高压旋喷加劲水泥土桩锚支护技术的应用与探讨

2015-07-13杜常春罗细华段钧培

钻探工程 2015年3期

杜常春，罗细华，周涛，段钧培

(1.浙江省工程勘察院，浙江宁波 315012;2.郑州大学力学与工程科学学院，河南郑州 450001)

0 引言

20世纪90年代以来，高层建筑如雨后春笋般迅速发展，为充分利用地下空间、同时满足高层建筑物的稳定性要求，涌现了大量的深基坑项目。深大基坑项目主要位于我国沿海、沿江等经济发达的城市中，场地浅部分布有厚度不一、含水量高、性质差、灵敏度高的软土。根据工程特点，选择一种安全可靠、技术可行、经济合理、施工方便的基坑围护方式，符合当今节约资源、提高经济效益、可持续的科学发展观。根据地质条件、周边环境的各异以及地区经验，深基坑支护技术也不尽相同，对基坑围护设计及施工要求也越来越高，这促进了基坑支护和施工技术的更新、进步与发展，各种深基坑的支护技术也日渐完善[1－2]。

高压旋喷加劲水泥土桩锚[3－4]是利用单管法高压旋喷注浆技术与锚索相结合的一种新型受拉锚固结构。通过高压旋喷搅拌方法在土层中形成水平、倾斜或垂直的变径水泥土桩体，然后布设锚筋，施加预应力后，在被支护和加固的土体中形成支护与加固结构[5－6]。

1 高压旋喷加劲水泥土桩锚的优越性

在深基坑的方案比选过程中，综合环境条件、地质条件、技术及经济等诸方面因素，竖向围护结构确定后，为确保基坑壁稳定性及不产生过大变形而对周边环境产生不良影响，围护体应有足够的强度与刚度并与支撑体系相结合，支撑体系是承受围护结构所传递的土压力和水压力的结构体系，与竖向围护结构共同为基坑施工提供一个可靠的结构空间，主要有内支撑体系与土层拉锚体系。

内支撑体系具有形式复杂、经济性差、施工周期长、土方开挖施工不方便等缺点。土层拉锚式支护结构常见的是拉桩式支护结构即围护桩(SMW工法桩[7]或组合排桩)+锚杆(索)的支护体系;它的一端通过冠梁或腰梁与围护桩联结，另一端通过锚固体锚固在土体中[8]。由于软土具有性质差、高触变性、高流变性等特点，普通的锚杆锚固段不宜设置在软土中[3]。根据高压旋喷注浆工艺技术与加固机理[9]，高压旋喷加劲水泥土桩锚可适用于软土深基坑的围护;目前，围护桩(SMW工法桩或组合排桩)+预应力高压旋喷加劲水泥土桩锚支护体系在江浙沪、深圳等地区深大软土基坑中应用较广，近年来随着扩孔技术、注浆技术、锚索回收技术等优化设计的推广，它的应用范围正进一步扩大，取得了较好的社会与经济效益。与传统岩土加固支护技术相比，高压旋喷加劲水泥土桩锚技术的优越性体现在以下4个方面[10]:

(1)可主动有效地改善土体物理力学性能，克服常规锚索、锚杆与软土之间锚固力不足，以及由于塌孔而无法施工等缺点;

(2)可适用于不同的地质和场地条件，施工时有着较强的适应性，所需作业空间不大;

(3)用于深基坑支护时，相比传统内支撑方式而言，具有空间开阔、施工便利、安全性好等优点;

(4)相比传统内支撑支护技术，高压旋喷加劲水泥土桩锚可有效降低工程成本，节约工程造价20% ～40%，缩短施工工期20% ～50%。

2 工程实例一

2.1 工程概况

嘉兴海盐县武原镇一商务楼工程，拟建场地呈东西向矩形分布，长235.0 m左右，宽78.0 m左右。拟建建筑物包括:A楼6层建筑(分布于西侧，地下1层，开挖深度7.70 m)，B楼18层建筑(分布于东侧，地下2层，开挖深度11.40 m)。场地东、西、北侧均为道路，道路下分布地下管线，埋深1.0 m左右;南侧为大片空地。

根据工程勘察结果，基坑开挖深度及影响范围内，地基土层分布较稳定，自上而下为:

①素填土，松散，厚度1.00 m左右;

②层粉质粘土，软塑，厚度3.00 m左右;

③1粉土夹粉质粘土，松散—流塑，厚度3.30 m左右;

③2淤泥质粉质粘土，流塑，厚度4.20 m左右;

⑤1粉砂夹粉土，中密，厚度9.50 m左右。

场地地下潜水位稳定埋深在0.50～1.00 m，主要分布于③1层粉土层中;承压水位埋深在3.50 m左右，赋存于⑤1层粉砂夹粉土层中，渗透系数k=2.0×10－4cm/s左右。

2.2 基坑围护方案

根据本基坑工程的特点，西侧A楼为1层地下室、东侧为B楼为2层地下室，东、西、北场地较局促，用地红线外为道路;南侧很空旷，具有大放坡开挖条件。根据场地工程地质及水文地质条件，地基土层交错分布透水性较好的粉土层、粉砂层以及软土层，围护结构不仅要解决基坑边坡稳定性的问题，也应解决地下水的问题，特别是⑤1层粉砂夹粉土承压含水层。

根据基坑开挖深度、场地周边环境条件及工程地质水文地质条件，从技术、经济、施工等方面进行分析对比，确定基坑围护方案如下:对于1层地下室基坑西侧、北侧边坡段采用SMW工法桩+1道高压旋喷加劲水泥土桩锚的围护方式，南侧边坡段采用天然放坡+1排双轴水泥搅拌桩隔水的围护方式;对于2层地下室基坑北侧、东侧边坡段采用SMW工法桩+3道高压旋喷加劲水泥土桩锚的围护方式，南侧边坡采用二级放坡(坡中设置双轴水泥搅拌桩隔上部③1层中地下潜水)+组合排桩(三轴水泥搅拌桩+钻孔灌注桩)+1道高压旋喷加劲水泥土桩锚的围护方式(三轴水泥搅拌桩隔⑤1层承压水);对于1、2层地下室高低差边坡段采用组合排桩(三轴水泥搅拌桩+钻孔灌注桩)的围护方式。在2层地下室坑内设置疏干管井(四周设置有落底式三轴水泥搅拌桩隔水帷幕)，在坑外坡顶附近设置降水管井。本基坑工程2层地下室的北侧、东侧边坡是本基坑工程围护的重点，其围护剖面见图1。

2.3 基坑开挖及效果

(1)在高压旋喷加劲水泥土桩锚的施工过程中，根据设计及规范要求对每根桩锚进行张拉、锁定控制，保证了桩锚锚固体的可靠性;本基坑工程于2013年2月破土开挖至2013年7月基坑回填，历时5个多月，经历了暴雨天气的考验，总体上基坑边坡是安全、稳定的。在B区2层地下室北侧、东侧，由坑外管井降水及桩锚施工引起的水土流失，坡顶地面及道路有沉降与开裂现象，在桩锚施工完毕、坑外停止降水后，趋于稳定。

(2)局部型钢间距偏差较大的边坡段，基坑中下部水泥土存在质量缺陷的地方，由于水土压力相对较大，型钢间的水泥土难以满足局部受剪承载力的要求，而掉块及少量渗水，经过在两相邻H型钢的翼板之间用小方木条或钢管支挡，再用双液注浆加固(水玻璃+水泥浆)，取得较好效果。

图1 海盐商务楼项目北侧、东侧2层地下室基坑边坡围护剖面图

(3)根据监测单位的监测数据，基坑坡顶最大累计沉降40 mm左右，最大累计水平位移45 mm左右，各项基坑监测数据基本满足设计及规范要求，总体上本基坑围护取得了良好的支护效果及较佳的经济效益。

3 工程实例二

3.1 工程概况

嘉兴平湖县城关镇一住宅小区项目，拟建场地呈近似矩形分布，场地四周均为道路。拟建建筑物主要包括:分布于四周的临街商铺(设置地下室1层)，多幢高层建筑(设置地下室2层)及2层地下车库。总用地面积26955.0 m2，地下室建筑面积35480.0 m2。四周1层地下室底板开挖深度3.50 m左右，2层地下室承台底开挖深度9.10 m左右。

根据工程勘察结果，场地内分布一条古河道，土层分布变化较大。基坑开挖深度及影响范围内，主要地基土的组成自上而下为:

①素填土，松散，层厚1.50 m左右;

②粉质粘土，软塑，层厚1.40 m左右;

③淤泥质粉质粘土，流塑，一般地段厚度3.5～4.0 m，古河道内厚度10.0 ～12.0 m;

④1粘土，硬—可塑，层厚3.50 m左右，古河道内缺失;

④2粉质粘土，可—软塑，层厚7.50 m左右，古河道内厚度变小。

场地地下潜水位稳定埋深在0.80～1.20 m左右，各地基土层渗透性均较低，为不透水层。

3.2 基坑围护方案

通过方案比选，最终确定基坑围护方案如下:对于周边1层地下室基坑边坡(上部边坡)统一采用双轴水泥搅拌桩重力式挡墙围护，底部按实际留置平台;2层地下室基坑边坡(下部边坡)根据场地③层淤泥质粉质粘土的厚度情况，分段采用组合排桩(双轴水泥搅拌桩+钻孔灌注桩)+1～2道预应力高压旋喷加劲水泥土桩锚的围护方案。根据场地环境及地质条件，本基坑工程分布在古河道内边坡围护是本工程设计的重点，古河道内围护剖面见图2。

图2 平湖住宅项目古河道内基坑支护剖面图

3.3 基坑开挖与处理

(1)本基坑工程于2013年2月土方开挖，根据场地实际情况、底板后浇带设置的位置、围护结构的施工工况等因素采用分段、分区、分层开挖，当土方大面积开挖至第1道桩锚下0.50 m处，根据监测数据古河道内的边坡段坡顶水平位移达35 mm左右，坡顶分布有细小水平裂缝;其它边坡段水平位移在10 mm左右。当土方大面积开挖至第2道桩锚下0.50 m处，根据监测数据古河道内边坡段坡顶水平位移达60 mm左右，同时在距离基坑坡顶5.0 m左右道路上出现10 mm左右水平裂缝;其它边坡段水平位移在20.0 mm左右。介于此古河道内的剖面段基坑迅速回填处理，需经行必要的加固处理，方能继续开挖。

(2)根据场地的地基土层及围护方案分析得出:古河道内边坡段，由于③层软土厚度大、性质差，上部搅拌桩重力式挡墙底也未进入性质较好的土层中，土方开挖至第1道桩锚位置处边坡变形就较大，随着土方开挖的进行，基坑深度随之增加，另加地表水及地下水的作用下基坑边坡的潜在滑动面往深部推移，可能造成高压旋喷加劲水泥土桩锚锚固段大大减小，桩锚抗拔承载力可能难以承受边坡土压力的要求，而出现边坡水平位移很大，甚至失稳。

(3)根据分析的结果，调整了后续土方开挖方案及必要的加固设计。对古河道内有主楼的边坡段分仓式先开挖，这样形成了长度较短的边坡段，边坡两侧土体形成支撑效应，有利于边坡稳定。浇筑主楼基础并养护至设计强度后，再开挖主楼两侧土体，在围护桩基坑内留置坡率为1∶3.0的三角土体，对地库部分基础底板留置施工缝，并间隔8.4 m左右(轴线间距)设置竖向型钢斜撑。如此实施下来，至2013年9月基坑土方全部回填完毕，从基坑监测数据及现场实际情况来看，基坑边坡变形得到了有效控制，基坑及周边道路是安全的。