论文部分内容阅读
摘要：本文结合某大桥局部墩基坑防护及加固处理的实践，重点对特殊地质条件下基坑防护及地基加固的施工方案和技术措施进行分析比较，为类似工程提供一些参考。
关键词：软土基坑；防护及加固；施工方案；技术措施
0引言
软土路基的处理是公路工程施工中的一个较难处理的问题。随着改革开放的不断发展，新的技术工艺要求也不断提升，许多路基处理技术得到了综合应用和推扩。目前软土路基的施工处理技术有许多种方案，但是在具体实施操作中应结合工程的具体特点，科学并合理地选择与组合有效的施工技术和施工工艺，如此既可以确保安全和质量、缩短工期，又可节约工程投资。
1．工程概况
该桥梁设计为全长170m的中承式中桥，共4跨，3个桥墩基础。以第2#墩桩为例，基础设计为9根φ125cm的钻孔桩，桩长42m，承台结构尺寸为1140cm×900cm×350cm，墩身结构为830cm×330cm×1250cm的圆端空心墩，上部为40m预应力砼箱梁。
该桥拟建范围地型复杂，地质条件差。淤泥、淤泥土、淤泥质砂等软弱土发育，厚度大，深度最大达15.5m，其抗剪强度指标—粘聚力（C）和内摩擦角（φ）值低，工程性质极差，基坑开挖容易坍塌。该桥2号墩正位于全桥桥墩最为复杂和空间多变的软土地基上，基坑开挖尺寸1340cm×1100cm，深度4.6m左右，设计防护方式为钢板桩围堰，基底为1m的砼垫层。
2．防护方案比选
根据勘测资料及调查情况，本桥墩附近原先为一条古河道，淤泥较深。发现此处为淤泥质粉质粘土，呈流~软塑状，1类等级，σ0=50kpa，淤泥层大约为17m左右，地质柱状图见图1。
鉴于此处淤泥层较深，呈流塑状，钢板桩已无法满足基坑开挖要求，为保证施工人员、设备安全，确保工期，结合现场坍塌原因及地质情况，提出了多种方案进行研究，并在安全性、技术性、操作性及经济性等方面进行详细对比，最终采取最优方案实施。
2.1 方案一：高压旋喷桩对基坑进行加强防护处理方案。
为了尽快采取施工加固措施，并确保施工安全，尤其是在即将来临的雨季前顺利完成基坑的开挖工作，决定采用高压旋喷桩对基坑进行加强防护处理。
①、首先将基坑用山皮土回填密实，并修筑便道，以恢复通行。
②、在进行钢板桩拔除时，先拔除桥梁走线前后两个方向的钢板桩；对于在便道、房屋一侧和鱼塘一侧的两道钢板桩，为保证两侧房屋和鱼塘安全，避免拔除产生地陷，加重此处危情，钢板桩拔除时采用边拔除边观察，视拔除情况进行，作间隔拔除。若遇到下沉明显，可对部分钢板桩不予拔除，直接回填。
③、在场地平整完后，对高压旋喷桩的桩位进行布点。原钢板桩内部的高压旋喷桩直径选用70cm，间距按50cm咬合全基坑布置，从垫层底下按10m考虑；钢板桩外围的高压旋喷桩直径选用70cm，间距按50cm平行咬合四周布置，桩长按15m，同时比内部旋喷桩高出大约1m，坑底高压旋喷桩379根，坑外高压旋喷桩188根，经计算高压旋喷桩长共6610m，换算体积为2543立方米。高压旋喷桩布置大样图见图2。
④、待旋喷桩达到强度后，重新对基坑进行开挖。
2.2方案二：搅拌桩对基坑进行加强防护处理方案。
因地下水量大，且为淤泥质粉质粘土的地质情况，提出选用粉体喷射搅拌法的第二加固方案，其主要特点为：
①、使用的干燥状态的固化材料可以吸收软土地基的水分，加固含水量高的软土、极软土等地基效果显著。
②、固化材料全面地被喷射到靠搅拌叶旋转过程中产生的空隙中，同时又靠土的水分把它附到空隙内部，随着搅拌叶片旋转，固化剂均匀地分布在土中，不会产生不均匀散乱现象，有利于提高地基土的加固强度。
③、与方案一的高压旋喷桩相比，输入地基土中的固化材料要少得多，无浆液排出，地面无隆起现象。同时固化材料是干燥状态的极细粉状体，如水泥、生石灰、消石灰等，材料来源广泛，并可使用两种以上的混合材料。因此，对地基土加固适应性强，不同的土质要求可以找出与之相应的固化材料，其适应的工程对象较广。
2.3方案三：钻孔桩加挡土板方法对基坑进行防护加固处理方案。
因本基坑原采用的钢板桩已向内侧倾斜，特别是靠鱼塘一侧坍塌严重，给施工安全和操作带来不利。根据现场情况，造成坍塌的主要来自钢板桩下层地下水增加，坑内淤泥质粉质粘土外涌，上端土层向内挤压，整个钢板桩不是一个平衡体而坍塌。为此，提出选用钻孔桩加挡土板方法。
①、按方案一的前2步骤进行基坑回填。
②、在回填好地基上原钢板桩外围采用单排直径100cm、间距2~4m四周布置钻孔灌注桩到一深度，设计要求满足承载侧压力，在四周钻孔桩靠外一侧加打木方或钢板等挡土板至设计的砼基底板下0.5m，以达到截拦泥涌及拦阻外土挤压目的。
③、进行基坑开挖，坑内可以不作其他加固处理。
3 分析与比较
上述三个施工方案各有其优缺点，高压旋喷桩对基坑进行加强防护处理方案能较好地控制地基稳定，根据需要可对同一注浆孔的某一段进行两次或两次以上的喷射作业，提高地基的抗剪强度良好，较能满足现场的承载力安全要求，对安全质量控制较有保障，特别与钻孔桩加挡土板方法相比有防止下层淤泥与地下水结合上涌的现象的发生，但其方案直径及桩长过于偏大、桩的平面布置有待优化和修改。
粉体喷射搅拌法有其许多便利优点，但不直观计测达到的强度效果，对施工质量不易控制，对本工程质量及安全标准较高的高速铁路工程而言保障性不足，特别是本基坑施工不能再有重复问题的出现而延误工期，故较为一般的方案。
钻孔桩加挡土板方法是一种较理想化的方案，但对侧向的抗剪强度不大，为满足受力要求，钻孔桩的桩长设计不易控制，需达到地基承载力层，根据地质资料，桩至少达到40m以上。同时打入的挡土板容易变形侧滑，下层淤泥可以会发生上涌现象，能否达到稳定及预期目的需进一步计算检测，且成本较高，操作上不一定可行，亦不是最好方案。
经过对上述预选方案的优缺点分析和技术操作可行性、安全性对比，最后采用對方案一高压旋喷桩的优化和修改方案。具体修改为：高压旋喷桩修改后直径采用50cm，原钢板桩外侧为高压旋喷桩不用咬合而是采用紧贴双排布置；坑内高压旋喷桩直径采用50cm、不咬合而按100cm间距的梅花型布置。基坑底的高压旋喷桩的桩长改为4m，即可达到地基加固的目的；基坑外双排高压旋喷桩的桩长修改为17m，即超过淤泥质粉质层深度后满足防护要求，基坑加固示意图及坑内高压旋喷桩的大样图详见图3和图4。
修改后的方案一高压旋喷桩数量为基坑内146根，坑外高压旋喷桩226根，经计算高压旋喷桩长共4426m，换算体积为869立方米。优化修改后的方案比原方案减少桩长2184m，减少体积为1674立方米，节省加固成本明显，具体比选情况见对比表。
4 施工技术
结合本工程基坑现场地质情况及周边场地条件，经过对各种方案分析比较，最采用了高压旋喷桩防护基坑及加固地基的实施方案。高压旋喷桩是把注浆管钻入或置入土层以后，使喷嘴喷出20~40MPa的高压喷射流破坏地基土体，形成预定形状的空间，注入的浆液将冲下的土置换或部分混合体形成固结体，以达到改造土体的一种方法。适用于淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑黏性土、粉土、砂土等软土地基的加固，也可以新建地基处理，深基坑侧壁挡土或挡水，同时对基坑底部的加固也可以防止管涌与隆起的发生，是一种较为常用的地基加固处理方法。
4.1材料及机具安排
本工程的高压旋喷桩施工所用材料包括水泥、外加剂和水，该工程所用外加剂主要为速凝剂及抗渗剂，以达到缩短工期及防地下水渗透目的。主要机具包括：钻机、高压泥浆泵、高压清水泵、空压机、浆液搅拌机、真空泵与超声波传感器等，部分是可以采用现场已有的工具，减少工具运输。为确保方案的顺利实施，严格按国家及铁路的行业相关规定和操作规程进行施工，并制定了本工程具体的操作流程和技术措施。
4.2 工艺流程
施工安排：先安排基坑外围的高压旋喷桩,再实施基坑内高压旋喷桩。
4.3 技术措施及要求
根据方案设计的直径为50cm，施工前先进行场地平整，挖好排水沟，做好钻机定位。要求钻机安放保持水平，钻杆保持垂直，其倾斜度控制在1.5%以内。旋喷钻机转速控制10~20r/min，提升速度控制在15cm/min。高压液流管道输送距离控制在50m内，分段提升喷射搭接长度不小于100mm。水泥浆必须随搅随用，当水泥浆放置时间超过初凝时间后，不得再用于喷射施工。喷射用浆必须搅拌均匀，每罐搅拌时间不得少于3min,不间断的轻微搅拌，避免浆液沉淀，同时对水泥浆液经过筛网过滤，避免喷嘴堵塞。对于局部须提高强度时，一些桩采取了复喷方法处理。施工过程中应随时检查各压力表所示压力是否正常，以确保施工质量。高压喷射产生的废浆应抽排至储浆池中，采用泥浆车运至指定地点排放，减少环境污染。注重各种检测，发现问题及时纠正及处理。
4.4 工程实际效果
通过采用优化的后高压旋喷桩防护及加固的施工方案，坑基土质的流动性明显减小，改善了地基(土或岩石)的承载能力，土的凝塑性和抗剪强度达到预期效果，施工质量达到规范要求；开挖基坑过程中没有出现坍塌现象，保证了施工安全。
5．结束语
综上所述，在特殊地质情况下，对多种方案分析比选，并提出优化方案的修改具体措施，使修改后的高压旋喷桩在本工程中得于顺利实施，达到预期目标，是对软土基坑开挖防护处理同时考虑对基坑内的地基加固处理的综合处理一种良好方法，实施中取得了可靠的技术保证和良好的经济效果，对以后的软土路基处理奠定了坚实的基础。今后我们会通过大量的工程施工实践不断的总结经验，为以后的软土路基基底处理找到最佳的方案。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：软土基坑；防护及加固；施工方案；技术措施
0引言
软土路基的处理是公路工程施工中的一个较难处理的问题。随着改革开放的不断发展，新的技术工艺要求也不断提升，许多路基处理技术得到了综合应用和推扩。目前软土路基的施工处理技术有许多种方案，但是在具体实施操作中应结合工程的具体特点，科学并合理地选择与组合有效的施工技术和施工工艺，如此既可以确保安全和质量、缩短工期，又可节约工程投资。
1．工程概况
该桥梁设计为全长170m的中承式中桥，共4跨，3个桥墩基础。以第2#墩桩为例，基础设计为9根φ125cm的钻孔桩，桩长42m，承台结构尺寸为1140cm×900cm×350cm，墩身结构为830cm×330cm×1250cm的圆端空心墩，上部为40m预应力砼箱梁。
该桥拟建范围地型复杂，地质条件差。淤泥、淤泥土、淤泥质砂等软弱土发育，厚度大，深度最大达15.5m，其抗剪强度指标—粘聚力（C）和内摩擦角（φ）值低，工程性质极差，基坑开挖容易坍塌。该桥2号墩正位于全桥桥墩最为复杂和空间多变的软土地基上，基坑开挖尺寸1340cm×1100cm，深度4.6m左右，设计防护方式为钢板桩围堰，基底为1m的砼垫层。
2．防护方案比选
根据勘测资料及调查情况，本桥墩附近原先为一条古河道，淤泥较深。发现此处为淤泥质粉质粘土，呈流~软塑状，1类等级，σ0=50kpa，淤泥层大约为17m左右，地质柱状图见图1。
鉴于此处淤泥层较深，呈流塑状，钢板桩已无法满足基坑开挖要求，为保证施工人员、设备安全，确保工期，结合现场坍塌原因及地质情况，提出了多种方案进行研究，并在安全性、技术性、操作性及经济性等方面进行详细对比，最终采取最优方案实施。
2.1 方案一：高压旋喷桩对基坑进行加强防护处理方案。
为了尽快采取施工加固措施，并确保施工安全，尤其是在即将来临的雨季前顺利完成基坑的开挖工作，决定采用高压旋喷桩对基坑进行加强防护处理。
①、首先将基坑用山皮土回填密实，并修筑便道，以恢复通行。
②、在进行钢板桩拔除时，先拔除桥梁走线前后两个方向的钢板桩；对于在便道、房屋一侧和鱼塘一侧的两道钢板桩，为保证两侧房屋和鱼塘安全，避免拔除产生地陷，加重此处危情，钢板桩拔除时采用边拔除边观察，视拔除情况进行，作间隔拔除。若遇到下沉明显，可对部分钢板桩不予拔除，直接回填。
③、在场地平整完后，对高压旋喷桩的桩位进行布点。原钢板桩内部的高压旋喷桩直径选用70cm，间距按50cm咬合全基坑布置，从垫层底下按10m考虑；钢板桩外围的高压旋喷桩直径选用70cm，间距按50cm平行咬合四周布置，桩长按15m，同时比内部旋喷桩高出大约1m，坑底高压旋喷桩379根，坑外高压旋喷桩188根，经计算高压旋喷桩长共6610m，换算体积为2543立方米。高压旋喷桩布置大样图见图2。
④、待旋喷桩达到强度后，重新对基坑进行开挖。
2.2方案二：搅拌桩对基坑进行加强防护处理方案。
因地下水量大，且为淤泥质粉质粘土的地质情况，提出选用粉体喷射搅拌法的第二加固方案，其主要特点为：
①、使用的干燥状态的固化材料可以吸收软土地基的水分，加固含水量高的软土、极软土等地基效果显著。
②、固化材料全面地被喷射到靠搅拌叶旋转过程中产生的空隙中，同时又靠土的水分把它附到空隙内部，随着搅拌叶片旋转，固化剂均匀地分布在土中，不会产生不均匀散乱现象，有利于提高地基土的加固强度。
③、与方案一的高压旋喷桩相比，输入地基土中的固化材料要少得多，无浆液排出，地面无隆起现象。同时固化材料是干燥状态的极细粉状体，如水泥、生石灰、消石灰等，材料来源广泛，并可使用两种以上的混合材料。因此，对地基土加固适应性强，不同的土质要求可以找出与之相应的固化材料，其适应的工程对象较广。
2.3方案三：钻孔桩加挡土板方法对基坑进行防护加固处理方案。
因本基坑原采用的钢板桩已向内侧倾斜，特别是靠鱼塘一侧坍塌严重，给施工安全和操作带来不利。根据现场情况，造成坍塌的主要来自钢板桩下层地下水增加，坑内淤泥质粉质粘土外涌，上端土层向内挤压，整个钢板桩不是一个平衡体而坍塌。为此，提出选用钻孔桩加挡土板方法。
①、按方案一的前2步骤进行基坑回填。
②、在回填好地基上原钢板桩外围采用单排直径100cm、间距2~4m四周布置钻孔灌注桩到一深度，设计要求满足承载侧压力，在四周钻孔桩靠外一侧加打木方或钢板等挡土板至设计的砼基底板下0.5m，以达到截拦泥涌及拦阻外土挤压目的。
③、进行基坑开挖，坑内可以不作其他加固处理。
3 分析与比较
上述三个施工方案各有其优缺点，高压旋喷桩对基坑进行加强防护处理方案能较好地控制地基稳定，根据需要可对同一注浆孔的某一段进行两次或两次以上的喷射作业，提高地基的抗剪强度良好，较能满足现场的承载力安全要求，对安全质量控制较有保障，特别与钻孔桩加挡土板方法相比有防止下层淤泥与地下水结合上涌的现象的发生，但其方案直径及桩长过于偏大、桩的平面布置有待优化和修改。
粉体喷射搅拌法有其许多便利优点，但不直观计测达到的强度效果，对施工质量不易控制，对本工程质量及安全标准较高的高速铁路工程而言保障性不足，特别是本基坑施工不能再有重复问题的出现而延误工期，故较为一般的方案。
钻孔桩加挡土板方法是一种较理想化的方案，但对侧向的抗剪强度不大，为满足受力要求，钻孔桩的桩长设计不易控制，需达到地基承载力层，根据地质资料，桩至少达到40m以上。同时打入的挡土板容易变形侧滑，下层淤泥可以会发生上涌现象，能否达到稳定及预期目的需进一步计算检测，且成本较高，操作上不一定可行，亦不是最好方案。
经过对上述预选方案的优缺点分析和技术操作可行性、安全性对比，最后采用對方案一高压旋喷桩的优化和修改方案。具体修改为：高压旋喷桩修改后直径采用50cm，原钢板桩外侧为高压旋喷桩不用咬合而是采用紧贴双排布置；坑内高压旋喷桩直径采用50cm、不咬合而按100cm间距的梅花型布置。基坑底的高压旋喷桩的桩长改为4m，即可达到地基加固的目的；基坑外双排高压旋喷桩的桩长修改为17m，即超过淤泥质粉质层深度后满足防护要求，基坑加固示意图及坑内高压旋喷桩的大样图详见图3和图4。
修改后的方案一高压旋喷桩数量为基坑内146根，坑外高压旋喷桩226根，经计算高压旋喷桩长共4426m，换算体积为869立方米。优化修改后的方案比原方案减少桩长2184m，减少体积为1674立方米，节省加固成本明显，具体比选情况见对比表。
4 施工技术
结合本工程基坑现场地质情况及周边场地条件，经过对各种方案分析比较，最采用了高压旋喷桩防护基坑及加固地基的实施方案。高压旋喷桩是把注浆管钻入或置入土层以后，使喷嘴喷出20~40MPa的高压喷射流破坏地基土体，形成预定形状的空间，注入的浆液将冲下的土置换或部分混合体形成固结体，以达到改造土体的一种方法。适用于淤泥、淤泥质土、流塑、软塑或可塑黏性土、粉土、砂土等软土地基的加固，也可以新建地基处理，深基坑侧壁挡土或挡水，同时对基坑底部的加固也可以防止管涌与隆起的发生，是一种较为常用的地基加固处理方法。
4.1材料及机具安排
本工程的高压旋喷桩施工所用材料包括水泥、外加剂和水，该工程所用外加剂主要为速凝剂及抗渗剂，以达到缩短工期及防地下水渗透目的。主要机具包括：钻机、高压泥浆泵、高压清水泵、空压机、浆液搅拌机、真空泵与超声波传感器等，部分是可以采用现场已有的工具，减少工具运输。为确保方案的顺利实施，严格按国家及铁路的行业相关规定和操作规程进行施工，并制定了本工程具体的操作流程和技术措施。
4.2 工艺流程
施工安排：先安排基坑外围的高压旋喷桩,再实施基坑内高压旋喷桩。
4.3 技术措施及要求
根据方案设计的直径为50cm，施工前先进行场地平整，挖好排水沟，做好钻机定位。要求钻机安放保持水平，钻杆保持垂直，其倾斜度控制在1.5%以内。旋喷钻机转速控制10~20r/min，提升速度控制在15cm/min。高压液流管道输送距离控制在50m内，分段提升喷射搭接长度不小于100mm。水泥浆必须随搅随用，当水泥浆放置时间超过初凝时间后，不得再用于喷射施工。喷射用浆必须搅拌均匀，每罐搅拌时间不得少于3min,不间断的轻微搅拌，避免浆液沉淀，同时对水泥浆液经过筛网过滤，避免喷嘴堵塞。对于局部须提高强度时，一些桩采取了复喷方法处理。施工过程中应随时检查各压力表所示压力是否正常，以确保施工质量。高压喷射产生的废浆应抽排至储浆池中，采用泥浆车运至指定地点排放，减少环境污染。注重各种检测，发现问题及时纠正及处理。
4.4 工程实际效果
通过采用优化的后高压旋喷桩防护及加固的施工方案，坑基土质的流动性明显减小，改善了地基(土或岩石)的承载能力，土的凝塑性和抗剪强度达到预期效果，施工质量达到规范要求；开挖基坑过程中没有出现坍塌现象，保证了施工安全。
5．结束语
综上所述，在特殊地质情况下，对多种方案分析比选，并提出优化方案的修改具体措施，使修改后的高压旋喷桩在本工程中得于顺利实施，达到预期目标，是对软土基坑开挖防护处理同时考虑对基坑内的地基加固处理的综合处理一种良好方法，实施中取得了可靠的技术保证和良好的经济效果，对以后的软土路基处理奠定了坚实的基础。今后我们会通过大量的工程施工实践不断的总结经验，为以后的软土路基基底处理找到最佳的方案。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。