复合土钉墙在软土地基工程中的应用

叶炜鹏

1 土钉支护概述

土钉墙支护是在基坑开挖过程中将较密排列的细长杆件土钉置于原位土体中,并在坡面上喷射混凝土面层。通过土钉、土体和喷射混凝土面层的共同作用,形成复合土体,可弥补土体强度的不足并发挥土钉的作用。土钉墙以其独特的性能、简便的工艺、快速的施工、经济的造价,已经在全国深基坑支护工程中得到了广泛的应用,取得了巨大的经济和社会效益。但在软弱地层中,用单一的土钉墙支护常常难以达到支护要求。

2 工程概况

温州机场污水处理站工程,地上机房建筑面积76.5 m2,结构形式为钢筋混凝土框架结构。地下为污水处理池,面积为415 m2,底面埋深为5.9 m～7.8 m,基坑开挖深度为6.2 m～8.1 m。场地东侧有DN300老污水管道与给水管道,西侧临河道。场地勘察报告,基坑开挖范围内的地层:第①层素填土,杂色;松散～稍密,中～高压缩性,层厚0.9 m～1.6 m。第②层黏土,灰黄色;软塑,中～高压缩性,层厚0.4 m～1.0 m、层底埋深1.0 m～2.0 m。第③-1层淤泥,青灰色;土性呈流塑、高压缩性、高灵敏度,层厚1.2 m～1.6 m,层底埋深2.5 m～3.6 m。第③-2层粉砂,夹淤泥,灰色;松散,中～高压缩性,层厚1.7 m～3.5 m,层底埋深5.3 m～6.3 m。第③-3层淤泥,青灰色;土性呈流塑、高压缩性、高灵敏度,层厚9.5 m～10.2m,层底埋深15.5 m～16.0 m。第③-4层淤泥,青灰色;土性呈流塑、高压缩性、高灵敏度;与上层呈过渡关系、无明显界线,层厚14.7 m～18.7 m,层底埋深30.3 m～34.2 m。

3 基坑设计

根据场地地质条件分析,基坑开挖土体为人工素填土及处于地下水位以下的黏土、淤泥及粉砂夹淤泥,其边坡稳定性很差。基坑开挖过程中,边坡易产生侧向位移而导致基坑失稳;拟建场地西临的河流易造成突涌、流砂及边坡失稳等不良后果;第③层为高压缩性土,含水率高,粘聚性低,若采用常规的土钉支护技术,必然会存在以下问题:土钉与周围土体之间的界面粘结力小,抗拔力低;土钉成孔时孔壁易坍塌;基坑开挖难以自立;地下水位高于基坑底面时出现渗水现象;土层与混凝土喷射面粘结强度低,难以施工等;特别是③-2层的粉砂夹淤泥层,渗透、流动性强,若保护不当,极易出现塌陷等现象。

为解决以上问题,经研究决定采用搅拌桩加土钉墙的复合土钉墙支护方式,主要利用搅拌桩体与土钉墙共同作用,产生良好的抗渗性和一定强度,水泥搅拌桩帷幕作为超前支护结构,具有挡水与挡土双重功能,既解决了基坑开挖后存在临时无支撑条件下的自立稳定问题,又形成了止水帷幕,达到了防渗要求。同时采用管状土钉,直接击入四周带孔的钢管后压力注浆,避免了成孔时坍塌的问题,注入的水泥浆与周围土体粘结,固结为较完整的整体,提高了管状土体的抗拔力。

深层水泥搅拌桩止水帷幕轴线距基坑底边线2.7 m～3.2 m,水泥搅拌桩设计桩径500 mm,桩搭接100 mm,搅拌桩长 10 m～14 m。桩与桩搭接形成连锁状止水帷幕,在基坑内增设降水井,并随基坑开挖而逐渐失效。土钉采用Φ 48焊接钢管,直接打入再行注浆,长度12 m～15 m不等。罩面板钢筋网采用Φ 6.5@250 mm×250 mm布置,土钉与钢筋网的加固采用Φ 14拉接。喷射混凝土罩面板采用C20,面层厚度100 mm。采用二级放坡开挖,放坡坡率为1∶0.25。在场地临河侧采用木桩加土围堰。处理好的基坑如图1所示。

4 基坑围护施工

4.1 施工流程

搅拌桩施工→开挖第一层土方→整修边坡→喷射第一层混凝土→制作安放土钉→注浆→挂面层钢筋网→焊土钉端部加强钉→喷射第二层混凝土→养护→开挖第二层土方→重复上述流程。

4.2 水泥搅拌桩止水帷幕施工

搅拌桩严格按有关施工规范施工。搅拌桩养护期不少于28 d,因工期要求根据挖土程序安排施工成桩流程及掺入早强剂,保证开挖时水泥土及混凝土强度达到设计要求。

4.3 土方开挖

基坑内采用井点降水,保证工作面处于干燥状态。基坑开挖要充分利用基坑支护的时空效应,严格分层、分块、对称、限时开挖和及时支护的科学程序,开挖分级深度必须严格控制,要结合土钉墙施工机械的要求,与土钉布设排距相一致,最深不超过2 m,严禁超挖。基坑开挖用施工设备必须能挖出光滑规则的坡面,最大限度减小支护土层扰动,开挖时预留20 cm～30 cm土层人工进行修整,清除坡面表层的任何松动部分,确保边坡面的平整度,同时避免破坏止水帷幕。

本工程围护结构施工期间开挖:沿基坑6 m范围,分层分段开挖,每层开挖高度为锚管下30 cm～50 cm,开挖出作业面后,应立即进行支护,最后一层锚管施工完,应立即施工地下室垫层,并进行基坑封底。下层土体应在上层土钉注浆3 d后方可开挖。

4.4 土钉墙施工

土钉是复合结构的主要受力体,所以施工时应严格按设计要求施工,对土钉的长度、土钉的成孔间距、土钉成孔倾角、水泥注浆量、水灰比等都应严格控制。

开挖时预留20 cm～30 cm土层进行人工修整边坡;采用48 mm×3.5 mm的钢管,水平、竖向间距均为1 m进行锚杆击入;注浆采用二次注浆工艺,第一次注浆压力为0.3 MPa～0.6MPa,待初凝后,进行第二次注浆,注浆压力为 0.6 MPa～1.0 MPa;挂网面层钢筋网随开挖分层设置,两层之间的竖向钢筋宜采用焊接接头,土钉端部与加强钢筋、钢筋网及井形架相互焊接,焊接后立即进行喷射;混凝土面层厚100 mm,强度等级为C20,其配比为水泥∶砂∶碎石∶水=1∶2∶2∶0.5,碎石粒径为5 mm～ 10 mm,喷射混凝土的压力为0.3 MPa～0.4 MPa,采用两次施喷工艺,第二次施喷在加强筋和锚管焊接完后进行。

5 施工监测

监测的项目有坑外土体水平位移及沉降、深层土体水平位移、锚管拉拔实验、地下管线的沉降等。基坑变形设报警值,当变形达到5 mm/d并连续3 d不收敛或累计变形量达到或超过H/100(H为开挖深度)时报警并分析原因以决定及时采取加固、补强措施。基坑开挖期间每天监测一次,支护结构完成后,每星期观测一次,直到回填完成为止。用水准仪、经纬仪进行垂直沉降和水平位移变形观测。经实际监测最大沉降和水平位移均在西侧,最大沉降为12 mm,水平位移为15 mm,低于设计及相关规范要求,基坑变形均未小于报警值;周边建筑物及马路水平位移及沉降变形均为零,地面无下陷、开裂等现象。设计所采用的界面粘结力标准值为38 kPa,实测各土钉的抗拔力均达到或大于设计要求。

6 基坑施工事故与处理

由于施工原因,水泥搅拌桩止水帷幕局部出现搭接不严、开裂的情况,该施工区域地质层中的粉砂层含水量高,因此导致渗水、涌砂现象,现场发现后及时采取在坑壁设置短排水管方法进行处理,采用φ 48锚管,长度以穿透水泥搅拌桩,锚管一端用砂布包裹,防止流砂、淤泥等堵塞排水管,很好地解决了地质粉砂层排水与防止砂土流失的问题。

7 经验与体会

土钉+水泥搅拌桩复合地基在本工程中很好地解决了地下水丰富的软土地基的基坑支护,保护了周围的地下管线与河道,在该基坑工程中引起的水平位移及沉降变形均较小,是软土地基可以采用的一种经济安全的基坑围护体系,但在基坑的开挖施工过程中,支护结构应在理论分析指导下有计划的进行监测,以便对出现的不利情况及时解决,确保基坑的施工安全。

当基坑开挖后,软土层中的含水层及本地区的雨水将对基坑造成较大的威胁,因此应对这些因素高度重视,土层中的水应采取疏堵结合,并防止土层中砂质成分的流失而造成的土层松动现象,而对于雨水则应备足充分的排水设施。

基坑围护结构体施工过程中,现场的多道工序均为隐蔽工程,有一定的随意空间,因此必须严格按设计要求施工、及时监测、及时分析,使基坑工程按既定的施工方案执行,确保施工中的土钉长度、注浆量、注浆压力、喷浆厚度等质量要素。

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[3]刘 峻,陆 懿.软土条件下深基坑复合土钉墙支护施工的新探索[J].建筑施工,2003(5):35-36.

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