大面积深基坑开挖及围护施工

2014-11-09闫栋梁

山西建筑 2014年4期

关键词：挖土土钉土方

闫栋梁

(中铁三局集团建筑安装工程有限公司，山西太原 030006)

0 引言

随着城市建设的大发展，大面积、深基坑施工越来越普遍，与一般房建工程不同，地铁停车场具有整体基坑面积大、基坑开挖较深，场地相对较为狭小的特点，这就要求基坑开挖和支护方案需要从整体出发，对基坑围护和开挖进行合理设计和施工。

1 工程概况

武汉市轨道交通三号线一期工程升官渡停车场位于武汉市汉阳区，与3号线一期工程客运中心站接轨，主要承担配属列车的双周/三月检、列检及停放等日常保养，以及供电、机电、通号等维修工区工作。升官渡停车场地下库区为地下1层2跨～10跨矩形框架结构，位于库区上方的综合楼为框架结构(地下2层，地上5层)，主体形状不规则，呈刀把状。总建筑面积68 674．1 m2，其中地下库区建筑面积为61 781．7 m2。

2 地质条件

2．1 工程地质条件

根据《岩土工程详细勘察报告》，从地表往下与基坑开挖支护有关的土层资料如下:

①杂填土(Qml):杂色，结构松散，压缩性高，层厚0．30 m～2．10 m。

②粉质粘土(Qal4):褐黄～灰褐色，可塑，压缩性中等，层厚1．00 m ～8．50 m。

③粘土(Qal+pl2):褐～褐红色，硬塑状态，压缩性低，层厚0．50 m ～15．00 m。

④红粘土(Qel):灰白色，硬塑状态，中偏低压缩性，层厚0．80m ～13．50 m。

2．2 水文地质条件

勘察期间测得其稳定水位埋深为地面下0．1 m～2．5 m，稳定水位标高18．06 m～26．59 m。对基坑构成危害的地下水主要是上层滞水。对地表水和地下水的处理方式采取明排处理。

基坑浅部素填土、杂填土渗透性较大，故在基坑外侧做截水沟，并接入市政排水系统，防止地面雨水进入基坑。

3 基坑支护方案

3．1 基坑围护设计

本工程地下部分形状不规则，呈刀把状，最宽处120．1 m，最窄处13．5 m，根据基坑开挖深度、地层条件的不同，将基坑划为几个支护单元，见图1。1)列车运用库(长约300 m、宽约120 m)及相邻的道岔咽喉区(长约150 m、宽约32 m～120 m)的基坑宽度较宽，面积较大，采用双排桩支护结构，局部土层为岩层的采用放坡+土钉形式。双排支护结构具有更大的侧向刚度，可以明显减小基坑的侧向变形，支护的深度也相应增加，钻孔灌注桩具有工艺成熟、自身刚度大、施工速度快、布置灵活、造价低的优点。土钉墙施工简单，不用横撑，施工空间大。2)出入段线(长约200 m、宽约15 m)及相邻的道岔咽喉区(长约350 m、宽约15 m～32 m)的基坑宽度较窄，考虑采用单排灌注桩+二道支撑的支护结构。悬臂式单排护坡桩在粘性土地基的基坑开挖支护工程中应用很普遍，适用于各种地层。3)内支撑:第一道采用混凝土支撑，其他各道采用钢管撑，支撑水平间距为6 m。

图1 基坑围护设计示意图

3．2 基坑监测方案

升官渡停车场工程基坑保护等级为一级。为了指导施工，确保工程的顺利进行和周围临时建筑物及基坑的安全，而加强施工监测，实行信息化施工，随时预报，及时处理，防患于未然。

1)主要监测内容见表1。

表1 基坑主要监测内容

2)施工安全性判别。

根据监测内容，选用围护结构水平位移及钢支撑轴力两项设定预警值，作为围护结构施工安全判别标准，其安全性判别标准如下:每步开挖围护桩水平位移允许值为0．14%H(H为基坑开挖深度)，水平位移变化速率应小于3 mm/d;立柱桩隆起或沉降达到15 mm;管线沉降达到15 mm或沉降差达到3‰;既有建筑物相邻柱基的沉降差达到其间距的2‰;钢支撑轴力容许值2 800 kN。

当实测值小于0．8×容许值，安全;当实测值大于0．8×容许值，报警(0．8×容许值为临界值)。

当安全性为危险时，应每天观测，并召集设计、施工及监测等单位进行会诊，对可能出现的各种情况作出估计和决策，并采取有效措施，不断完善与优化下一步的设计与施工。

所有监测数据必须有完整的纪录，并定期将监测结果报告给建设、监理和设计单位。

3．3 土方及支撑施工设计方案

1)基坑开挖必须在钻孔灌注桩及止水帷幕均达到设计强度80%后方可进行。2)基坑开挖按照先浅后深的原则进行开挖;土方开挖的顺序、方法必须与设计工况一致，并遵循“开槽支撑、先撑后挖、分层开挖、严禁超挖”的原则，开挖第一层土时每一段的开挖长度一般不超过12 m;其他各道支撑开挖时，每小段长度一般不超过6 m，开挖时间和钢支撑的安装时间在16 h和8 h。3)设计工况。a．首先进行场地平整及清表工作，随后进行钻孔灌注桩及立柱桩与钢格构柱施工。b．开挖土方至20．5 m标高处;施工基坑周边截水沟、地面硬化并做好放坡面土钉挂网支护。c．凿除支护桩及立柱桩桩顶浮浆，施工冠梁及第一道钢筋混凝土支撑梁。d．支护结构混凝土设计强度达到80%后，土方分层开挖至15．1 m标高处;凿除钢格构周边混凝土，施工钢围檩及第二道钢支撑梁;及时完成桩间挂网喷射混凝土护面施工。e．土方分层开挖至11．28标高处;凿除钢格构周边混凝土，施工垫层及坑底排水沟;完成桩间挂网喷射混凝土护面施工。f．施工钢格构穿越底板处防水板、底板;支护桩与底板边线间采用C20混凝土回填换撑后，拆除第二道钢支撑。g．主体结构施工，基坑采用粘性土和粉质粘土回填。h．拆除第一道钢筋混凝土支撑梁，割除主体结构空间内钢格构柱，主体结构覆土回填。

4 施工方法

4．1 围护结构施工

4．1．1 钻孔灌注桩施工

1)钻孔灌注桩设计参数见表2。

2)施工方法选择。

根据工程特点，场地内地下水水位低，有利于干作业钻孔灌注桩施工。成孔工艺采用旋挖钻成孔施工工法又称钻斗施工工法;成桩采用导管法灌注混凝土。采用履带式桩机，桩机就位之前需对场地进行夯实平整、清理杂物，以免发生不均匀沉降。

工艺流程为:桩位放样→埋设钢护筒→钻机就位→钻进成孔→清孔→安装钢筋笼→设置导管→导管法灌注混凝土→混凝土养护、拆除护筒等。

4．1．2 支撑体系施工

1)工艺流程。

钻孔灌注桩与立柱桩施工完成→土方开挖至桩顶标高→坡面土钉挂网支护→凿桩头至桩顶标高→施工冠梁及第一道钢筋混凝土支撑梁→土方开挖至第二道钢支撑以下1 m→施工钢围檩及第二道钢支撑梁，桩间挂网喷射混凝土护面→土方开挖至基底→桩间挂网喷射混凝土护面→设置基底排水沟。

2)施工要点。

a．桩顶冠梁施工。

围护桩顶设置1 200 mm×800 mm冠梁，不同标高处冠梁采用1∶3坡率进行过渡。冠梁之间通过混凝土支撑梁(500 mm×600 mm)进行连接。

第一道混凝土支撑和冠梁采用C35混凝土浇筑，混凝土支撑梁施工前，需在支撑梁下铺设一层彩条布隔层。

b．钢支撑施工。

支撑由活动端头、固定端头和中间节组成。各节由螺栓连接，中间节由多节组合而成，可根据实际情况确定(见图2)。横撑用φ609×16 mm焊接钢管，每榀支撑安装时，用2台100 t千斤顶对挡土结构施加预应力，钢围檩的接长采用焊接。

表2 钻孔灌注桩设计参数

4．1．3 土钉墙施工

1)施工内容及技术参数见表3。

表3 土钉墙施工内容及技术参数

2)土钉墙支护立面示意图见图3。

图3 土钉墙支护立面示意图

3)施工方法。

a．设置排水系统。

施工时应提前沿坡顶挖设排水沟排除地表水，并在第一段开挖喷射混凝土期间可用混凝土做排水沟覆面。

支挡土体按以下排水方式设置排水:泄水孔采用包滤网填砾PVC管，管径为75 mm，管长400 mm～500 mm，沿管身每约100 mm距离梅花形开设透水孔，孔径10 mm，外斜10%;泄水孔水平布置间距2 m，垂直布置间距根据边坡情况设置，每段边坡垂直设置两处(见图4)。

图4 泄水孔大样图

最底层的护坡完成施工后，在基坑底部设置排水沟与集水井进行排水。

b．开挖、修坡。

土钉墙开挖按设计要求分段分层进行，在机械开挖后，应辅以人工修整坡面，坡面平整度的允许偏差为±20 mm。

c．喷射混凝土。

在开挖完成后必须尽快做第一层喷射混凝土，厚度10 mm～15 mm。喷射混凝土应分段进行，同一分段内喷射顺序应自下而上，一次喷射厚度为30 mm～40 mm，喷射混凝土上下层及相邻段的接槎，应做成斜坡搭接，搭接长度一般为喷射厚度的2倍以上。钢筋网铺设完毕后，还要进行复喷，复喷的一次厚度为40mm～50mm。

d．设置土钉。

土钉施工包括定位、成孔、设置钢筋、注浆等工序。

按照施工图放置土钉定位点。

按设计要求长度加工锚筋，锚筋采用22的螺纹钢筋，为了保证钢筋设置居中，在锚筋上每隔2 m～3 m应设一个定位支架，如图5所示。

图5 土钉节点图

在孔口处设置止浆塞及排气管，并将止浆塞旋紧，使其与孔壁紧密结合，在止浆塞上将注浆管插入注浆口，深入至距孔底250 mm～500 mm处，注浆管连接注浆泵，边注浆边向孔口方向拔管，直至注满为止，再放松止浆塞，将注浆管与止浆塞拔出，然后用粘性土或水泥浆充填孔口。

e．铺设钢筋网。

钢筋网应在喷射一层混凝土后铺设，钢筋网片采用φ6@200×200，钢筋网片的固定采用直径14 mm，长度为200 mm，间距为2 000 mm的短钢筋固定。

f．桩间挂网喷射混凝土护面。

支护桩之间桩间土插入直径为22 mm，长1 000 mm，间距为500 mm×500 mm的锚筋;外挂φ6@200 mm×200 mm钢筋网片;面层喷射80厚C20混凝土。

4．2 基坑土方开挖

4．2．1 土方量及机械设备投入计划

1)土方量汇总。

整个地下库区基坑几何尺寸不规则，大体上可以分为作业车库(长450 m、宽120 m)和出入线段(长550 m、宽15 m)两部分，基坑占地面积约为62 500 m2，总土方开挖量约为97万m3(从原始地坪计算)。因本工程支护体系以桩顶冠梁作为围檩，只有基坑东侧采用土钉墙喷锚支护(见表4)。

表4 土方开挖情况

2)挖土机械设备投入计划。

a．第一次挖土总土方量约为33万m3。本次土方开挖主要为平整场地及场地内表层土方调配，为围护桩施工提供工作面，在1个半月内全部完成本部分土方挖运。每日计划挖土量0．75万m3，按每辆挖掘机每台班挖土量约为1 000 m3，现场实际每台挖掘机工作1．5个台班，需投入挖掘机共5台，配合土方车30辆(运距按10 km计，场内堆放15万m3)。

b．第二次挖土总土方量约为40万m3。本次土方开挖主要完成从冠梁顶到钢支撑部位。根据2个月内完成土方开挖的总体规划，本次土方开挖需在40 d内完成，每日计划挖土量1万m3，需投入挖掘机8台，配合土方车40辆(考虑土方场内堆放20万m3)。c．第三次挖土总土方量约为23．8万m3。本次土方开挖主要完成从钢支撑到基底部位。根据2个月内完成土方开挖的总体规划，本次土方开挖需在20 d内完成，每日计划挖土量1．2万m3，需投入挖掘机9台，配合土方车40辆(考虑到土方场地内堆放12万m3)。

4．2．2 基坑开挖施工

1)施工顺序。

a．采用土钉墙支护的部位:

第一层清表开挖→第一层土钉墙施工→第二层土方开挖→第二层土钉墙施工→第三层土方开挖→…→第六层土方开挖→第六层土钉墙支护→设置排水设施(坑底排水明沟)→人工清除20 cm预留土层。

b．采用桩支撑支护的部位:

第一层清除杂填土→支护桩、贯梁、支撑梁施工→第二层土方开挖、土钉墙、钢支撑施工→第三层土方开挖、土钉墙支护→设置排水设施(坑底排水明沟)→人工清除20 cm预留土层。

2)开挖方法。

本工程采用大开挖形式根据边坡高度分层分段完成土方开挖。

第一步进行清表开挖。

第二步进行库区及出入线段主体土方开挖，采用反铲挖掘机进行机械挖土，配备自卸汽车将土运出场外。

土钉墙喷锚放坡段开挖按照设计图要求进行放坡及分层开挖;桩支撑段必须在钻孔灌注桩及止水帷幕混凝土强度达到设计抗压强度80%后方可进行开挖，单次开挖深度不宜大于4m，并在开挖完成后及时做好喷射混凝土面层。

第三步进行桩间土及基底开挖，采用反铲挖掘机同时人工配合机械挖土。