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摘要:本文作者就自己的工作经验，结合实际工程，根据施工场地的复杂施工情况,从经济节约的角度出发，采用复合土钉墙+水泥土搅拌桩封闭止水挡土内套打钻孔灌注桩+斜抛钢管支撑的组合支护体系的施工方法,从而避免了满堂支撑,并以敞开挖土为主,取得了良好的社会效益和经济效益。
关键词：建筑工程；基坑围护；施工技术
一、工程概况
某工程总建筑面积13450m2。工程基础采用预制混凝土方桩、钻孔灌注桩及整体钢筋混凝土筏型承台。工程主楼为钢筋混凝土劲性柱框架结构,辅楼、报告厅为钢结构,设地下室1层,地上9层,建筑高度4219m。本大楼±0.000=5.100m,场地自然地面标高4.2m,基底相对标高-5.85m,地下室基坑开挖深度为4.95m。基地东北角及西北角有主楼的两个劲性柱基础加深坑,坑底标高为-7.35m,实际开挖深度为6.45m。
二、环境条件
本大楼基地周边均有机场道路设施,距离道路最近处为6.00m,周边环境相对比较复杂,在基坑影响范围内有需要保护的建筑物和管线。地下室北侧离一根D100水管及电缆线距离约2.4m。西侧为飞行部院区环行主车道,相距一根机场光缆距离仅6.2m。东、南两侧相隔绿地为虹桥机场住宅建筑群。
三、地质条件
本工程区域内地下静止水位在地表下0.3-0.8m,地下水对混凝土无侵蚀性。土层中存在一层③夹层,为透水性极大的砂质粉土,恰好处于坑底上下深度,基坑开挖后,极易产生流砂及管涌现象,因此,放坡开挖是不可行的,必须做好基坑隔水及坑内降水措施。
四、围护方案设计
本工程基坑开挖深度为4.95m,局部加深到6.45m,在确保施工及使用安全的前提下,根据基坑水平各方向尺度及开挖深度,设计了两套围护方案。
方案1采用复合土钉墙+水泥土搅拌桩重力坝+SMW工法+支撑的围护结构方式进行基坑围护。基坑东北角考虑到与临近建筑物间距过近且地下有2根高压电缆需保护,作为基坑开挖阶段的挡土结构采用SMW工法加型钢支撑;基坑南面因施工场地较为宽阔且地下没有需保护的管线,故采用经济实用的复合土钉墙水泥搅拌桩可解决基坑的止水问题,保证基坑开挖期间坑外的水不会流进坑内。其优点是土方可一次性开挖,施工便捷,周期较短;缺点是支撑数量多且跨度大,基坑位移大,造价较贵。
方案2采用复合土钉墙+水泥土搅拌桩封闭止水挡土内套打钻孔灌注桩+钢管斜抛支撑的围护结构方式进行基坑围护。基坑北侧为双排搅拌桩内套打￠600钻孔灌注桩,东侧为一排钻孔灌注桩加双排搅拌桩,桩顶浇注钢筋混凝土圈梁加2根D609×16钢管角撑,5根D609×16钢管斜抛支撑,南侧采用双排搅拌桩做止水帷幕加打5层土钉墙进行挡土。基坑内加深部位采用双排搅拌桩封闭。其优点是支撑数量少、跨度小,基坑位移变形小,相比较方案1造价低,但土方分二期开挖,施工周期相对较长。综合两围护方案的利弊,考虑到围护结构的经济性、稳定性,最终我们选择了方案2。
五、围护结构总体施工部署
施工准备→搅拌桩土方开槽→围护搅拌桩施工→坑底土体加固→围护钻孔灌注桩→轻型井点降水→围护桩压顶圈梁、围檩施工→土钉墙土方开槽→土钉墙围护施工→水平钢支撑施工→南区土方开挖→北区土方开挖→基础南区、北区大底板施工→基坑东北角留土部分钢管斜抛支撑施工→留土部分土方开挖→留土部分基础底板施工→钢管斜抛支撑拆除
六、施工技术措施
6.1搅拌桩
本工程水泥土搅拌桩采用国产双头搅拌机施工,搅拌桩设计为￠700@500mm,桩身搭接200mm。水泥掺入量13%,水灰比为0.55,使用强度等级为32.5Mpa的普通硅酸盐水泥。采用2次喷浆3次搅拌的施工工艺,钻头提升速度平均小于0.7m/min;搅拌速度46r/min;注浆泵出口压力0.4—0.6Mpa。主要施工要点:
(1)应严格控制桩定位偏差,偏差不得大于5cm,桩身垂直度偏差不超过1.5%。
(2)注浆搅拌钻进,必须保证连续供浆,若因故断浆必须把搅拌头下沉至断面以下1.0m,再慢速提升注浆搅拌。搅拌供浆时,机、泵施工人员应保持有效联络。
(3)重复下切搅拌时,要求沿桩长的喷浆量均匀,成桩结束浆液也应用完。
(4)为防止水泥浆离析,应在灰浆拌制中不断搅动水泥浆,待注浆前缓慢倾入集料箱中。
(5)合理地控制预搅下切速度,保证水泥土搅拌均匀。
(6)为保证桩端施工质量,当浆液达到出浆口后,喷浆座底30s,使浆液完全到达桩端。水泥及外掺剂重量比误差不大于±5%。
(7)施工中如发现桩机有不正常的震动、倾斜或位移等现象,应立即停机检查,必要时应提钻重打。
(8)由于相邻桩体搭接,每一施工段要连续施工,相邻桩体间隔时间不得超过24h,防止因搅拌桩强度增加过高而影响灌注桩钻孔。
6.2灌注桩
围护钻孔灌注桩设计规格为￠600,共计80根,东北二侧搅拌桩内套打￠600@1000的钻孔灌注桩,设计桩长10m,混凝土强度等级为C30。采用正循环钻进,泥浆循环采用自然造浆进行冲渣护壁。泥浆比重控制在小于1.20,沉渣厚度≤100mm。
6.2.1施工要点
(1)成孔钻进施工钻机定位必须水平、稳固。天车、转盘、桩位的中心应三心成一铅垂线。
(2)合理设计钻头,钻头上部加设保径护正圈,使钻头回转平稳。
(3)经常检查钻杆,发现弯曲立即更换。
(4)开孔和换层钻进时,采取轻压慢转;发现有地下障碍物,立即采取措施处理,不能盲目强行钻进。防止主动钻杆晃动过大。
(5)发现钻孔偏斜时,应采取纠斜措施,或用粘土回填,重新成孔。
(6)合理调配泥浆性能,防止缩径和坍孔。
(7)经常检查钻头直径,发现磨损及时修复,以防止因钻头磨损影响钻孔的设计直径。
(8)第一次、第二次清孔,沉淤厚度必须控制在≤100mm以内,以满足设计与施工规范要求,。
(9)原始资料必须齐全、准确、真实,并及时整理提交。
(10)原材料进场时,必须要求供应商提供产品的合格证书。同时,对钢材及时做试验分析报告,混凝土试块全部送检。
(11)对成孔、清渣、灌注、钢筋笼制作与吊放按规定的测点要求,分别准确及时检测记录在册。
(12)对质量监控及其它各项原始记录报表应及时整理,定期会同甲方、监理及质检部门进行抽检。此外,应严格按照规范规定及建设单位和设计单位的要求,对部分桩孔进行成孔测试。
(13)混凝土初灌量应保证导管底部一次性埋入混凝土内1.3m以上。
(14)灌注混凝土应连续不断地进行,及时测量孔内混凝土面高度,以指导导管的提升和拆除。
6.2.2工序搭接时间控制
由于本工程围护体系东北二侧搅拌桩内套打钻孔灌注桩,因此,在施工过程中应严格控制好两者之间的搭接时间。如果搭接时间过短,由于水泥搅拌桩养护时间不够,造成水泥搅拌桩强度过低,则起不到应有的护壁作用;反之如果搭接时间过长,由于水泥搅拌桩强度过高,使钻孔灌注桩成孔困难,会造成施工速度慢。根据围护工程设计要求和施工实际情况,在水泥搅拌桩施工5-7天后开始进行钻孔灌注桩施工,無论从成孔质量还是从垂直度、充盈系数等检测数据来看,都符合《钻孔灌注桩施工规程》的要求,达到了预期的目的。
6.3土钉墙
本工程在搅拌桩达28天养护期后,分层开挖并打设土钉。土钉采用￠48×3.5钢管制作,钢管除底部3m以外全长范围钻有注浆孔,并有倒刺。高度方向共设置5排,土钉竖向间距019m,水平方向间距1.0m,采用梅花形布置;土钉长度量:第一排9m、第二排12m、第三排12m、第四排9m、第五排9m,与水平呈15°夹角。钢管压入后立即注入水泥浆。水泥浆水灰比小于0.55,掺2%水玻璃,注浆压力小于0.3Mpa。
主要施工要点:
(1)注浆后立即喷射第一层混凝土面,厚度为3cm,绑扎钢筋网,再次喷射第二层混凝土面7cm。注浆后至少养护36小时方可挖至坑底标高。喷射混凝土强度等级C20,水灰比0.45,骨料5—10mm,厚度为100mm。钢筋网为￠6@200双向,网筋间距误差≤±2cm,保护层厚度≥2cm,钢筋用铁丝绑扎,上下层搭头为点焊。
(2)设置土钉以及喷射混凝土等工序应连续进行,并在12小时内连续完成支护。土钉与联系钢筋、网片、井型垫块应焊牢,钢筋网绑扎搭接长度不小于30mm,加强筋搭接长度不小于10d,且与土钉牢固连接。
6.4轻型井点降水
本工程基坑大面积开挖深度为4.95m,局部深坑开挖深度达6.45m,经认真研究,确定采用沿基坑四周设置3套轻型井点,基坑中间设置1套轻型井点。井点管长度6m,其中滤管长度0.8m,井点管直径48mm,井点管距离1.5-2.0m。经预降水10天后开挖,满足基坑降水深度。
6.5土方开挖
本工程根据围护设计要求,土方分二期进行开挖,即南、北两个区域。先开挖南区,再开挖北区。
工况一:南区开挖先分层开挖土钉墙工作面,分层施工土钉墙。待其施工完毕,进行开挖本区土方,采用大挖机大开挖的方法开挖渐退。坑底采用中挖机及人工进行收底,并水平驳接给大挖机。
工况二:南区基坑挖好,进行北区西侧的土体开挖。开挖方法同南区。
工况三:待已开挖的区域底板施工完毕,进行开挖基坑东北角区域,开挖此区域需逐块、分层进行。即放坡、抽槽挖出一道支撑的工作面,进行安装支撑,待安装好,再开挖这一块土体至坑底,浇筑混凝土垫层。再进行下一道支撑的开挖。依次挖出剩余土体即可。
6.6钢支撑的安装与拆除
6.6.1钢支撑的安装
本工程由于基坑西北角紧靠已建建筑物,且此处基坑开挖很深。在基坑开挖时对此部位的围护变形要求很高。故采用D609×16钢管斜抛撑。斜抛撑中部支承于钢立柱上,钢立柱用角钢拼焊成格構型,焊缝高度大于8mm。钢立柱与桩内主筋焊牢后插入钻孔灌注桩内,混凝土浇筑至坑底标高。QL900×700用C30混凝土,支撑处埋设预埋钢板。当养护到80%强度后方可架设支撑。
6.6.2钢支撑的拆除
当底板完成后,浇筑传力带,达到强度后拆除斜抛钢支撑。
6.7现场环境监测
由于本工程基坑围护结构施工工序比较复杂,为确保周边环境和施工作业安全,使基坑施工全过程处于受控状态,对围护结构内力、变形、位移(水平位移、垂直位移)、基坑支撑结构的轴力、坑内外地下水位等进行全方位、全过程的跟踪监测,及时采集和处理监测数据,开展了信息化的作业指导,确保了基坑施工的安全、顺利完成。
七、结束语
本工程在基坑围护设计中,由于综合考虑了技术、安全、经济等因素和科学地选择了适合本工程特点的方案,并在基坑施工过程中,严格按照“时空效应”的原理,遵循“分层、分块、留土护壁、对称”的总原则,因此,在基坑开挖后,通过实施信息化管理,各项指标均符合围护设计的要求。整个基坑施工没有对周边建筑、管线产生任何不利影响,确保了基坑工程及周边环境的安全。
关键词：建筑工程；基坑围护；施工技术
一、工程概况
某工程总建筑面积13450m2。工程基础采用预制混凝土方桩、钻孔灌注桩及整体钢筋混凝土筏型承台。工程主楼为钢筋混凝土劲性柱框架结构,辅楼、报告厅为钢结构,设地下室1层,地上9层,建筑高度4219m。本大楼±0.000=5.100m,场地自然地面标高4.2m,基底相对标高-5.85m,地下室基坑开挖深度为4.95m。基地东北角及西北角有主楼的两个劲性柱基础加深坑,坑底标高为-7.35m,实际开挖深度为6.45m。
二、环境条件
本大楼基地周边均有机场道路设施,距离道路最近处为6.00m,周边环境相对比较复杂,在基坑影响范围内有需要保护的建筑物和管线。地下室北侧离一根D100水管及电缆线距离约2.4m。西侧为飞行部院区环行主车道,相距一根机场光缆距离仅6.2m。东、南两侧相隔绿地为虹桥机场住宅建筑群。
三、地质条件
本工程区域内地下静止水位在地表下0.3-0.8m,地下水对混凝土无侵蚀性。土层中存在一层③夹层,为透水性极大的砂质粉土,恰好处于坑底上下深度,基坑开挖后,极易产生流砂及管涌现象,因此,放坡开挖是不可行的,必须做好基坑隔水及坑内降水措施。
四、围护方案设计
本工程基坑开挖深度为4.95m,局部加深到6.45m,在确保施工及使用安全的前提下,根据基坑水平各方向尺度及开挖深度,设计了两套围护方案。
方案1采用复合土钉墙+水泥土搅拌桩重力坝+SMW工法+支撑的围护结构方式进行基坑围护。基坑东北角考虑到与临近建筑物间距过近且地下有2根高压电缆需保护,作为基坑开挖阶段的挡土结构采用SMW工法加型钢支撑;基坑南面因施工场地较为宽阔且地下没有需保护的管线,故采用经济实用的复合土钉墙水泥搅拌桩可解决基坑的止水问题,保证基坑开挖期间坑外的水不会流进坑内。其优点是土方可一次性开挖,施工便捷,周期较短;缺点是支撑数量多且跨度大,基坑位移大,造价较贵。
方案2采用复合土钉墙+水泥土搅拌桩封闭止水挡土内套打钻孔灌注桩+钢管斜抛支撑的围护结构方式进行基坑围护。基坑北侧为双排搅拌桩内套打￠600钻孔灌注桩,东侧为一排钻孔灌注桩加双排搅拌桩,桩顶浇注钢筋混凝土圈梁加2根D609×16钢管角撑,5根D609×16钢管斜抛支撑,南侧采用双排搅拌桩做止水帷幕加打5层土钉墙进行挡土。基坑内加深部位采用双排搅拌桩封闭。其优点是支撑数量少、跨度小,基坑位移变形小,相比较方案1造价低,但土方分二期开挖,施工周期相对较长。综合两围护方案的利弊,考虑到围护结构的经济性、稳定性,最终我们选择了方案2。
五、围护结构总体施工部署
施工准备→搅拌桩土方开槽→围护搅拌桩施工→坑底土体加固→围护钻孔灌注桩→轻型井点降水→围护桩压顶圈梁、围檩施工→土钉墙土方开槽→土钉墙围护施工→水平钢支撑施工→南区土方开挖→北区土方开挖→基础南区、北区大底板施工→基坑东北角留土部分钢管斜抛支撑施工→留土部分土方开挖→留土部分基础底板施工→钢管斜抛支撑拆除
六、施工技术措施
6.1搅拌桩
本工程水泥土搅拌桩采用国产双头搅拌机施工,搅拌桩设计为￠700@500mm,桩身搭接200mm。水泥掺入量13%,水灰比为0.55,使用强度等级为32.5Mpa的普通硅酸盐水泥。采用2次喷浆3次搅拌的施工工艺,钻头提升速度平均小于0.7m/min;搅拌速度46r/min;注浆泵出口压力0.4—0.6Mpa。主要施工要点:
(1)应严格控制桩定位偏差,偏差不得大于5cm,桩身垂直度偏差不超过1.5%。
(2)注浆搅拌钻进,必须保证连续供浆,若因故断浆必须把搅拌头下沉至断面以下1.0m,再慢速提升注浆搅拌。搅拌供浆时,机、泵施工人员应保持有效联络。
(3)重复下切搅拌时,要求沿桩长的喷浆量均匀,成桩结束浆液也应用完。
(4)为防止水泥浆离析,应在灰浆拌制中不断搅动水泥浆,待注浆前缓慢倾入集料箱中。
(5)合理地控制预搅下切速度,保证水泥土搅拌均匀。
(6)为保证桩端施工质量,当浆液达到出浆口后,喷浆座底30s,使浆液完全到达桩端。水泥及外掺剂重量比误差不大于±5%。
(7)施工中如发现桩机有不正常的震动、倾斜或位移等现象,应立即停机检查,必要时应提钻重打。
(8)由于相邻桩体搭接,每一施工段要连续施工,相邻桩体间隔时间不得超过24h,防止因搅拌桩强度增加过高而影响灌注桩钻孔。
6.2灌注桩
围护钻孔灌注桩设计规格为￠600,共计80根,东北二侧搅拌桩内套打￠600@1000的钻孔灌注桩,设计桩长10m,混凝土强度等级为C30。采用正循环钻进,泥浆循环采用自然造浆进行冲渣护壁。泥浆比重控制在小于1.20,沉渣厚度≤100mm。
6.2.1施工要点
(1)成孔钻进施工钻机定位必须水平、稳固。天车、转盘、桩位的中心应三心成一铅垂线。
(2)合理设计钻头,钻头上部加设保径护正圈,使钻头回转平稳。
(3)经常检查钻杆,发现弯曲立即更换。
(4)开孔和换层钻进时,采取轻压慢转;发现有地下障碍物,立即采取措施处理,不能盲目强行钻进。防止主动钻杆晃动过大。
(5)发现钻孔偏斜时,应采取纠斜措施,或用粘土回填,重新成孔。
(6)合理调配泥浆性能,防止缩径和坍孔。
(7)经常检查钻头直径,发现磨损及时修复,以防止因钻头磨损影响钻孔的设计直径。
(8)第一次、第二次清孔,沉淤厚度必须控制在≤100mm以内,以满足设计与施工规范要求,。
(9)原始资料必须齐全、准确、真实,并及时整理提交。
(10)原材料进场时,必须要求供应商提供产品的合格证书。同时,对钢材及时做试验分析报告,混凝土试块全部送检。
(11)对成孔、清渣、灌注、钢筋笼制作与吊放按规定的测点要求,分别准确及时检测记录在册。
(12)对质量监控及其它各项原始记录报表应及时整理,定期会同甲方、监理及质检部门进行抽检。此外,应严格按照规范规定及建设单位和设计单位的要求,对部分桩孔进行成孔测试。
(13)混凝土初灌量应保证导管底部一次性埋入混凝土内1.3m以上。
(14)灌注混凝土应连续不断地进行,及时测量孔内混凝土面高度,以指导导管的提升和拆除。
6.2.2工序搭接时间控制
由于本工程围护体系东北二侧搅拌桩内套打钻孔灌注桩,因此,在施工过程中应严格控制好两者之间的搭接时间。如果搭接时间过短,由于水泥搅拌桩养护时间不够,造成水泥搅拌桩强度过低,则起不到应有的护壁作用;反之如果搭接时间过长,由于水泥搅拌桩强度过高,使钻孔灌注桩成孔困难,会造成施工速度慢。根据围护工程设计要求和施工实际情况,在水泥搅拌桩施工5-7天后开始进行钻孔灌注桩施工,無论从成孔质量还是从垂直度、充盈系数等检测数据来看,都符合《钻孔灌注桩施工规程》的要求,达到了预期的目的。
6.3土钉墙
本工程在搅拌桩达28天养护期后,分层开挖并打设土钉。土钉采用￠48×3.5钢管制作,钢管除底部3m以外全长范围钻有注浆孔,并有倒刺。高度方向共设置5排,土钉竖向间距019m,水平方向间距1.0m,采用梅花形布置;土钉长度量:第一排9m、第二排12m、第三排12m、第四排9m、第五排9m,与水平呈15°夹角。钢管压入后立即注入水泥浆。水泥浆水灰比小于0.55,掺2%水玻璃,注浆压力小于0.3Mpa。
主要施工要点:
(1)注浆后立即喷射第一层混凝土面,厚度为3cm,绑扎钢筋网,再次喷射第二层混凝土面7cm。注浆后至少养护36小时方可挖至坑底标高。喷射混凝土强度等级C20,水灰比0.45,骨料5—10mm,厚度为100mm。钢筋网为￠6@200双向,网筋间距误差≤±2cm,保护层厚度≥2cm,钢筋用铁丝绑扎,上下层搭头为点焊。
(2)设置土钉以及喷射混凝土等工序应连续进行,并在12小时内连续完成支护。土钉与联系钢筋、网片、井型垫块应焊牢,钢筋网绑扎搭接长度不小于30mm,加强筋搭接长度不小于10d,且与土钉牢固连接。
6.4轻型井点降水
本工程基坑大面积开挖深度为4.95m,局部深坑开挖深度达6.45m,经认真研究,确定采用沿基坑四周设置3套轻型井点,基坑中间设置1套轻型井点。井点管长度6m,其中滤管长度0.8m,井点管直径48mm,井点管距离1.5-2.0m。经预降水10天后开挖,满足基坑降水深度。
6.5土方开挖
本工程根据围护设计要求,土方分二期进行开挖,即南、北两个区域。先开挖南区,再开挖北区。
工况一:南区开挖先分层开挖土钉墙工作面,分层施工土钉墙。待其施工完毕,进行开挖本区土方,采用大挖机大开挖的方法开挖渐退。坑底采用中挖机及人工进行收底,并水平驳接给大挖机。
工况二:南区基坑挖好,进行北区西侧的土体开挖。开挖方法同南区。
工况三:待已开挖的区域底板施工完毕,进行开挖基坑东北角区域,开挖此区域需逐块、分层进行。即放坡、抽槽挖出一道支撑的工作面,进行安装支撑,待安装好,再开挖这一块土体至坑底,浇筑混凝土垫层。再进行下一道支撑的开挖。依次挖出剩余土体即可。
6.6钢支撑的安装与拆除
6.6.1钢支撑的安装
本工程由于基坑西北角紧靠已建建筑物,且此处基坑开挖很深。在基坑开挖时对此部位的围护变形要求很高。故采用D609×16钢管斜抛撑。斜抛撑中部支承于钢立柱上,钢立柱用角钢拼焊成格構型,焊缝高度大于8mm。钢立柱与桩内主筋焊牢后插入钻孔灌注桩内,混凝土浇筑至坑底标高。QL900×700用C30混凝土,支撑处埋设预埋钢板。当养护到80%强度后方可架设支撑。
6.6.2钢支撑的拆除
当底板完成后,浇筑传力带,达到强度后拆除斜抛钢支撑。
6.7现场环境监测
由于本工程基坑围护结构施工工序比较复杂,为确保周边环境和施工作业安全,使基坑施工全过程处于受控状态,对围护结构内力、变形、位移(水平位移、垂直位移)、基坑支撑结构的轴力、坑内外地下水位等进行全方位、全过程的跟踪监测,及时采集和处理监测数据,开展了信息化的作业指导,确保了基坑施工的安全、顺利完成。
七、结束语
本工程在基坑围护设计中,由于综合考虑了技术、安全、经济等因素和科学地选择了适合本工程特点的方案,并在基坑施工过程中,严格按照“时空效应”的原理,遵循“分层、分块、留土护壁、对称”的总原则,因此,在基坑开挖后,通过实施信息化管理,各项指标均符合围护设计的要求。整个基坑施工没有对周边建筑、管线产生任何不利影响,确保了基坑工程及周边环境的安全。