某高层建筑深基坑止水帷幕与复合支护结构设计

来源:用户上传      作者: 唐旭华

　　摘要：本文介绍了强渗水大型深基坑止水帷幕施工设计方案的选择，花管注浆帷幕的工法特点、质量及工期保证措施，以及复杂地质深基坑复合土钉支护结构的设计。
　　关键词：深基坑；止水帷幕；复合土钉支护；结构设计
　　中图分类号：TU94+2
　　文献标识码：B
　　文章编号：1008-0422（2013）09-0092-03
　　1 引言
　　复合土钉支护是继桩、墙、撑、锚支护之后，一种用于土体开挖和边坡稳定的挡土新技术，它与传统的支护结构相比，具有适应地质条件性强，施工简便快捷，现场文明，支护质量高，经济性能好，便于信息化施工等优点。本文介绍某工程大底盘地下室的基坑止水帷幕及复合支护结构的设计方案和施工技术要求。
　　2 工程概况
　　本工程位于长沙市次干道城南中路北侧；总用地面积约14060m2，总建筑面积约70300m2；地下两层，地上三十四层住宅楼3栋、十四层公寓楼1栋、十七层办公楼1栋；+0.000m相当于绝对标高40.5m，地下室底板的底标高-10.3m相当于绝对标高30.2m；基坑支护总长度约490m。
　　3 岩土地质及水文地质条件
　　3.1岩土地质条件
　　建筑场地岩土层从上至下为：
　　3.1.1人工填土：主要由粘性土夹砖块、碎石、碎混凝土块等建筑垃圾构成，填土松散，未完成自重固结，厚度0.3～3.3m。
　　3.1.2淤泥质粉质粘土：褐灰、灰黑色，含有机质，干强度及韧性中～高，呈湿～饱和，软塑～可塑，分布于场地内局部区域，厚度0.7～2.8m。
　　3.1.3粉质粘土：褐红、褐黄色，夹灰白色斑纹，具网纹状结构，干强度中～高，摇震无反应，稍湿，硬塑～坚硬状态，分布于整个场地，厚度2.6～3.8m。
　　3.1.4圆砾：褐黄，灰白色，主要成分为石英质，呈亚圆～圆形，一般粒径5～20mm，含30%左右中细砂，顶部含粘性土较多，底部含卵石较多，卵石粒径一般为30-50mm，湿～饱和，中密状态，分布于整个场地，厚度3.8～5.6m。
　　3.1.5第四系残积粉质粘土：褐红、褐黄色，由下覆泥质粉砂岩或砾岩残积而成，可变原岩结构，捻面光滑，干强度及韧性中等，摇震反应慢，局部含20%砂砾及碎石，湿～稍湿，硬塑～坚硬状态，分布于整个场地，厚度0.3-4.5m。
　　3.1.6强风化泥质粉砂岩：褐红色，大部分矿物已风化，节理裂隙发育，遇水易软化，曝晒失水易干裂，冲击钻进困难，岩芯多呈碎块状，分布于整个场地，厚度1.3～4.0m。
　　3.1.7中风化泥质粉砂岩：褐红色，冲击钻进困难，岩芯呈长柱状，岩体较完整，岩体质量等级V级，分布于整个场地，揭露厚度10.3-14.0m，未穿透。
　　3.2水文地质条件
　　勘察期间，场内各钻孔均遇见地下水。地下水分为两种类型：上部填土层中的上层滞水和下部圆砾层中的孔隙承压水。上层滞水主要接受大气降水和地表生活排水的补给，其水量较小，无稳定水位，基坑土方开挖时采用明沟排水；下部圆砾层的孔隙水与白沙井水系有水力联系，测得圆砾层中稳定水位28.9～35.3m，渗透系数10.5～12.3 m/d，平均值为11.4m/d，为强透水性地层。基坑下部土方开挖和主楼桩基施工需要考虑排水、止水措施。勘察单位提供的抗浮设防水位为37.0m，基础设计须考虑抗浮设计。
　　4 基坑止水帷幕设计方案
　　4.1止水帷幕的必要性
　　本工程填土中的上层滞水的水量虽不大，对基坑土方开挖影响也较小；圆砾层具有强透水性，且与白沙井水系有水力联系，地下室基坑土方开挖和桩基施工都要进入或穿过圆砾，若不进行止水及降排水设计，将出现涌水涌砂对基坑支护本身、甚至对周边的建筑物、道路产生开裂或塌陷的危害，危及其安全。因此基坑需要设置止水帷幕。
　　4.2对圆砾层埋深和厚度的统计分析
　　根据场地土的钻孔柱状图，经统计场地内全部64个钻孔的圆砾层，其最大厚度为5.6m、最小厚度为3.8m、平均厚度为4.7m；圆砾层顶板最高标高为35.8m、最低标高为30.9m、平均标高为32.6m。基坑的基础底板标高30.2m，基坑开挖时将揭露圆砾层，将有地下水涌出，因此止水帷幕需要从基坑底部以上开始做起。
　　4.3止水帷幕设计方案比选
　　拟采用的止水帷幕设计方案有：
　　①三重管高压摆喷止水帷幕方案；
　　②钻孔灌注桩加花管注浆止水帷幕方案；
　　③花管注浆止水帷幕方案。
　　方案①在圆砾层中钻孔难度大，效率低；需要大型施工设备，材料尤其是水泥浪费多，水电消耗量大，工程造价较高；如遇到喷嘴附近有卵石遮挡，将使帷幕不连续，造成止水效果欠佳；施工产生的废水废浆多，费时费钱，占用的施工场地面积较大。
　　方案②较方案①造价较低，止水效果可靠，但由于在较厚的圆砾层中钻孔，难度较大，工效较低。
　　方案③是当基坑开挖和支护至圆砾层之上2.0m左右时，沿基坑底边线，采用小型钻机钻ψ45的小孔，并将钻头和钻杆留在孔内作为注浆管，采用分段高压注浆工艺，使浆液在压力条件下，较均匀地扩散入土层，形成连续帷幕达到止水目的。这种注浆工法的特点是：钻孔和埋设注浆管一次完成，不用泥浆护壁，不用担心垮孔；钻孔、制浆、注浆可实现流水作业，实现劳动力和设备的优化组合，达到“优质、高效”的效果；所使用的小型钻机轻便、灵活，所需劳动力少，有利于工期控制，有利于根据现场地质条件的变化适时调整孔深孔距，便于信息化施工，确保施工质量。
　　综上所述，本工程的基坑止水帷幕决定采用方案③，即花管注浆止水帷幕方案。 　　花管注浆止水帷幕布置示意图和注浆剖面示意图分别见图1和图2。
　　4.4花管注浆止水帷幕止水帷幕的主要技术参数
　　钻孔直径：42-45mm；
　　孔位偏差：≤50mm；
　　钻孔间距：0.8m，梅花形布置；
　　注浆压力：2.0-2.5MPa；
　　浆体有效扩散范围：≥1.0m；
　　帷幕有效厚度：≥0.8m；
　　钻孔深度：≥7.5m；
　　圆砾层中注浆量：≥180L/m；
　　帷幕平均深度：≥7.0m；
　　浆液配合比，水泥：粉煤灰：水玻璃：水=2：1：0.3：2.5：
　　浆液水灰比：0.82-0.85；
　　浆液比重：≥1.60-1.65；
　　结石体强度：15MPa；
　　结石体渗透系数：K≤8.6×10-3m/d。
　　4.5花管注浆止水帷幕施工质量、工期的保证措施
　　4.5.1正式开工前，在现场进行注浆试验。根据现场试验确定控制压力、水泥用量、配合比、注浆次数等施工参数，确保帷幕施工质量。
　　4.5.2注浆过程中应注意观察，如遇注浆压力突变等现象，应立即停止注浆并查明原因，采取有针对性的处理措施。单孔注浆结束标准应根据下列情况综合决定：①注浆量达到设计要求；②注浆压力超过设计值；③地面冒浆。
　　4.5.3根据施工进度情况，随时增加小型钻机和人员；加强内部施工管理与人员、设备的调配。
　　4.5.4加强与土方开挖的配合与协调，尽量减少相互干扰的时间，特别注意不要超挖规定的土层深度。
　　5 复合基坑支护结构设计
　　5.1基坑支护方案的选择
　　基坑支护的方案很多，如放坡、护壁桩、桩锚、土钉等，各种方案各有优缺点。因此，选择合理的方案是保证基坑支护结构安全的关键。在掌握本建设场地的岩土地质、水文地质资料和周边环境条件的基础上，进行多种方案的分析、论证与优化对比，本基坑采用土钉加预应力锚杆的复合土钉支护结构，边坡滑动面假定通过每层基坑开挖土层圆弧面的坡脚，见图3。采用该方案的理由：一是本场地杂填土力学性能较差，但能通过打入花管并灌注水泥净浆使该层土性能得到改良；二是基坑开挖深度达10.30m以上，且周边有城市次干道、施工道路、住宅楼，因此变形控制要求高；采用复合土钉支护结构，可以有效控制基坑边坡位移过大造成邻近建筑物、道路开裂，且工程造价相对较低。
　　5.2设计原则
　　5.2.1支护方案根据勘察报告和周边环境条件及基坑深度确定。
　　5.2.2基坑安全等级一级，重要性系数y0=1.1，综合荷载分项系数取1.3。
　　5.2.3地面附加荷载：东、南、北向取均布荷载q=15kPa；西向车辆进出场地道路的运输车辆重按400kN取值。
　　5.2.4考虑土钉以及预应力锚杆对滑动体的有效极限抗拔力作用。
　　5.2.5设计所需参数根据勘察报告并结合工程经验确定，见表1、表2。
　　5.3复合土钉支护结构设计思路
　　复合土钉支护结构的设计是采用以受力和稳定性为主、变形控制为辅的设计方法，通过施工过程中的监测，进行信息化施工，及时反馈信息，完善复合土钉设计，以达到基坑支护结构安全可靠的目的。
　　该工程的复合土钉支护结构采用一主一辅方法进行设计，即土钉长度、土钉抗拉承载力、边坡稳定性等主要采用普通土钉设计方法进行设计，以保证基坑边坡的稳定，另外辅以预应力锚杆未限制基坑变形。由于要满足施加预应力而不降低预应力锚杆的抗拉承载力，故需要对预应力锚杆长度予以适当加长。
　　5.4土钉锚杆
　　土钉锚杆的抗拔承载力主要取决于杆体、水泥砂浆和土体三者的强度及其之间的粘结摩阻力，杆体材料强度和杆体与灌浆体间的粘结力在设计中相对容易满足，且杆体与砂浆间的粘结强度远大于土体与粘结灌浆体间的剪切强度，因此会出现软弱土体与砂浆强化体之间的相对软弱面的界面效应，导致土钉锚杆破坏一般就出现在土体与砂浆体的界面处。按现行《建筑基坑支护技术规程》计算土钉抗力时，仅考虑土钉的抗拉作用，而忽略土钉所起的抗剪、抗弯作用，这种计算法偏于安全，可靠易行。根据土钉达到一定长度后，对土层整体稳定性的提高无影响的原则，根据规程的有关计算公式，就能求出土钉对滑动体的极限抗拔力，相应地就能确定土钉的排数、排距、间距等。
　　根据CD段的计算结果，并结合分层开挖情况，土钉布置六排，见图3。土钉排距最小800mm，最大1500mm；间距最小1500mm，最大2000mm；土钉孔径均采用130mm；土钉最小长度5.0m，最大长度10.0m；第一排由于成孔困难的原因，采用12。水平角布置（p48钢管混凝土外，其它各排土钉均按1 5。水平角布置，土钉钢筋直径φ22mm-φ28mm不等，砂浆强度M20。
　　土钉的钢筋与水泥浆体间的极限粘结强度TS为1680kPa，土钉钉头与面层连接处的极限抗拉力Tu为60kN。
　　5.5预应力锚杆
　　在实际设计中，当仅采用土钉要获得足够大的内部整体稳定安全系数比较困难，或者对基坑的边坡变形有较为严格的控制要求时，则应采用部分预应力锚杆。
　　本工程采用的预应力锚杆的具体要求为：预应力锚杆钻孔直径150mm，水平倾角25°，水平间距2.4m，与第四排土钉间隔布置；拉杆为1～28HRB400级钢筋，抗拉强度标准值fyk=400MPa，锚固段长15m；混凝土腰梁底面土体的极限承载力为240kN。
　　6 结语
　　6.1对大型深基坑的止水帷幕和支护结构的设计应根据工程地质、水文条件和周边环境条件综合考虑，科学选定设计、施工方案，达到设计安全可靠、施工方便、成本节约的目的。
　　6.2土的性质、层厚以及埋深等因素对复合土钉支护结构的设计有很大影响，应予高度重视。
　　6.3预应力锚杆对提高复合土钉支护结构的整体稳定安全系数、减小边坡变形的作用是非常明显的，施工时务必采取措施加强预应力锚杆的质量控制。
　　6.4复合土钉支护结构在施工阶段的稳定性一般比完工后更加危险，尤其是当土层开挖完毕，而土钉或预应力锚杆还没有施工或没有达到设计要求时。在此过程应特别加强对施工的监测，加强安全防备。
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