遍现象,导致施工效率较低,增大施工成本。在成孔后注浆也是一大问题,在杂填土孔洞中注浆时,浆液会沿缝隙四处流散,导致注浆量增大。在工作面不好的环境下,传统锚索调整锚索开孔高度及位置需要机械加人工来辅助完成。

本次施工设备采用先进的GTM15-2型号锚索机械设备(图7、图8),能适用于全地层土质施工。采用双动力机组,自动调节钻杆系统,加工半圆型合金钻头,利用套管全程跟进成孔来保证锚索成孔的质量及施工效率。

图7 预应力锚索现场钻孔施工
图8 锚索加钢管桩支护示意

4、过程监测与控制

钢管桩顶部水平位移监测点应布置在钢管桩顶部,监测点水平间距15~20 m。根据设计图纸,钢管桩顶部有2 m高度的边坡,为保证监测人员的安全,拟在钢管桩顶部贴设反光片进行监测。

威宁大街道路竖向位移监测点应布置在道路一侧,距离边坡边缘20 cm左右,监测点水平间距15~20 m。拟在边坡顶部埋设长40 cm钢钎作为监测标志。

4.1、钢管桩顶部水平位移监测

根据现场实际水平位移监测数据,绘制钢管桩顶部水平位移曲线(图9),文中选取B3、B4、B5、B6、B7、B8这6个监测点。由图9分析可知,钢管桩顶部水平位移随土方开挖的推进逐渐增大,在第131天土方开挖、管廊主体结构施工及回填完成后趋于稳定,最大位移为8 mm。其余单元的水平位移也在土方开挖、管廊主体结构施工及回填完成后基本趋于稳定,且都在规范及设计文件要求范围之内,并趋于稳定,说明钢管桩加锚索这种支护结构在控制管廊超长基坑支护施工水平位移方面是切实可行的。

图9 钢管桩顶部水平位移曲线

4.2、坡顶竖向位移监测

根据现场实际竖向位移监测数据,绘制坡顶竖向位移曲线(图10),文中选取P1、P2、P3、P4、P5、P6这6个监测点。由图10分析可知,观测点P1竖向位移最大,位移量为6.6 mm,其余监测点竖向位移都比较小,且都在规范及设计文件要求范围之内,并在管廊主体结构施工及回填完成后趋于稳定。由此可见,钢管桩加预应力锚索支护在控制长条形基坑水平、竖向位移方面均能够取得较好的效果。

图10 坡顶竖向位移曲线

5、结语

本溪市威宁大街地下综合管廊工程通过设计施工一体化方式,比选确定以钢管桩加预应力锚索支护为主的支护体系。

钢管桩加预应力锚索支护体系相比传统的灌注桩加预应力锚索支护体系工程造价大大降低[5-8],同时工期方面比预计提前,缩短了建设周期,加快了建设进度。实践证明,该支护结构适合当地特殊环境,受力简单明了且水平、竖向位移可控,具有推广价值。

参考文献

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[3] 赖冠宙,房营光,史宏彦.深基坑排桩支护结构空间共同变形分析[J].岩土力学,2007,28(8):1749-1752.

[4] 刘更宁.微型钢管桩和钢筋锚固技术在厂房基础加固中的应用[J].中国煤田地质,2002,14(3):52-54.

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[8] 杨汉臣.微型钢管桩在边坡治理中的应用及机理分析[D].长沙:中南大学,2007.


感谢供稿作者:高阔

上海建工五建集团有限公司

本文原文刊登于《建筑施工》杂志