浙北某电厂循泵房基坑围护设计和施工

循泵房基坑围护设计和施工（中国水利水电十二局施工科学研究所张仁高）【提要】本文概括介绍了浙北某电厂工程循环水泵房深基坑围护方案的动态设计、基坑围护施工及基坑安全监测。【关键词】基坑土钉土钉墙锚杆围楞安全监测1．工程概况浙北某电厂工程循环水泵房为循环水系统的重要配套工程之一，平面尺寸为36.48m×25.48m。其中地下结构部分平面尺寸为25.48m×23.2m，原始地面标高▽3.60m，基坑底标高▽-5.90m，基坑深度为9.50m。基坑东侧2.75m处为厂区主要施工通道，通道另一侧分别是中兴公司和宁波建安公司施工临设区；西南角和西北角各距1#和2#冷却塔24.5m，北侧邻近老秤沟浜河仅2m，不宜采用大开挖施工。经多种基坑围护方案的综合论证对比，本着经济、可行、安全的原则，最后确定采用“局部大开挖结合土钉墙支护方案”----即南侧、北侧和东侧土钉墙支护，西侧（进水箱涵侧）放坡大开挖。2．工程地质条件循泵房区域地质主要由第四系全新统，上更新统河湖相粘土组成，与循泵房基础相关的土层为：1层素填土：灰黄色、黄褐色，很湿～湿，粉质粘土，含水量34.8％。①-3层淤泥质粉质粘土：灰色，呈饱和、流塑状态，含有少量云母片及有机质，含水量最高为64.6％。②-2层粉质粘土：褐黄色、灰黄色、灰黑色，湿，可塑，中塑性，含有少量云母片及氧化铁，以粉土为主。平均含水量28.5％。③层粉质粘土：灰色、深灰色、灰黄色，饱和～很湿，软塑，轻～中塑性，含有少量云母片及氧化铁。平均含水量33.4％。④-2层淤泥质粉质粘土：灰色，饱和，流塑，含有少量云母片及有机质，具微层理结构。平均含水量38.4％。物理力学性指标如表-1所示。场地土的物理力学指标（复勘结果）表-1土层编号土层名称层底高程（m）土层厚（m）重度（kN/m33）固结快剪强度指标标锚固体与土体的极极限摩阻力（kPa）C(kPa)(0)①-1素填土▽+1.52.519.2201022①-3淤泥▽-3.04.516.54813②-2粉质粘土▽-7.24.717.818.51830③粉质粘土▽-9.52.317.78.525.630④-2淤泥质粉质粘土▽-10.81.318.114.120.520⑤-1粘土▽-13.32.518.440.025.5603．基坑支护方案设计基坑支护结构设计时，按基坑不同受力面的位置，分成东、南和北三部份，东侧边坡长25.5m，南、北侧边坡长各27.5m。东侧紧邻厂区道路，考虑到厂区施工荷载作用，取地表超载值为20kPa；南、北侧地表超载值为10kPa。为减少工程造价，降低土钉墙支护工作量，支护施工前先挖去部份表层土1.5m厚，基坑土钉墙实际高度为8.0m。根据地质勘探报告，参照《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）确定开挖面3种土层内土钉锚固体与地基之间的极限摩阻力分别为：①-1层--22kPa、①-3层--18kPa、②-2层--35kPa。土钉直径设计为Φ100mmm，分六层施打。参照《基坑土钉支护技术规程》CECS96:97要求，土钉墙喷射混凝土强度等级定为C20，面层厚度100mm，内配Φ8@200钢筋网。土钉墙重要系数选取值1.2。基坑东侧土钉墙坡度为1：0.5，以一级基坑侧壁设计，基坑侧壁重要性系数为1.1；南北两侧土钉墙坡度为1：0.3，以二级基坑侧壁设计，基坑侧壁重要性系数为1.0。基坑支护各层土钉特征及受力情况见表-2。各坡面土钉墙各层土钉特征及受力情况表-2基坑面土钉层次土钉长度(m)螺纹钢直径(mm)倾角(0)土钉所在墙面高程(m)土钉受拉荷载(kN)土钉极限抗拉力(kN)安全系数南北侧第一层91620▽+1.50—36.729—第二层91620▽+0.507.58634.3104.523第三层91620▽-0.5024.75231.8901.288第四层102020▽-2.0044.98063.4091.410第五层112020▽-3.5048.56864.8091.334第六层112020▽-5.0041.89757.7511.378东侧第一层121620▽±0.00—26.729—第二层121620▽-1.008.65624.1102.815第三层121620▽-2.0023.37231.9101.365第四层112020▽-3.0034.98056.1021.604第五层112020▽-4.0037.65655.7021.575第六层112020▽-5.0036.78556.0301.523基坑开挖至▽-1.00m高程时，南侧边坡出现失稳，土钉墙发生局部崩塌。分析其原因，主要是南侧基坑受到地面频繁施工荷载的振动和场地土（主要是①-3层土）的土质条件特别差所致。原支护设计按照地质资料，①-3层土层为“淤泥质粉质粘土”，平均含水量47.5％。基坑开挖后才发现，该土层实际上是“淤泥”，呈流塑状态，含水量高达60%以上，抗剪强度很低，土质差异性很大，且该土层的分布极不均匀，主要集中在基坑东南角，土层最厚处达4.5m以上。为了确保基坑的安全，特请有关部门进行地质复勘，根据复勘结果，针对施工实际情况，调整支护方案。基坑东侧紧临厂区道路，原土钉墙设计方案为，先将地基土开挖到▽+2.00m高程，作成大平台后再进行基坑支护，施工过程中，由于受到场地的限制，大平台未能实现，当南侧边坡失稳后，基坑东侧厂区道路的混凝土路面出现了约3～5mm水平位移裂缝。该通道能否畅通直接影响到主厂房和#1冷却塔的工程进度，为此，对东侧边坡进行了抡救性处理。在▽+1.50处击入长9m，50mm的钢管“注浆击入钉”，（钉距1m，跳隔施打）通过管壁注浆孔将水泥浆液压入到①-1层土体中去，道路水平位移状况很快得到了控制。根据南侧边坡失稳土钉墙破坏的特征，对基坑东侧和东南角①-3层淤泥集中部位采取“超前锚杆结合围楞法”进行加固处理。加固设计方案见图-1。具体方法是：在开挖到①-3层土层前设置超前锚杆，将锚杆锚入②-2层土层中，以锚杆的锚固力来满足加固结构的稳定、强度和刚度。在①-3层土层中打入间距200mm的松木桩和钢管桩，桩间空隙用钢板或木板填实，以防止淤泥挤出。为了使松木（钢管）桩与锚杆支护体系具有足够的整体性，锚杆出露处设置围檩，围檩采用双榀#12槽钢加工而成，锚杆与围檩之间焊接牢固。施工顺序为：按照设计方案打入松木桩和钢管桩于▽±0.00m处施打第一层锚杆，焊接围檩，待锚固体具备一定强度后开挖。在▽-1.0m处设置第二层锚杆和围檩，待锚固体具备一定强度后开挖。▽-2.0m处设置第三层锚杆和围檩。支护方案调整后的基坑东侧和东南角土钉墙各土钉（锚杆）的垂直布置及其受力状况见表-3。各土钉（锚杆）分布及受力情况`表-3土钉层次土钉直径（mm）螺纹钢筋直径（mm）土钉所在墙面高程程(m)倾角（0）土钉长度(m)土钉受拉荷载(kkN)土钉极限抗拉力（kN）安全系数1>5050mm钢管▽+1.5159.013.81523.1421.675215028▽+0.02025.045.452256.4615.642315028▽-1.02014.044.453158.4433.564415028▽-2.02025.0（14.0）52.524149.5332.841510020▽-3.01512.044.47355.8111.255610020▽-4.01512.035.20651.3561.459710020▽-5.01512.040.84352.7251.339为防止施工机械对基坑南侧塌滑部分的二次扰动，以人工清除塌滑淤泥，采用松木桩和锚杆结合袋装土共同构成复合式支挡结构，以支挡上部土体，具体加固结构如图1:1.5+4.0清淤并做袋装土反压体-4.01:0.365004300-2.0-3.0-4.0-5.0-5.50L=11000,D=100,DX==1000L=12000,D=100,DX==1000锚杆，L=14000,D=150,DX==1000L=12000,D=100,DX==1000松木桩（间距500mm)图2南侧塌滑基坑加固图-2所示。1:1.5+4.0清淤并做袋装土反压体-4.01:0.365004300-2.0-3.0-4.0-5.0-5.50L=11000,D=100,DX==1000L=12000,D=100,DX==1000锚杆，L=14000,D=150,DX==1000L=12000,D=100,DX==1000松木桩（间距500mm)图2南侧塌滑基坑加固图北侧基坑地质条件相对较好，仍按原设计方案施工。4．基坑围护施工4．1．基坑开挖基坑开挖时严格照作业指导书要求和土钉布置的设计进行施工，开挖深度控制在下道土钉轴线以下0.3～0.5m为宜，严禁超深开挖。上一层作业面的土钉与喷射混凝土未完成之前，不得进行下一层开挖。①-3层土层中开挖时，一次性开挖面长不得大于5m，以跳挖为主且不能连续开挖。4．2．基坑降排水循泵房周围地表水特别丰富，地下水位较高，①-1层素填土和②-2层粉质粘土的透水性较强，为了提高土钉成孔质量和避免基坑开挖而产生流土现象，必须做好基坑降、排水工作，以提高土钉墙的稳定性。a)、坑外截水：基坑周围设置两道500mm×500mm的排水沟，截住地表水和由①-1层素填土中渗出的地下水，以防流入基坑。b)、坑底排水：基坑作业面的四角设置600mm×600mm×1000mm（深）集水坑，以不小于200mm的排水沟联通。c)、地下降水：②-2层粉质粘土属透水性较强的土层，基坑相距老秤沟浜河仅2m，地下水位较高，为了提高土钉成孔质量和避免基坑开挖而产生流土现象，必须降低基坑地下水位。降低地下水位一般使用“轻型井点降水法”较为理想，但因造价较高，为节约投资，本工程在排水沟的内侧设置“深管井”降低地下水位。井管由直径300mm的钢筋笼制作而成，用无纺土工布作井管外滤料，井深10m，井底标高▽-7.5m，间距为15～20倍D（D为管井直径），高扬程水泵自动排水。d)、坡面泄水：在支护面层背后插入长400～600mm、直径50mm的水平塑料排水管，间距1.5～2m，外端伸出支护面，以便泄出喷射混凝土墙内侧积水。4．3．土钉成孔、钢筋置设和注浆土钉成孔前，按设计要求定出孔位，并作出标记和编号。孔位的偏差应符合规范规定不得大于150mm。按设计深度选用机械或人工洛阳铲造孔，孔径偏差+20mm～-5mm，孔深偏差+200mm～-50mm，倾角的误差＜3º。成孔过程中做好施工记录，成孔后进行清孔检查，如出现局部渗水塌孔或掉落松土应立即处理。土钉钢筋置入孔中前，应先安装对中定位支架，以保证钢筋处于钻孔的中心位置，支架沿钉长的间距约为2～3m左右，支架的构造应不妨碍浆液的自由流动。采用重力、低压（0.4～0.6MPa）、低部注浆式注浆。注浆导管底端先插入孔底，在注浆同时将导管缓慢地以匀速撤出，导管的出浆口应始终处在孔中浆体的表面以下，保证孔中气体能全部逸出。注浆用水泥砂浆或水泥净浆，其W/C不得超过0.45～0.5。为提高注浆的早期强度，在注浆液中掺入水泥重量的千分之0.25的三乙醇胺。注入浆体的充盈系数必须大于1。4．4．喷射混凝土面层施工铺设钢筋网，采用绑扎连接Φ8@200，搭接长度不小于200mm，网格偏差控制在±10mm之内。网片与受喷面设置混凝土垫块，确保钢筋与坡面空隙不宜小于20mm。土钉与钢筋网片之间通过Ф12～Ф18的井字加强筋连接。经固定后的钢筋网在混凝土喷射时不应出现振动。喷射混凝土强度等级为C20，混凝土厚度100mm，选用42.5普硅水泥。粗骨料为人工碎石，骨料粒径Dmax≤15mm，砂F.M=2.5～2.7，水泥与砂石重量比为1：4～1：4.5，砂率Sp=45～55%，W/C=0.40～0.45。喷射混凝土前对机械设备、风、水、管路和电路进行全面检查及试运行。清理受喷面，用短钢筋或其它办法埋设好控制喷射混凝土厚度的标志。喷射混凝土的喷射顺序为自下而上，喷头与受喷面的距离保持在0.8～1.5m范围内，射流方向垂直指向受喷面，在有钢筋的部位，先喷钢筋的后方以防止钢筋背面出现空隙。喷射混凝土的路线可从壁面开挖层底部逐步向上进行，但底部钢筋网搭接长度范围以内先不喷混凝土，待与下层钢筋网绑扎搭接之后，与下层壁面同时喷射混凝土，混凝土面层接缝部位做成45°的斜面搭接。喷射混凝土分两次喷射，每次喷射50mm。第一次喷射完毕后，仔细清除遗留在施工缝接合面上的浮浆层和松散碎屑，并喷水使之潮湿。操作手要控制好水灰比，保持混凝土表面平整，呈湿润状，无干斑或流淌现象。喷射混凝土终凝2小时后方可进行洒水养护，养护时间宜不少于5～7d。5．基坑监测5．1．监测点布置为确保土钉墙基坑围护结构的安全运行，同时指导土钉墙的动态设计，在土钉墙施工过程中，对土钉墙深层水平位移、地面沉降、土钉钢筋应力及地下水位进行了监测。监测布置点见图-3。1:0.3~1:0.5地面沉降500025000-5.5+2.5500-17.5侧斜管埋设图图3土体位移监测平面布置图侧斜管水位管270001:0.3~1:0.5地面沉降500025000-5.5+2.5500-17.5侧斜管埋设图图3土体位移监测平面布置图侧斜管水位管270005．2．土钉受力状态监测土钉受力监测采用沿土钉长度方向，距离土钉墙端面2m、5m和7m处设置钢筋应力计，从▽1.5m～▽-5.0m分六层设置测力土钉，这样可从不同高程、不同深度测得钢筋的受力大小，以估计土钉墙的稳定性并指导施工。钢筋应力计的布置见图-4。200020003000+2.5+4.01:0.3+1.5+0.5-0.5-2.0-3.5-5.0-5.5监测断面分别设在基坑南侧、北侧和东侧边坡的中部。南侧边坡滑塌后，该处的土钉应力观测工作被迫中断。200020003000+2.5+4.01:0.3+1.5+0.5-0.5-2.0-3.5-5.0-5.5图4土钉应力监测点布置图监测结果显示：土钉沿长度方向受力是不均匀的，呈中间大两头小，且随着基坑开挖深度的加深，受力峰值逐渐向远离坡面深处转移，靠近潜在滑裂面处土钉受力最大。基坑东侧最大受力点土钉的拉应力达33.12kN，北侧地质条件相对较好一些，最大受力点土钉的拉应力只有23.20kN。监测结果同时还表明，较小的土钉拉力值与土钉钢筋抗拉强度相比，具有较大的安全储备。图4土钉应力监测点布置图5．3．土钉抗拔力原位试验土钉抗拔力为土钉设计中的主要参数，也是衡量土钉施工质量和土钉与土体相互作用的重要指标。土钉抗拔试验在基坑东侧边坡选择了3根具有代表性的土钉（锚杆）进行试验，土钉抗拔结果见表-4。土钉（锚杆）抗拔试验结果表-4试验编号螺纹钢直径（mm）土钉（锚杆）长