建筑基坑桩锚支护存在的问题及绿色施工技术研究

2014-06-09许洪亮靖向党何世鸣于天野

长春工程学院学报（自然科学版） 2014年2期

许洪亮，靖向党，彭第，何世鸣，于天野

（1.长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春130021；2.北京建材地质工程公司，北京100102）

0 引言

随着我国社会经济的快速发展，城市化步伐的加快，城市空间的利用率不断增高，相应城市建设中出现了大量基坑工程。基坑工程是建造地下建筑结构时的临时性支护工程，因此研究节约资源、降低成本、保护环境的绿色施工技术是目前基坑支护工程的重要课题，对推动城市建设以及经济可持续发展具有重要意义。

1 基坑工程常用的支护形式与存在的问题

1.1 基坑工程常用的支护形式

目前基坑工程中比较成熟的支护形式主要有：桩锚支护、悬臂桩支护、土钉墙支护、微型桩复合土钉墙支护和地下连续墙支护等。其中桩锚支护形式，即护坡桩加锚杆（索）支护结构形式被广泛用于深度6m以上的建筑基坑工程中，而6m以上的建筑基坑占建筑基坑的绝大多数，如郑州地铁一号线七里河基坑工程、深圳星河国际酒店基坑工程、北京地铁西四车站基坑工程、杭州钱江商务广场基坑工程、上海证大喜马拉雅艺术中心基坑工程、上海仁济医院地下车库房基坑工程、深圳东海商务中心基坑工程、北京第五广场基坑工程、西安旅游国际中心基坑支护及降水工程、甘肃广播电视大学综合楼基坑工程等等[1]，而且这些基坑支护工程中的支护桩大多采用泥浆护壁钻孔灌注桩，也有的采用长螺旋成孔压灌混凝土后插钢筋笼成桩工艺，如中国农业银行北方数据中心基坑工程和中国人寿研发中心项目二期基坑工程。同时为了方便基坑开挖大多采用了降低地下水位的措施。

1.2 桩锚支护结构形式存在的问题

桩锚支护加降水的设计方案是目前城市建筑基坑工程中被广泛采用的支护方案，在该方案中支护桩均采用钢筋混凝土桩，且桩的施工多采用泥浆护壁钻孔灌注桩或长螺旋成孔压灌混凝土后插钢筋笼成桩工艺。根据基坑开挖深度锚杆（索）采用一层或多层，且工程完成后也不再回收；降水是通过抽吸地下水把基坑内外一定范围的地下水位降低到基坑底部以下。该方案虽然能够很好地解决建筑基坑支护的安全问题，但作为临时工程存在浪费资源、破坏或污染环境、影响后续地下工程建设等问题。

1.2.1 资源浪费问题

作为支护结构的钢筋混凝土桩和锚杆（索），起着确保地下工程施工安全的作用。一旦地下工程结束，投入的大量钢材及混凝土等材料不能回收，永久埋藏在地下，建筑钢材得不到循环利用，造成极大的浪费。如北京中关村某建筑基坑22 000m2，采用桩锚支护，基坑开挖深度14.60m，投入的钢筋、钢绞线和腰梁等钢材约663.5t，C30混泥土用量约3 304m3，大量的钢材被埋入地下而未回收，浪费极大。

1.2.2 破坏和污染环境

为了实现基坑开挖的干作业，希望通过降水方法将基坑内的水位降到基坑底部以下，事实上在降低基坑内水位的同时基坑外较大范围的地下水位被降低，如图1所示。根据降水漏斗，基坑外一定范围的土体由于孔隙水及细颗粒的排出发生压缩变形，可导致地面产生不均沉降，从而引起基坑周围附近建筑物、构筑物、道路及地下管线产生位移、沉降，甚至破坏。如上海市某轨道交通站基坑工程[2]由于基坑降水引起周围建筑物、地表及地下管线急剧沉降的问题。

图1 降水影响示意图

其次，建筑基坑降水会造成大量的地下水流失，对生态环境造成不良影响，例如北京市长安街某商展大厦的监测数据显示，该工程基坑6 000m2，开挖深度为16m，每天抽水量达1.8万t左右，到建筑物完工停止抽水，共抽取地下水37万t。所以目前已有一些城市在建筑施工中出台限制施工降水的规定，如北京市建委2007年发布了《北京市建设工程施工降水管理办法》。

另外，由于护坡桩施工多采用泥浆护壁的钻孔施工方法，施工产生的大量废弃泥浆处理易造成环境污染或增加施工费用。如用罐车拉到野外倾倒（目前广泛采用），一是当泥浆的水分蒸发后造浆的黏土细颗粒就会随风而产生扬尘，二是如泥浆中使用了化学处理剂，会造成土壤和地下水的污染等。如果在现场用分离设备将泥浆的固相颗粒与水分离，一是会大大增加施工费用，二是泥浆中细小的黏土颗粒不易分离，如分离不彻底将会引起城市排水管道堵塞。

1.2.3 影响后续地下工程建设

桩锚支护结构中的锚杆（索）是为了防止支护桩倾倒而设置的，所以随着基坑深度增加，锚杆（索）的层数也会增多，锚杆（索）的长度会延伸在基坑外较远的范围。因此，基坑工程结束后，若锚索或锚杆不回收，将其永久埋在地下就会影响建筑物附近后续管线铺设等地下工程的施工，甚至年久腐烂可能引起环境污染，因此北京市正着手编制《可拆除锚杆技术规程》。

2 建筑基坑桩锚支护绿色施工技术研究

针对目前基坑工程广泛采用的桩锚支护存在的问题，通过初步研究提出建筑基坑支护工程绿色施工方案，即：水泥土防渗桩墙插型钢与可回收锚索技术，如图2所示。该技术采用就地取土地面搅拌水泥土浆，长螺旋压灌施工搭接式水泥土防渗桩墙，水泥土桩体内插入可回收型钢，基坑开挖过程中施工可回收锚索，从而实现基坑防渗不降水、就地取土拌入水泥成桩体、支护型钢与锚索可回收，达到节约资源、降低基坑工程费用、减少或避免破坏污染环境、不为建筑物周围后续地下工程埋下隐患的目的。其施工工艺流程如图3所示。

图2 支护结构剖面示意图

图3 施工工艺流程图

2.1 水泥土防渗材料实验研究

通过调研和该绿色施工技术的要求确定，水泥土浆材应可泵送，塌落度为18～22cm；水泥土浆材结石体应具有一定抗压强度和较好的防渗性能，其结石体28d抗压强度应不小于0.8MPa，渗透系数不大于1×10－6cm／s。根据施工技术对浆材性能要求，本着降低成本的原则，通过初步配比实验，确定粉质黏土、水泥和碎石作为浆材组成。粉质黏土广泛存在，可就地取用，本实验选用长春地区常见的粉质黏土，含水量20.1%～27.6%，液限34.4%～46.8%，塑限19.5%～26.2%。水泥选用亚泰鼑鹿P·O32.5普通硅酸盐水泥；碎石选用粒径小于15mm的碎石，掺入碎石的主要目的是为了水泥土浆具有良好流动性，以便泵送。加水量通过浆液塌落度控制。

为了确定合适的配比，进行了水泥不同掺入比的试验，试验结果见表1。

表1 28d水泥土结石体的无侧限抗压强度和渗透系数及浆液塌落度

由表1可见，水泥掺入比为15%、18%、20%的水泥土结石体28d的抗压强度和渗透系数均满足要求，但考虑到桩体成本及其特性尽可能接近土体等，可选用水泥掺入比为15%的配方。

2.2 水泥土桩的施工工艺与防渗桩墙布置形式

2.2.1 水泥土桩的施工工艺

为了避免桩孔施工产生大量废泥浆造成的环境污染或施工成本增加，选用干式钻孔方法，即采用长螺旋压灌成桩工艺[3]，该方法的工艺流程如图4所示。

该工艺方法采用就地取土地面搅拌成浆，泵送压灌，以确保桩体致密、均匀，有足够的防渗性能与抗压强度。

长螺旋压灌成桩工艺适用于填土、淤泥质土、黏性土、粉土、砂性土，甚至含有砂卵石的地层及泥炭土等特殊土层。

图4 长螺旋压灌水泥土桩施工工艺流程图

2.2.2 水泥土防渗桩墙布置形式

如图5所示，为了防止基坑开挖时地下水渗入基坑内，水泥土桩必须做成搭接的排桩墙，以便形成止水帷幕。所以桩墙可以采用一排搭接布置形式，也可以采用两排搭接布置。但从基坑运行中的防渗效果和对搭接的要求来看，两排的布置形式防渗效果好，且对桩间的搭接要求低。因为在基坑运行中后排桩在土压力的作用下会产生向基坑内的位移，迫使两排桩压的更加紧密，而使得两排桩的重力式挡土效果增强[4]。

如采用两排布置形式，应先施工后排水泥土桩，然后施工前排插型钢的水泥土桩，水泥土桩的直径与孔距等参数，应根据基坑深度和土质条件等计算确定。

2.3 型钢及其插拔工艺

2.3.1 型钢的要求

型钢是抵抗基坑边坡变形的主要构件，因此对其的要求是：

（1）型钢材料强度应满足设计要求，一般采用Q235B级钢和Q345B级钢。

（2）一般按GB／T 11263—1998《热轧 H 型钢和部分T型钢》取用热轧型钢，规格为H300×300、H500×300、H500×200、H700×300、H800×300、H850×300型钢。

图5 水泥土防渗桩墙布置形式

（3）当型钢采用钢板焊接成型时，应按照YB 3301—92《焊接H型钢》的有关要求焊接成型。

（4）型钢宜采用整材，当较长需采用分段焊接时，应采用坡口焊接。对接焊缝的坡口形式和要求应遵照JGJ81—2002《建筑钢结构焊接技术规程》的有关规定，焊缝质量等级不应低于二级。

2.3.2 型钢的插拔工艺

型钢的插拔直接关系到型钢的回收率，是基坑绿色施工技术的关键之一。为了提高型钢的回收率，通常型钢在插入前涂抹减阻剂，以便拔出过程中减小阻力，利于回收。但是事实上，一是市场上没有效果明显的专用减阻剂，且价格较高；二是涂抹在型钢表面的减阻剂在插入过程中被周围水泥土摩擦消耗，特别是型钢下部基本不存在减阻剂，从而导致起拔困难，而且往往不能全部回收。因此，课题组开展了型钢插拔的工艺研究，以及不同条件下插拔型钢的对比研究，如压灌水泥土后即刻插入型钢，压灌水泥土后即刻插入涂抹减阻剂的型钢，待压灌的水泥土初凝后插入型钢，待压灌的水泥土初凝后插入型钢并即刻拔出再插入，待压灌的水泥土初凝后插入型钢并在即刻拔出型钢的孔内灌入减阻剂后再插入等等。

2.4 可回收新型锚索

锚索的回收也是该项绿色施工技术的关键之一。考虑到建筑基坑肥槽的空间比较狭窄，所以必须选择和设计可回收锚索作为锚固方式。目前我国众多科研机构和施工单位对锚杆的回收进行了大量的研究与开发工作，而对可回收锚索研究较少，检索到的仅仅是几项专利技术，如广东省工程勘察院的发明专利“土木工程的可回收锚索”[5]，中铁第四勘察院的发明专利“一种注浆囊式可回收锚索”[6]等。这些可回收锚索不同程度存在一些不足，如结构较繁杂、没有实际工程应用、回收情况不得而知等。所以，应针对建筑基坑支护的特点，开发满足锚固要求、结构简单、便于回收的新型锚索结构。