复合支护结构在十笏园基坑工程中的成功运用

毛宝江 李永基 樊朝金

1 工程概况

潍坊市十笏园文化街区项目位于向阳路和东风大街东北角,与脑科医院邻近,基坑周长1 400 m,开挖深度约为12 m。

该工程基坑东北侧为国家级重点文物保护单位十笏园博物馆,基坑开挖边线距古围墙仅5 m;基坑南侧及西侧的东风大街、向阳路为市区纵横主干道,大型公交、施工商品混凝土运输车及其他社会车辆众多;基坑西南侧距开挖线5 m范围内有层数为10层的脑科医院,并带有消防水池、露天停车场。

2 工程地质条件对基坑支护的影响

①杂填土,均厚为4.0 m;②粉质黏土,均厚为 2.27 m,C=16.2 kPa,γ=19.5 kN/m3,Φ=16.1°;③粉土,均厚 3.20 m,C=14.6 kPa,γ=19.1 kN/m3,Φ=19.3°;③-1粉质黏土,均厚 1.44 m,C=28.9 kPa,γ=19.4 kN/m3,Φ=15.5°;④粉细砂,均厚为6.93 m,γ=20 kN/m3,Φ=27.2°;④-1粉质黏土,均厚 1.46 m,C=26.1 kPa,γ=19.8 kN/m3,Φ=19.5°。

硬塑状态的粉质黏土螺旋钻进效率低,带水钻进起到良好的润滑作用,效率大大提高,但钻进时易产生大量的泥浆,且在钻孔孔壁形成了一层泥皮,影响注浆体与土层的粘结强度。为确保注浆体与土层的粘结强度,施工时进行干钻;为提高施工效率也可采用水泥浆护壁;粉土开挖自立性差,开挖过程中呈块状塌落,易出现倒坡,施工难度大,甚至影响基坑边坡的整体稳定。

3 水文地质条件对基坑支护的影响

场地地下水属第四系孔隙水,具微承压性,地下水的稳定水位埋深为9.40 m～10.20 m,相应标高 20.60 m～19.80 m。水位年变幅1.50 m～3.00 m。基坑开挖深度在12.00 m,稳定水位以下1.80 m～2.60 m。地下水位下锚杆成孔困难,尤其在砂层,塌孔掩埋钻杆,成孔过程中不断出砂,影响基坑边坡后侧土体稳定;无帷幕开挖施工,地下水夹带着粉质黏土形成的泥浆或粉细砂从坡面渗出,坡面渗水受损,喷射混凝土与受喷面粘结力变低;喷层厚度过小,粗骨料无法嵌入塑性的砂浆层,回弹率高;喷层厚度过大,影响喷射混凝土的粘结力和凝聚力,造成离层或混凝土自重过大附带渗水泥层坠落。

4 支护方案的比较选择

4.1 桩锚支护结构

如图 1所示,整平场地进行支护桩施工,桩径600 mm,桩长18.00 m,嵌固深度6.00 m,桩间距1.10 m;在支护桩间进行旋喷桩止水帷幕施工,桩径900 mm,桩长13.70 m,水泥用量300 kg/m,与两侧的支护桩咬合200 mm;桩顶设钢筋混凝土冠梁,将桩体进行整体连接。支护桩上设4道预应力锚杆,长16 m,以2支[20的槽钢为承压体施加预应力稳固桩体。

4.2 复合支护结构

如图2所示,基坑边坡沿上周边按 1∶0.2的坡度分层开挖至-8 m的支护桩顶,上部8 m土体设3道锚杆,纵横间距分别为2.2 m和2.0 m,长度分别为12 m～18 m。整个坡面挂钢筋网,以锚杆为节点设纵横肋梁,喷射混凝土工艺。基坑-8 m标高处进行支护桩施工,桩径 600 mm,桩长 10.7 m,嵌固深度 6.00 m,桩间距1.10 m;在支护桩间进行旋喷桩止水帷幕施工,桩径900 mm,桩长10.7 m,水泥用量300 kg/m,与两侧的支护桩咬合200 mm;桩顶设钢筋混凝土冠梁,将桩体进行整体连接。支护桩上设1道锚杆,长18 m,以2支[20的槽钢为承压体施加预应力稳固桩体。

4.3 土钉墙支护结构

如图3所示,土钉墙施工配合土方开挖分层支护。机械开挖后,人工修整坡面,坡面平整度允许偏差±20 mm,钻孔安设土钉、注浆、绑钢筋网、喷射混凝土。坡顶坡面坡脚形成组合排水系统:坡顶设止水砖台防止雨水倒灌入基坑、坡面设泄水管导出坡面渗水、坡脚设排水沟。

5 施工方案选择结论

桩锚支护结构虽然变形较小,安全系数高,但工期较长,造价相对较高。复合支护结构和土钉墙配合土方分层开挖支护,不单独占用工期,造价相对桩锚支护结构较低,并且复合支护结构的变形在可控范围内,确保不对周边的建筑物产生影响。土钉墙从机理上讲允许基坑有一定的变形,因十笏园古墙和脑科医院露天停车场均在变形范围内,很可能因土体变形拉裂古建筑围墙和产生停车场的地面裂缝,容易引起恐慌,同时现场场地放坡条件也不允许。综合考虑,最终选择复合支护结构。

6 复合支护结构施工

复合支护结构施工与土方分层开挖交叉进行,不单独占用工期。土方每次的开挖深度相对该排锚杆竖向间距深50 cm,并留足6 m的锚杆机工作面后,可在中间先进行土方开挖。待上一层支护工作完成,浆体和混凝土肋梁达到设计要求强度并对预应力锚杆张拉完成后进行下层土方开挖,施工时必须与土方工程配合,依次分步提供施工作业面。待挖至-8 m进行支护桩施工时,需留足相对较大的工作面,要求不小于15 m,为提高土方开挖施工进度,可在打桩机工作面外先进行中间土方开挖,完成支护桩和帷幕施工并待桩体达到设计强度后再贴桩进行土方开挖,最后进行桩体部位的1道预应力锚杆施工和张拉作业。

7 施工监测结果

根据第三方监测结果表明,自基坑开挖施工以来,历经大的坡顶动荷载(商品混凝土车、土方运输车辆)、雨季水位上涨等情况,周边道路、建筑物、古墙均未出现超过设计要求的沉降及位移裂缝,支护桩顶最大位移为5 mm,远小于基坑预警值——基坑开挖深度的3‰(即36 mm)和设计允许变形值20 mm的要求。

8 结语

预应力锚杆肋梁+桩锚+帷幕复合支护结构有效保证了基坑的正常施工,并具有安全性能高、造价低、工期短等优点。施工完成后周边建筑物、道路、管线未出现位移及变形,取得了良好的社会效益。同时主体地下结构垫层与筏板及时跟进施工,对支护结构的位移和防止坑底因雨季水位上升而隆起起到了控制作用,降低了工程风险。

[1] 刘国彬,王卫东.基坑工程手册[M].第 2版.北京:中国建筑工业出版社,2009.

[2] CECS 22∶2005,岩土锚杆(索)技术规程[S].

[3] 李自明.复合支护形式在深基坑支护中的应用[J].山西建筑,2008,34(2):120-121.