软土地基超深基坑支护的技术应用

提要本文着重介绍浙江地区软土地基上密集建筑群中超深基坑支护技术的几种常用型式。具体介绍了超深基坑的支护技术在实际工程中的应用，并以案例为说明，结合“新奥法”，作了基本的技术经济分析，说明了超深基坑支护技术应用发展。关键词：超深基坑、支护技术、围护结构AbstractThisartileintroducessomeformsofoverdeepfoundationputbracingtechnologieswhichwerecommonlyinsoftfoundationofzheJiangwithconcentratedbuildings.Italsogivessomeexampleapplyingoneofthesetechnologiesandmakesessentialanalysisintechnologyandeconmy.Atlast,itdescribesthenewderelopmemttrendsinbracingtechnology.Keywords:Overdeepfoundationpit,bracingtechnology,endosurestructure目录第一章基坑支护技术概述1.1基坑支护技术的重要性……………41.2基坑支护技术的意义………………41.3基坑支护的理论依据………………41.4“新奥法”的介绍…………………5第二章常用的基坑支护技术…………5第三章超深基坑常用支护方案…………73.1大直径密排钻孔灌注桩加水泥搅拌桩加桩内支撑………………73.2地下连续墙加支撑…………………73.3技术经济分析………7第四章以往的深基坑施工经验教训……8第五章案例说明…………95.1工程概况……………95.2围护方案的确定……………………105.3围护结构设计………115.4施工中的技术问题与处理…………125.5基坑监测与应急方案………………125.6节约材料……………135.7结果分析……………13第六章基坑支护技术应用的总结………13结束语……………………15致谢词……………………16第一章基坑支护技术概述1.1基坑支护技术的重要性近年来，随着经济的发展，浙江地区已经或正在兴建大批高层和超高层建筑。浙江地区的地层属于长江三角洲冲积层，浅层基本上式饱和的软粘土层，且在密集的建筑群内做深基坑，难度很大。随着建筑高度的增加，基础埋深也随之不断增加，首先需要解决的就是深基坑的支护技术。为了建筑的整体稳定与开发利用。一个高层建筑物能否顺利地建成，深基坑的支护技术不仅要保证基坑内能正常地安全作业，而且要防止坑底及坑外土体的变形，保证基坑附近的建筑物、道路及各种地下管线的正常运行。1.2基坑支护技术的意义虽然深基坑的支护技术仅是深基础施工阶段的临时性的施工技术措施，但它的重要性是显而易见的。另一方面正是由于深基坑支护技术措施属于临时性的结构物，除了在技术上要求安全可靠外，它在经济上的合理性，就显得更为重要了。深基坑支护工程是一个涉及工程地质、建筑结构、土力学、管理学等多种学科综合性新兴边缘学科，是一个复杂的系统工程，而软土区深基坑支护因土体强度极低的独特特点而成为工程界学术界的热点。目前，深基坑支护结构作为临时性措施来处理，同一工程的基坑方案造价最大可差一倍以上。要降低工程造价，一是要正确解决作用于支护体上荷载，确定问题；另一是支护体的设计与实施如何来充分发挥软土的强度特性，从支护结构和施工工序工艺角度来最大限度地发挥软土支承潜力。1.3基坑支护的理论依据以杭州地层为例，杭州地层在第一层地层以下大致可以中山路为界，以东多为粉土，以西多为淤泥质土。这类土层的自立性差。随着城市建筑的地下室开发利用的要求越来越高，在这类土层中修建一层、二层甚至三层地下室已相当普遍，因此深基坑围护一直是一项重要的基础工程。以往基坑设计一直以松弛荷载为出发点，研究作用于支护结构上的荷载，也就是以土压力理论为基础，在这种理论指导下特别注意研究围护体系的结构强度，支护工作必然采用大量刚性的支挡结构，如钻孔灌注桩、沉管灌注桩、钢板桩，基坑内采用大断面的砼支撑、钢管支撑等等。但近年来杭州地区逐渐总结应用岩土力学理论、锚喷支护、量测技术等先后在砂性土、粉土地层中有效地应用了加固土体的土钉墙支护并逐步推广到淤泥质土层中，取得了较好的经济效益和工程效益。近年来，国际上隧道掘进中逐步推广应用奥地利隧道掘进新方法（NewAustrianTunnellingMethoce）简称“新奥法”。1.4“新奥法”的介绍“新奥法”是由奥地利著名的地质力学、岩土力学和工程地质学专家L.V.腊布希威茨（L.Von.Rubawice）和奥波德以及缪勒（L.Muller）教授及F.帕赫（F.Pacher）工学博士在长期科研和工程实践中，在总结运用当代岩土力学理论和锚杆、网喷及量测等新技术的基础上创建的掘进隧道的一系列新概念和原则，腊布希威茨认为，“新奥法”就是涌岩石（土体）本身作支护的方法。众所周知，当岩石（土体）在三轴受力状态下才是稳定的，而岩石（土体）处于单轴或两轴应力状态时，土体（岩石）的强度就很低，而“新奥法”认为隧道（基坑）是支护、混凝土支砌与围岩（周边土体）组成的相互作用的整体化的地下结构物，其中从根本上讲起支护的主要作用的是围岩（周边土体）。所以基坑开挖后的工作就应当是：保护围岩（土体），发挥围岩（土体）的自承能力。当基坑开挖时应力和形变随之发生改变，周边土体应力逐渐释放，出现应力松弛现象，这种现象存在时间效应，应力变化随时间的推移改变的幅度并不是均匀的，如示意图所示，变化的峰值区在L1至L2段，其实应力变化可比平时大3～5倍，所以第一层喷射混凝土（素喷）必须在峰值出现前使之具备足够的维持力，才能阻止应力继续增大，从而使以土体为主的综合承载结构发挥较大作用。缪革力教授在日本的土木学会和隧道技术学会的讲演中对“新奥法”提出了双条原则，这些原则大致可分为八个方面：保持并加强岩体作为主要的承载结构；允许围岩产生一定量的局部的应力松弛；通过量测确定岩体和支护的时间特性；按预算的局部应力松弛确定开挖和支护方式及支护时间；支护既能起到承压环的做用，又能够自由挠曲；在静力学上把岩体与支护视为复合体；施工中通过量测进行监控和决定有关参数；遇到特殊情况必须采取辅助措施。第二章常用基坑支护技术概述建筑基坑开挖和隧道掘进虽然有一定区别，但亦有着广泛的共同性，其主要区别在于建筑基坑是开放式的，隧道掘进是闭合圆环，但他们都是地下构作物。因此新奥法的八个方面双条原则在建筑深基坑开挖时亦同样重要，深基坑开挖的失败往往是有意无意的违反了上述原则所致。通常，根据建筑基坑开挖暴露时间深度、宽度、地层含水量、周边管道及周边建筑物基础类型的不同，这类加固土体的支护结构一般可分为以下几种常用型式：喷射砼临时支护，对深度不大但自立性差的土体采取临时加固办法；简易土钉墙：即自上而下设置呈梅花型分布的数排土钉，当开挖一定深度，一定宽度后，在土体发生变形前，迅即速喷一层喷射砼，随之以适当间距施工一排土钉，在素砼上挂好φ6200×200的钢筋网，土钉间横向用2ф16Ⅱ级钢筋通长与竖向钢筋2φ16300×300呈井字型焊接于锚杆外端部紧压于钢筋网上，然后再喷第二层喷射砼，先后二层C20喷射砼累计厚100mm；搅拌桩或旋喷桩与土钉墙相结合的复合体系；这种复合体系一方面使粉土层、淤泥质土层的基坑侧壁形成一定厚度和强度的水泥土，增强了稳定性，另一方面又更好地起到了隔离坑外水地作用，土钉锚喷又使网喷砼、水泥土及原地基土层成为一个整体，由此大大改善了综合土层地摩尔强度条件；钻孔灌注桩、水泥搅拌桩（旋喷桩）土钉墙相结合地复合土钉支护体系；此法是设置在基坑深度较大的地段，主要目的是解决水泥搅拌桩（旋喷桩）强度不足的问题，在搅拌桩（旋喷桩）中间以适当的间距设置必要的钻孔灌注桩，以在钻孔桩间隙中施工数排土钉，上复钢筋网喷砼，以增大坑壁的抗弯、抗剪强度，同时控制基坑变形；钻孔灌注桩、水泥搅拌桩（旋喷桩）加回檩的预应力锚杆增加了坑壁的支档点，缩短了坑壁的弯距，改善了基坑变形。为了预防基坑出现管涌、涌土或基坑底隆起，基坑内侧（土压力理论的“被动土区”）部分，通常采用水泥搅拌桩加固垛呈格栅状，使坑壁上部的压顶梁与坑壁底部的加固垛形成双头支铰状与回檩和预应力锚杆（土钉墙）及原状土体成为一个整体，改善了坑壁复合土莫尔压力条件。对于深度特大（10m或10m以上）的基坑下部为了加强其下端的支铰能力通常还设计用钢管或木料组成超前锚杆，采用先进支护再开挖的复合围护体系。采用此类以加固土体、改善莫尔压力条件的方法的优点是：基坑内无支撑,使于基坑开挖施工；经济效益好，省去了基坑内庞大的大断面的钢筋砼支撑的制作和拆除工序，土钉墙所用材料较少，施工方便，价格便宜。施工设备简单、轻便，在砂性土中常用洛阳铲成孔，配以井点降水；在淤泥质土中采用液压动力头带动钻具、泥浆护壁成孔，液压动力头只需二人手扶推进；如遇涌水过大锚杆过长等特殊情况无法成孔时，亦可采用凿岩机直接施打特殊加工好的锚管，注浆成土钉。安全可靠：无论是洛阳铲成孔或是液压动力头成孔，孔径可达150mm。锚杆外侧注浆后，水泥固结体对锚杆就具有一定的握固力，水泥固结体与周边土层又有适当的摩阻力，确保土钉墙与周围地基土形成共同作用的支撑。施工有较大的灵活性，由于采用边挖边施工的办法。在开挖过程中可以根据现场开挖土质的变化情况和现场监测土体的变化曲线，及时调整土钉的长度和间距，必要时可及时采取应急措施。第三章超深基坑支护常用技术方案概述上述的几种基坑支护型式是对于10m以上的超深基坑并不适用。就目前来讲，10m深10m或10m以上的超深基坑的支护技术方案常用的有以下两种型式：3.1大直径密排钻孔灌注桩加水泥搅拌桩加内支撑在这种围护结构型式中，大直径密排钻孔灌注桩加内支撑作为主要结构，承受水土压力，基坑边的超载，保证基坑的稳定安全；水泥搅拌桩主要用于隔水，也有在水泥搅拌桩与钻孔灌注桩之间在加压密注浆，用作隔水的补充和加强措施。围护钻孔灌注桩的直径一般在850㎜～1000㎜之间，最大的也有用到1100㎜。内支撑一般采用两道或三道，支撑可采用钢管支撑或钢筋混凝土支撑。近年来，大量的工程采用了钢筋混凝土支撑，主要是因为施工方便，支撑布置型式较为灵活。可根据基坑的平面形状和受力情况，将支撑布置成棋盘格状。对角斜桁架和圆环状，但混凝土支撑后期爆破拆除清理工作量大，周期也较长。爆破时，需注意对基坑周围进行安全保护，特别是在建筑物和行人密集区域附近。3.2地下连续墙加内支撑在地下连续墙加内支撑的基坑支护结构型式中，地下连续墙既是围护结构，也是隔水措施。墙厚一般取800㎜。内支撑一般也采用钢筋混凝土支撑，或采用钢管支撑及钢筋混凝土支撑组合型式。在密集建筑群或城市中，深基坑一般采用内降水而保持基坑外的地下水位相对稳定。这样，虽然对围护结构提出了较高的要求，但对减少基坑外的各种地下管线的位移和变形以及减少对周围的建筑物不利影响是十分有利的。3.3技术经济分析上述两种基坑支护方案，在整个基础施工的各个施工情况条件下，围护体的受力和变形，整体抗滑移、抗渗及抗隆起等各项稳定性方面，经过计算论证，均能满足要求，施工技术上也有较成熟的经验。因此，这两种方案在技术上是可行的。从经济角度来分析，由于定额关系，地下连续墙方案的造价要高出钻孔灌注桩方案约30％左右。根据以上两种超深基坑支护方案的比较，将围护体、支撑、防渗、降水和挖土等各项因素综合折算成沿基坑长度的每延米造价，地下连续墙方案大约为6.18万/米，而钻孔灌注桩方案为4.31万/米。这是单纯从支护技术的角度来分析的。但是，如果支护技术的设计能与地下基础结构的设计结合起来考虑，即地下连续墙不单用作围护结构，将来还用作基础结构的一部分，其综合经济效益是明显的。在城市里，密集建筑群中超深基坑无论采用钻孔灌注桩，还是地下连续墙作为深基坑的主要围护结构，也无论支撑的布置型式如何，在土方开挖过程中，围护结构的变形位移是难以避免的，基坑周围的建筑物和各类地下管线的受影响程度直接取决于围护结构的变形大小及方向等。因此，为保证工程基坑四周的建筑物和各类地下管线的安全，主要应从减少围护结构的变形入手。第四章基坑支护施工经验教训根据杭州建筑深基坑开挖的经验，采用此类加固土体，改善土体莫尔压力条件的方法，如果应用得当，基坑是稳定可靠的，但有的基坑开挖亦曾出现问题，究其原因分析，认为主要是施工时未按照“新奥法”理论要点和原则进行施工。实践教训之一：在基坑开挖时，有的施工单位一味追求挖土效率，超长、超深开挖，导致应力形变进入峰值区而致基坑坍塌。实践教训之二：某些施工单位贪图方便，简化去第一层喷射混凝土，致使围岩产生的一定的局部应力松弛超值，促使基坑不稳定因素增大。实践教训之三：在某基坑某段，下部土层为流塑的淤泥质土，挖深7.73采用一排Φ800@1800插入深8670mm的钻孔灌注桩，其外侧用2排φ600mm水泥搅拌桩挤土止水，压顶梁下用5排@900mm的土钉长9～13米锚管作为土钉墙，被动区水泥搅拌桩如图，按设计次围护应当比较稳定，但施工期间因为种种原因为加固坑壁，设计又增加了φ600mm钻孔桩一排，插入深度大于φ800mm钻孔灌注桩，原计划与φ800钻孔桩组成门式结构，施工时又因土钉影响钢筋笼下放而改为φ219和φ600之间间隙较小，混凝土无法灌入其下部，孔内存在300mm的间隙，开挖时复合土钉墙和土体无法组成一个相互作用的支挡结构，致使围护体系整体失败，坍塌时新增的钢管桩处出现整齐划一的断口，事故说明围护体系必须防止土体松弛进入峰值区。同一实例的另一教训是：改基坑壁侧斜管埋深是根据φ800mm钻孔桩的深度布设的，而φ600钻孔灌注桩深度更深，从而使测斜管的下端滑入滑移区内，因而测斜结果不能及时反映土体位移状况，无法及时调整施工方法和采取必要措施，直至坍塌。实践教训之四：某工程下部为淤泥质土，上部杂填土中含自由水不定，测斜管布设在基坑外6～7米处，由于布设离基坑处远，施工时每天的测斜数据正常，但杂填土中的静水压力将淤泥质土持续向下压缩，致使坑底发生涌土，而动水压又迫使淤泥质土和喷射土钉墙脱开网喷结构变成虚设的薄壳状，致围护失败时上部测斜才出现负值。实践教训之五：某工程5号楼6号楼，前者在场地之西侧，后者在场地之东侧，均采用土钉墙围护，采用预应力管桩，由于6号楼东侧与某校的橡胶跑道相近，5号楼西侧相邻一低层居民楼，为预防管桩施工挤土效应，对相邻构筑物造成损坏，挖土时开挖了隔挤沟。该区上部杂填土中水量为定，下部为流塑淤泥质土，基坑开挖6号楼每隔10～15米设一集水井，井深超过杂填土0.5～1米。开挖时集水井中及时用潜水泵排水，而5号楼未按要求设置排水井，加之该处生活污水补给未定，6号楼顺利施工，而5号楼造成严重坍方。最后经封闭该区生活用水，清除已脱开的喷射混凝土网壳卸土，重新施打锚杆进行喷射支护才完成基坑施工。第五章基坑支护案例说明5.1工程概况：杭州市庆春路某两层地下室粉砂土层中基坑开挖实例，该基坑围护结构采用一排钻孔钻孔灌注桩及两排深层搅拌桩止水帷幕并设φ630钢管支撑。该工程场地地面标高-1.5m，±0.00以上七层，建筑总高度32m，设两层地下室。箱形基础，底板底面标高-8.60m，地梁底面标高-9.50m，垫层厚25㎝。挖土深度为7.27m。基坑开挖面为长方形49m×24.9m，由于基坑东临东河路且与临街的八间单层商业用房相距不到4m，西面距河道绿化带不到5m，北面与电力局地界最近处只有4m，南面距六层住宅围墙为7m，因此大大限制了基坑开挖方案的选择，见下图：土层参数见下表：土层的主要屋里力学指标层次土层名称含水量（％）重度KN/m3快剪渗透系数㎝/s承载力标准值KPaφ（度）C（KPa）②—1砂质粉土29.119.413.811.41.07×10-3130②—2粉砂类粉土29.119.317.811.11.82×10-3200②—4砂质粘土36.318.813.015.2130②—5砂质粉土30.119.45.72×10-31505.2围护方案的确定：受场地所限，该基坑不能放坡开挖，但可考虑在基坑周边水平4m范围内卸土厚1.05m。因粉砂土渗透系数大，围护结构不仅要有可靠的强度与稳定性；而且要进行有效的降水隔水，因此可考虑的方案有以下四种：方案一、一排钻孔桩+一排高压旋喷桩止水帷幕+平面八角斜撑方案二、多排深层搅拌桩重力式支护方案三、一排钻孔桩+两排深层搅拌桩止水帷幕+平面八角斜撑方案四、一排密排钻孔桩+一排稀疏钻孔桩+深层搅拌桩或高压旋喷止水帷幕方案一与方案三的止水效果好，但费用方案一偏高；方案二需要较开阔的场地，无法施行，首先排除；方案四不设支撑便于挖土，但造价较高。带水平支撑的方案，无疑给机械挖土带来了困难，但比不设支撑要经济的多，每延米可为建设单位节省300～400元。遵循技术先进，经济合理，施工可行的宗旨，最后选定方案三。见下图5.3围护结构设计：采用一排φ700间距900㎜，有效桩长15m钢筋混凝土钻孔灌注桩，灌注桩外侧设置二排φ600水泥搅拌桩作隔水墙，基坑周边水平4m范围内卸土1.05m，水平方向设钢筋砼八角撑，支撑顶面标高为-2.55m，见下图，坑内外采用轻型井点降水。土压力计算：地面荷载考虑：q＝20KN/㎡,土压力采用水土分算主动土压力：Pa＝（q+Σrihi）Ka-2C被动土压力：Pa＝（q+Σrihi）Kp+2CKa＝tg2（450-φ/2）Kp＝tg2（450+φ/2）式中：Ka—主动土压力系数Kp—被动土压力系数ri—土的重度（KN/m3）hi—基坑开挖土层厚度C—土的内聚力φ—土的内摩擦角（二）计算结果计算采用杆系有限元法，计算结果如下：围护结构最大弯距：Mmax＝28.00T.M/M墙体最大水平位移：5.0㎝支撑最大内力270T/根基坑抗隆起稳定性分析（毕肖普法）：Fs＝1.25>1.2满足要求5.4施工中的技术问题与处理为减少主动土压力和便于基坑内施工挖土，在基坑开挖时采用轻型井点降水，井点在基坑外布置。本基坑围护方案中，轻型井点降水为一重要措施。因此井点井水在开挖前一周就已经进行，这样有效地降低基坑内外侧的地下水位。截断地面明水，形成完善的明沟排水系统。基坑外围3.5m内地面施工荷载限制在20KN/㎡以内，压顶（亦即围檩）部分不许堆载；水平支撑竖向荷载不许大于850N/m。在降水过程中，施工单位加强对地下水位，周围房屋、马路一侧的沉降观测，由专人负责。一旦发现沉降过大，就立即停止抽水，并采取相应措施。基坑开挖在围护及压顶梁施工完毕后进行。挖土时采用分层挖土的办法，设置钢筋砼支撑，混凝土强度必须达到设计强度的80％方可进一步挖土施工，为了使支撑及压顶早些达到设计强度，混凝土可加早强剂。5.5基坑监测与应急方案为确保基坑施工安全，以及周围建筑道路的安全。必须对整个基坑施工过程（从开始挖土到地下室底板浇捣完毕）进行施工监测，监测内容包括以下四个方面：1.支护结构及坑壁土体深层位移。2.房屋及道路的沉降、相对沉降。水平角撑的内力。地下水位观测，严密注意基坑边六层建筑物的沉降以及马路一侧的沉降，出现异常情况应立即停止降水。若根据基坑监测内容，发现围护结构变形指标超过动态设计要求，必须采取措施。拟采取措施包括对水平支撑进行补强，架设斜撑，改变挖土顺序和有条件方向局部卸土等。5.6节约材料由于考虑到施工进度及钢筋砼支撑难于拆除等因素，本基坑在施工将基坑中部及基坑角部的八角斜撑改为两根φ630钢管斜撑，中间一道砼支撑及附在一起的八角斜撑改为三道φ630钢管水平支撑，重要的是钢管支撑便于回收与多次使用。5.7结果分析该基坑施工时按从西向东，自北向南的顺序进行开挖，边开挖边布设角撑和横撑，同时进行井点降水，由于场地距河道不远，降水进度缓慢，且本工程搅拌桩施工与设计要求有一定差距，致使坑外井点降水几乎失败，导致基坑内部局部有积水，延误了底板正常浇筑时间。经过一系列的测试和分析，得出以下结论：在本围护作用下整个基坑变形很小，最大位移部超过2㎝，可见围护结构作用明显。从监测报告可以看出，绝大部分桩的位移曲线趋势相似，由于钢管支撑的作用，支撑处位移都相当小，一般部超过1㎝。且支撑做好后，桩顶和基坑处位移不再发展，可见支撑对稳定变形有很大作用。本基坑是边开挖边做支撑，可以想到，若在开挖前做好支撑，其效果将更为明显。开挖完毕后，随着垫层和底板的浇筑，基坑的变形逐渐稳定，虽然部分土体仍有微小的朝向坑内的位移，但大部分土体不再向坑内移动，有些甚至有向初始位置恢复的趋势。支撑拆除后，位移也没有再发展。总的看来，土体位移基本上都朝向坑内，即有整体位移的倾向。由于监测的时间过早，土体开挖前已有扰动，水位下降较慢，说明粉砂土层基坑井点降水效果不理想，显然这与附近河道水位较高有关，在一定程度上，影响了施工进度，但在长时间的开挖过程中，本围护结构还是经受了严峻的考验，而且表现良好。第六章基坑支护技术的总结从上述案例中可以认识到，在建筑深基坑围护中“新奥法“的理论和许多原则均有指导意义，应用得当可确保工程安全，其中特别应当注意的是：要努力保持并加强土体作为主要的承载结构，这就要求：开挖时尽量不破坏土体原由的强度，挠动越少越好；必须尽量防止围岩松弛，要控制每循环次的开挖深度和宽度，开挖出来后，必须做好防护层即防护层做的愈快愈好，则安全性和经济性就愈高，迅速喷射第一层喷射混凝土，并连续进行施锚、挂网喷第二层喷射混凝土。要追求有效的量测，确保土体和支护时间特性，适时采用和调整施工方法和措施，必要时可增加锚杆密度和长度等，以确保围护的最佳效果，量测点的布设深度和距