厂房内淤泥地质超大超深基坑围护打捞钢坯技术

厂房内淤泥地质超大超深基坑围护打捞钢坯技术赵建立教授级高级工程师中冶天工集团有限公司2015年4月深基坑技术发展至今天，仍然面临着许多问题需要解决。以沿海地区常见海相淤泥地质为例，该地区地下水较富集，淤泥层较厚，土体的物理力学性质对保持基坑稳定最为不利。尤其在地下障碍物较多、周边建筑物密集、地下承压水头较高的情况下，更应慎重选择合适的围护方式及施工技术。主要研究内容淤泥层夹卵石层超长全回转全套管灌注桩施工技术研究复杂地层超深高压旋喷桩施工技术研究环形内衬墙快速逆作施工技术研究杂乱无序状态钢坯快速打捞技术研究基坑降水及回灌实时控制技术研究既有荷载作用下基坑变形监测及数据分析前期资料查询和调研收集工程资料，进行经验提炼针对具体问题，进行方案优化对比工程实践，提出改进意见总结工程经验，形成技术成果研究的技术路线序号姓名性别出生年月技术职称教育程度对成果创造性贡献1赵建立男1979.08高级工程师博士方案制定、项目统筹2夏建中男1965.11教授、博导博士理论分析、技术支撑3顾开云男1972.02教授级高工本科设计验算、图纸优化4王志新男1967.02高级工程师本科现场实施、技术指导5孙叔庆男1972.02高级工程师本科现场协调、技术优化6金成胜男1972.03工程师本科现场协调、钻头改进7施利斌男1987.08工程师硕士理论分析、成果整理8王兴康男1986.10工程师硕士数据整理、成果分析主要研究人员分工一览工程背景地理位置依托工程位于福建省罗源宝钢德盛不锈钢有限公司精炼厂内。起因：原钢坯堆放区由于地基失稳，致使大约1.5~2万吨、价值约2亿元的钢坯下沉、埋入地下，导致钢坯库毁坏。目的：取出沉埋地下的钢坯，恢复生产线，挽回经济损失。工程概况方式：在沉陷区设计基坑支护结构，采用明挖方式对下沉钢坯进行打捞。基坑与周边建筑物距离过近，基坑开挖易对周边建筑造成二次破坏。周边环境周边建筑物现状钢坯下沉导致部分厂房墙体和地面产生较大变形部分桩基础拉断钢坯持续滑移，影响仍然在持续。工程地质条件力学指标土层编号重度γ(KN/m3）粘聚力c(kPa)内摩擦角ψ(°)厚度（mm）①素填土17.55.05.05800②淤泥16.310.04.024200③粉质粘土18.142.09.72300③-1淤泥质土15.010.03.010200④淤泥质土17.712.07.0④-1粉质粘土17.650.08.8⑤圆砾19.8028.02100⑤-1粉质粘土18.65315.13300⑤-2淤泥质土16.0123.2⑥淤泥质土16.221.05.9⑥-1粘性土18.636.09.35000⑥-2中砂19.3021.0水文条件上部滞水：稳定水位埋深为0.20m～1.40m。承压水：埋深为35m左右，承压水头高出地表约0.2m。围护结构平面布置基坑围护采用双排钻孔灌注桩，内圈采用Φ1200@2000，有效桩长55.8m；外圈为Φ1000@2000，有效桩长大于等于60.8m，进入⑧1层强风化岩至少1m，内外圈灌注桩交错排布。围护结构立面布置止水帷幕和坑内被动土加固使用高压旋喷桩进行施工，止水帷幕宽度约为2000mm，桩底进入强风化岩至少1m，桩长63m。围护桩桩位存在地下障碍物，采用冲孔灌注桩无法施工，强行成孔易扰动钢坯。在复杂地层中施工超过60m的高压旋喷桩，经验较少。基坑降水引坑外沉降，坑外回灌不易控制。内衬墙逆作施工，钢筋绑扎困难，进度慢、质量差，存在无法及时闭合内衬的工况。钢坯单体质量大，呈无序状态，常规吊具无法吊运。坑内既有重型荷载卸载后基坑变形规律不明确。工程难点方案演变（一）初始方案为对称设计，利用圆环结合双侧耳朵，将钢坯分布囊括在内。方案演变（二）第二方案为单圆环设计，充分利用圆拱效应强化结构侧向刚度，通过扩展大圆直径，将钢坯分布囊括在内。方案演变（三）第三方案为圆环单侧带耳朵设计，忽略形状对称，缩小圆环直径，增强内衬墙侧向刚度。方案演变（四）第四方案为圆环单侧带倾斜耳朵设计，通过多次物探，发现钢坯分布发生改变，因此对围护范围微调。最终执行方案施工至10m处，西侧耳朵内钢坯打捞完毕，实现内衬闭合。主要技术创新点淤泥层夹卵石层超长全回转全套管灌注桩技术技术创新点一目前采用全回转全套管技术施工的灌注桩大多桩深较浅，以40米范围内的桩较常见。随着深度的增加，钢套管与土体的摩擦力也逐步增大，对压入和起拔套管带来较大的挑战。一旦套管无法拔出，将会造成较大的经济损失。施工工艺、垂直度控制、混凝土凝固时间等方面，研究超长全回转全套管施工技术。全套管灌注桩技术背景全套管灌注桩全回转全套管装置及施工原理全回转钻机工作示意图全套管灌注桩套管连接全套管灌注桩

套管扭矩随桩长增大，尤其对大于40m长桩。研究采用双壁套管，套管之间采用螺栓连接方式。不同地层的进管控制1、软土及淤泥中套管钻进控制2、一般土层中套管钻进控制3、硬质砂土和岩层中套管的钻进

全套管灌注桩灌注桩成孔垂直度控制全套管灌注桩已授权实用新型专利（专利授权号ZL201320136618.1）灌注桩成孔沉渣厚度控制全套管灌注桩已授权实用新型专利（专利授权号ZL201320724282.0）混凝土浇筑及凝固时间控制全套管灌注桩开始灌注混凝土时，应先灌入2~3m3混凝土，试拔套管。确保混凝土高于套管端口至少2m，防止断桩。开始拔管时应使最初浇筑混凝土凝固20~30分钟。在20m以上的淤泥层中拔管，应将混凝土的凝固时间留长一些（30~50分钟），避免扩孔。应用效果全套管灌注桩左上图：全套管机械作业俯瞰右上图：全套管底部套管切削钻进坐下图：全套管对接示意应用效果全套管灌注桩左上图：冲抓斗抓取淤泥左下图：抓出的断桩右下图：清除的破碎旧砼结构应用效果全套管灌注桩泥浆护壁灌注桩开挖外观效果全套管灌注桩开挖外观效果《超厚淤泥质土层中超长全回旋全套管冲抓成孔灌注桩施工工法》省部级工法的查新报告（报告编号：20130941）关键技术鉴定报告（冶建鉴字[2013]第029号）快速监测桩垂直度的简易装置（已授权实用新型，专利号ZL201320136618.1）一种测量灌注桩和地下连续墙施工时沉渣厚度的工具（已授权实用新型，专利授权号ZL201320724282.0）测量灌注桩和地下连续墙施工时沉渣厚度的工具及方法（已受理发明专利，专利申请号201310572945.6）创新点一形成的成果超厚淤泥质复杂地层超深旋喷桩施工技术技术创新点二高压旋喷桩桩长普遍在40m左右，对于深度超过40m的超深高压旋喷桩施工经验较少。如果地层下部存在砂层、卵砾层，受地下水流动和土层颗粒较大等因素的影响，高压旋喷桩也不易成桩。超深旋喷桩技术背景超深旋喷桩机械设备改进理论分析旋喷机理检测方法超厚淤泥质复杂地层超深旋喷桩施工技术研究思路超深旋喷桩高压旋喷桩长63m，穿透砂砾卵石层、全风化岩等地层，成桩困难。工程概况超深旋喷桩采用非引孔设备，第一根试桩钻至-40m后遇到地下障碍物，导致无法钻进，第二根试桩还是在-40m砂砾卵石层处无法钻进。试验失败非引孔试验超深旋喷桩采用先引孔后喷浆工艺，成孔深度63m，试桩4根，均完成孔施工。然而，在进行喷浆施工时，预先引孔下放的PVC套管因喷浆压力较大被挤出，PVC管报废。试验失败引孔试验超深旋喷桩研制新型三角锥形旋喷桩钻头，钻至设计深度。钻头试验新、旧钻头对比超深旋喷桩水气由侧面改成由下喷出，成孔由钻头磨与水气冲击相结合的方式进行。超深旋喷桩对30m高压旋喷桩机钻杆进行改进，主钻杆长24m，副钻杆长10.15m，采用螺旋接头连接。钻杆试验施工参数研究超深旋喷桩利用颗粒离散元方法，对浆液的扩散特性、压力的衰减、土层性质、喷射压力、注浆管提升速度等因素展开研究。拟定施工参数，为顺利施工提供理论依据。施工参数模拟超深旋喷桩施工参数模拟超深旋喷桩旋喷施工优化参数超深旋喷桩土层类别泥浆压力（MPa）转速（r/min）提升速度（mm/min）影响范围（m）回填土素土23~25151800.7~0.9回填土淤泥25~28151800.7~0.9粘土25~28202000.7~0.9淤泥质土23~25151800.7~0.9砂砾卵石25~28151500.7~0.9粉质粘土23~25151800.7~0.9强风化岩25~28（引孔）201500.7~0.9应用效果超深旋喷桩旋喷桩取芯效果钻深底部63m处的样芯超深旋喷桩卵石层48m处的样芯深厚复杂地质条件下超深旋喷桩的技术开发及工程应用技术成果查新（报告编号：J20136445），科技成果会议鉴定报告（浙联科评字[2013]第597号）：鉴定结论为国际领先）旋喷桩钻头内部及改进（已授权实用新型，专利号ZL201320672760.8）；三角锥形旋喷桩合金钻头（已申请发明专利，专利申请号201310520409.1）创新点二形成的成果基坑降水与回灌技术技术创新点三若止水帷幕未将坑内外承压水切断，坑内降水势必引起坑外承压水头下降，引起坑外土体固结，发生沉降，造成周边建筑物变形。为减少这种变形，在坑外布置一定数量的观测井，并适时回灌。重点研究降水井及回灌井方案，通过现场试验和MODFLOW有限元软件分析优化降水运行方案，并对坑外回灌量进行观测，分析监测数据，为今后类似工程提供参考。基坑降水及回灌技术背景降水井分布基坑降水及回灌降水井剖面基坑降水及回灌单井试验基坑降水及回灌井号水位（m）J112.0G95.1G106.0G117.5G136.1G146.1G155.3

对J2降压井进行单井抽水试验，试验持续43小时，单井出水量约60t/h，出水能力无衰减，坑内最大水位下降为12m，坑外最大水位下降为7.5m。单井试验基坑降水及回灌在MODFLOW中拟合计算，调整参数，使承压水水位降深计算值与实测值达到最佳逼近条件，参数可用于后续计算，细化降水方案，达到按需降水的目的。单井试验基坑降水及回灌层位水平渗透系数Kh(m∕d)垂直渗透系数Kv(m∕d)贮水率Ss(1/m)⑤层砂砾卵石4.01.31E-04⑦层卵石12.04.02E-04群井试验基坑降水及回灌

以J2、J4、J6、J8为抽水井，其它井作为观测井，平均单井出水量约15t/h，坑内最大水位降深为32.13m，坑外最大降深为11.9m。抽水试验结论基坑降水及回灌考虑群井效应单井涌水量为10-15t/h。单井试验期间坑外观测井水位普遍下降5~6m，群井试验期间坑外观测井水位普遍下降9~12m，可以判定基坑内外承压水存在一定水力联系。根据回水速度分析，先前施工的止水帷幕在延长渗流路径、减小渗透系数方面起到了积极效果。MODFLOW降水细化数值模拟降深水位线分布6m降深10m降深13m降深16m降深基坑降水及回灌MODFLOW降水细化数值模拟降深水位线分布19m降深22m降深24m降深26m降深基坑降水及回灌降水细化方案工作内容开挖深度(m)水位控制(m)开启降压井数开启降压井井号排水量（t/d）按开挖深度水位控制在开挖面以下1m12133J2，J4，J6108015164J2，J4，J6，J8144018195J2，J4，J6-J8180021216J1，J2，J4，J6-J8216023247J1-J4，J6-J8252025268J1-J4，J6-J9288025（回灌）268J1-J4，J6-J93680基坑降水及回灌降水回灌系统以止水阀和压力表对回灌流量及压力进行控制。基坑降水及回灌回灌循环系统基坑降水及回灌应用效果当回灌量为降水量的30%时，坑外水位保持稳定。周边的变形处于稳定状态，未发生较大的沉降。基坑降水及回灌创新点三成果降水与回灌关系结论经现场降水监测统计数据，坑外回灌量约为同时期坑内降水量的30%。基坑降水及回灌环形内衬墙体快速逆作技术技术创新点四由于逆作内衬墙横截面尺寸较小，钢筋较密集，钢筋笼成品不易保护，影响内衬墙的整体刚度。在某些特殊工况下，内衬墙不能完全闭合、必须向下超挖一定深度才能封闭内衬墙。势必对基坑变形造成不利影响。通过利用发明的逆作内衬墙环向筋定位装置，较好地解决了快速施工内衬墙的问题。根据有限元分析结果，制定合理的开挖方案，内衬墙不能闭合对基坑变形的影响降到最小。内衬逆作技术背景内衬逆作圆形基坑内衬墙逆作施工环向钢筋定位装置内衬逆作钢筋定位装置施工方法内衬逆作内衬无法闭合工况内衬逆作混凝土内衬施工第一层完毕，往下施工至-12.0m平面时，基坑西侧-6.0m～-12.0m区段存在大量钢坯（最后统计约500余块），相当一部分钢坯伸入第一段内衬下部，多数为垂直或大坡度斜向插入土体，无法使用夹具打捞。内衬逆作内衬无法闭合工况数值计算验证部分超挖可行性内衬逆作开口范围内的钢坯对提高被动区土体强度是有利，合理制定打捞分段，及时补浇内衬，有效的减小内衬应力，控制在允许范围内。卡坯工况解决措施内衬逆作左上图：尽量缩小内衬右上图：局部超挖，吊运钢坯左下图：及时回填并合拢内衬圆形基坑内衬墙逆作施工环向钢筋定位装置（已申请实用新型）提高圆形基坑内衬墙逆作施工钢筋绑扎质量和效率的工具及施工方法（已申请发明专利）创新点四形成的成果内衬逆作全夹紧自锁式钢坯吊运装置技术创新点五大约1.5~2万吨（约1250~2000块）钢坯下沉埋入地下，最大埋深约-30m，钢坯混乱交错，且单体钢坯质量大，给吊运钢坯造成困难。全夹紧自锁式钢坯吊运装置技术背景双肢夹具吊运试验全夹紧自锁式钢坯吊运装置单肢夹具吊运试验全夹紧自锁式钢坯吊运装置装置已申请实用新型专利使用方法已申请发明专利上图：装置缀板尺寸图左图：装置连接剖面图全夹紧自锁式钢坯吊运装置三维模型全夹紧自锁式钢坯吊运装置实物全夹紧自锁式钢坯吊运装置应用效果采用全夹紧自锁式钢坯吊运装置，共打捞不规则倾覆钢坯2067块，钢坯总重28000吨，日均吊运20余块，安全快速无滑坯掉落事故，圆满完成原定施工目标。全夹紧自锁式钢坯吊运装置重型钢板坯料夹持卡吊装置（已受理实用新型，专利申请号201410684225.3）重型钢板坯料夹持卡吊装置及其使用方法(已受理实用新型，专利申请号201420714204.7）创新点五形成的成果既有重型荷载卸载后基坑变形技术创新点六现有文献的监测数据都是针对原状土开挖进行的。对基坑内存在大量重型障碍物的情况，相关监测数据较为罕见。可以预测，当基坑内的重型障碍物取出后，势必会引起基坑周边土体回缩，变形规律与原状土开挖后应有所不同。根据钢坯打捞工程的监测数据，重点分析坡顶沉降、坡顶水平位移及深层土体位移的变化规律，为今后类似地下清除障碍物工程提供参考数据，进一步指导围护结构设计。基坑变形监测技术背景坡顶沉降坡顶沉降曲线普遍呈开始为沉降，后期转为隆起。在基坑开挖初期，钢坯仍在持续下沉，带动围护结构小幅沉降。在后期，由于大量钢坯被吊运出地层，卸载后土体发生回弹，带动围护结构小幅隆起。基坑变形监测坡顶水平位移坡顶水平位移整体普遍向基坑内偏移，这与基坑土体开挖、钢坯吊运、大量卸载密切相关。整体变化趋势较平稳，远小于预警值。采用圆形内衬的围护结构形式是合理且有效的。基坑变形监测深层土体水平位移基坑变形监测累积最大变形在基坑挖深15~19m处。这是由于基坑西侧存在大量钢坯，无法及时闭合内衬墙，存在超挖工况造成。当基坑开挖至20m位置时，坑内集中大量钢坯，打捞占据了较长时间，造成变形持续增大。研究的主要成果研究的主要成果一览成果类型数量成果名称状态专利实用新型5一种测量灌注桩和地下连续墙施工时沉渣厚度的工具已授权快速监测桩垂直度的简易装置已授权旋喷桩钻头内部及改进已授权圆形基