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超深基坑施工技术
超深基坑施工技术
作者:
张 峰 等 文章来源:
互联网 点击数:
827 更新时间:
2004-12-6
超深基坑施工技术
张 峰 陈 伟 朱继文
上海市第二市政工程有限公司隧道施工分公司
引言
超深基坑的施工手段繁多,涉及到基坑的围护,基坑支撑与开挖、封底及环境的保护等各个方面的工艺,施工难度和风险极大,有很多失败的先例,特别是在承压水的作用下,实施干封底的例子还是比较鲜见。
本文从复兴东路220KV电缆砼顶管越江隧道工程工作井基坑施工中克服离黄浦江近,受承压水作用,周围环境复杂等困难,成功进行了基坑制作并实施干封底的实例,来分析说明超深基坑的施工工艺。
工程概况
我们市政二公司于99年元月承建了复兴东路220KV电缆砼顶管越江隧道工程。
本工程工作井在浦东,接收井在浦西,顶管为Φ2600钢筋混凝土管,长度为530米;其工作井为圆形,外径为18.574米,有效内径为16米,采用钢筋混凝土地下墙作围护结构,墙厚0.8米,连续墙入土深度44.30米,基坑开挖深度为32.45米,钢筋混凝土底板厚2米。
内衬采用逆作法施工。
这样的工程在上海市来说应当属于难度较大的深基坑施工工程,其难度有以下几点:
连续墙施工。
连续墙深度达44米,按地质资料土表下18米内有流沙层,且要穿越坚硬的第⑥层暗绿色粘土层以及第⑦层草黄色粉砂层(即上海市第一承压含水层)。
基坑封底。
基坑深度32米,要挖穿第⑥层暗绿色粘土层,2米厚钢筋混凝土底板坐落在⑦层承压含水层中,承压水水头标高可达-4.46米,压力约为273KN/M2。
环境保护困难。
工作井位于上海港务局东昌装卸公司的场区内,距黄浦江防汛墙约50米,场区附近有上海油脂一厂的厂房和若干油罐,及长江航运公司供应站的建筑物,工作井与相邻的煤气过江管工作井的中心距约为41m,与煤气仪表房距离不到2米。
工作井工程地质情况
浦东工作井工程地质情况参考上海市民防地基勘察院编制的工程地质勘察报告(1997年2月)。
土层
编号
土层名称
层底标高(米)
层厚(米)
渗透系数
(×10-5cm/s)
标准贯入度
(击)
地基土强度(KPa)
①1a
杂填土
1.11
3.8
-----
-----
②1
粉质粘土
0.61
0.5
-----
-----
②2
粉质粘土
-0.09
0.7
0.09
-----
-----
②3
粉质粘土
-2.69
2.6
2.3
80
③
淤泥质粉质粘土
-5.19
2.5
0.08
0.5
65
④
淤泥质粘土
-13.19
8
0.8
60
⑤1a
灰色粘土
-17.89
4.7
相对隔水层
2.4
70
⑤1b
粉质粘土
-20.89
3
2.7
80
⑥
褐绿色粉质粘土
-24.89
4
相对隔水层
16.3
160
⑦1b
草黄色粉砂
-----
-----
承压含水层
35.4
>200
⑦1b层为承压含水层,水位埋深9.12米,相当于标高-4.46米。
地下连续墙施工
本工程地下连续墙为正24边形,设计要求三抓一幅,每一幅接头采用常规的钢锁口管接头。
地下连续墙深达44米,墙根深入⑦1B粉砂层(即上海市第一承压含水层)。
这样,单幅成槽时间较长,易产生坍孔现象。
且根据地质勘察报告提供的资料,本工程地坪下约4~5米范围内有块石、砼地坪等杂物,土表下18米内易产生流砂。
由于工作井内衬无支撑,且是逆作法,仅靠地下连续墙作围护,因此,做好地下连续墙是先决条件。
在施工前我们采取了以下措施来确保连续墙的质量。
换土
在施工导墙前进行换土。
根据地质勘察报告提供的资料,本工程地坪下约4~5米范围内有块石、砼地坪等杂物,且是杂填土。
在杂填土中施工时,土体承载力差,又无法垂直自立,还会产生坍塌现象,势必影响导墙施工质量,且造成施工场地环境恶劣。
在地下连续墙成槽时,由于槽段内有杂物,会跟随着成槽机带下去,引起土体位移造成槽壁坍方,影响地下连续墙的质量。
为此我们进行换土。
回填土采用临近工地挖出3~4米层的黏土,清除杂物,分层夯实,在导墙施工时能垂直自立,充当外模。
导墙基槽开挖中发现的下水道给以严密封堵,防止其成为泥浆的泄露通道,在井位外另排一道排水沟。
槽壁注浆加固
由于槽壁注浆加固属于标外工作量,考虑到注浆对槽壁质量的必要性,经设计、监理、业主认可后进行实施。
⑴分析原因
①地质条件复杂
地表下18米内有流砂,墙体深度44米,须穿越坚硬的第⑥层暗绿色粘土层以及第⑦层草黄色粉砂层(即上海市第一承压含水层),为上海市政行业地下连续墙施工所罕见。
②周边环境恶劣
距黄浦江防汛墙约50米,场区附近有上海油脂一厂的厂房和若干油罐,及长江 航运公司供应站的建筑物,工作井与相邻的煤气过江管工作井的中心距约为41m,与煤气仪表房距离不到2米,他们对沉降要求都较高。
③承受动荷载大
在地下连续墙施工中,场地上有三辆大型设备要运转,60吨重的成槽机在成槽时停靠在槽边,50吨、100吨吊车在起吊钢筋笼、预制接头时也须在槽边行走。
④施工周期长
设计要求三抓一幅。
成槽时,按工艺要求,先两边后中间,挖上部土体只须4~5小时,挖第⑥层暗绿色粘土层须15小时以上,挖第⑦层草黄色粉砂层(即上海市第一承压含水层),用时也在15小时以上,这样,就是正常挖土也须35小时,虽有泥浆护壁,也极易产生槽壁坍塌现象,影响地下连续墙质量,也破坏周边环境。
⑵采取方法
为保证地下连续墙施工正常进行,不破坏周边环境,特对地下连续墙两侧进行双排注浆来加固土体,内排为双液注浆,外排为单液注浆,深度18米,孔间距1米,总孔数223孔,加固土体4032立方。
地表下回填土范围内,施工时适当增加注浆量。
⑶注浆参数
浆液配比:
单液注浆(水:
粉煤灰:
水泥:
膨润土=130:
40:
200:
20)
双液注浆(水:
水泥:
粉煤灰:
膨润土:
水玻璃=152:
200:
40:
4:
60)
双液浆的粘度>35,比重1.3~1.5,初凝时间2~3min,凝固强度3~4Mpa/2h
注浆压力一般为0.2~0.5Mpa,初始时略高
注浆流量一般为每分钟10~15升
注浆加固后土体强度可达到0.8Mpa
采用砼榫式预制接头取代常规的钢锁口管
砼榫式预制接头在本工程中应用具有的优势:
⑴砼榫式预制接头是在地面上制作,其质量比水下浇灌砼有保证。
⑵砼榫式预制接头强度比设计地下连续墙要高。
预制接头的钢筋保护层为2.5cm,而地下连续墙钢筋保护层为9cm;预制接头的高度大于地下连续墙的高度;预制接头主筋同地下连续墙相同,并按预制构件要求增加相应的构造钢筋,这样同截面含筋量增加。
⑶从结构受力分析,本工程是环状多边形,受力是环向压力,由于预制接头强度比水下浇灌砼地下连续墙高,其受力就更具有优势。
⑷预制接头设计为H形,桩槽与地下连续墙咬合,桩连接采用钢板连接,接头端面间加橡胶止水条来保证防水。
⑸现场有大吨位的起吊设备,拼装后一次就位,对垂直度是有保证的。
⑹预制接头与地下连续墙是面接触,而钢锁口管与地下连续墙是点接触。
在施工中预制接头与槽壁间是无空隙的,这对防绕流更有好处。
⑺拔钢锁口管须用大吨位的起拔器,且反力大,对导墙影响大。
另拔管时间较难掌握,钢锁口管拔不出或拔断,将直接影响地下连续墙的质量。
采用预制接头,就省去了该道工序,同时也克服了上述不足。
⑻预制接头底部为尖状,利于插入土层,确保根部稳定,接头背部回填土夹石,用冲杆捣实,确保预制接头在浇灌水下砼时不移位。
成槽机选型
考虑到槽段深度44米,底下有承压水,泥浆比重达到1.3,决定选用意大利进口的BN?
2型成槽机,自重60吨,配备17吨重抓斗,宽度为0.8米,张开尺寸2.5米。
若在第⑥层暗绿色粘土层、第⑦层草黄色粉砂层(即上海市第一承压含水层)施工中遇到难度时,采用GPS?
5型钻机,先引孔再成槽,即两钻一抓法,确保成槽顺利实施。
由于采取了以上加固及改进措施,使连续墙施工总体上得以顺利进行。
但在具体施工时还是或多或少遇到了一些问题,下面我们就一些主要问题进行详细介绍和分析以及采取的对策。
⑴ 施工机械损坏
由于连续施工,成槽机连续作业时间长,无保养间歇,极易造成设备的损坏,且地下土质较硬,由其是第⑥层暗绿色硬土,第⑦层含有丰富承压水的铁板砂层,故在第一幅、第二幅施工中,时间较短,而在DQ1第三幅成槽至35米时出现成槽机坏,抓土斗齿断裂等情况无法施工时,马上加重泥浆的比重来进行护壁。
同时电召意大利专家赶过来检修,另一方面组织机械工程师抓紧修理。
考虑到停顿时间较长,虽有泥浆护壁,仍有槽壁坍塌的危险,经与设计、业主、监理商量后,对该槽段进行回填,回填材料采用黄砂加石子,以利第二次成槽。
当成槽机修理好后继续成槽时,决定调整成槽作业时间,每挖土5小时必须停机半小时~1小时,并组织专人进行保养,确保成槽机正常作业。
⑵ 钢筋笼无法就位
在吊放DQ1槽段钢筋笼时,确实出现钢筋笼放到38米时放不下去的现象。
当DQ1成槽结束时,量测深度为44.5米,用超声波测试,槽壁虽有凹凸情况,存在少量塌方,但根据超声波测试图纸分析,钢筋笼应该放得下。
出现这情况后,只得重新吊起,经测试,成槽深度为42米,估计是由于DQ1槽段回填后重新成槽对土体产生多次扰动,影响较大。
用超声波重新测试,确实存在坍塌现象。
经与设计、监理商量后,马上采取措施,一方面加重泥浆的比重,另一方面成槽机继续挖土,至设计标高后及时清底,终于将钢筋笼顺利放到位。
在吊放DQ5槽段钢筋笼时,也出现钢筋笼离设计标高1米时放不下去的现象。
对超声波测试图纸分析,无异常情况。
根据以往经验,估计是预制接头未放直的问题。
就用100吨吊车拎高钢筋笼,用50吨吊车吊预制接头,重新放预制接头,再放钢筋笼,最终顺利就位。
总结:
第一、槽壁注浆加固对成槽时引起的塌方问题能控制到最小,确保施工正常进行,达到设计要求的质量。
第二、锁口管改预制桩解决了连续墙中钢锁口管吊拔及砼绕流等难题。
工作井封底施工
根据设计图纸及地质资料可知:
2m厚钢筋混凝土底板底标高为-27.5m,完全坐落在第⑦层草黄色粉沙层,即承压水层中。
工作井地面标高为+5.00m,这样基坑开挖深度将达32米多。
承压水静水标高可达-4.46m,也就是说一旦坑底发生管涌现象,极短时间内其水位就可上升二十几米高。
同时在开挖过程中还要用逆作法进行内衬施工。
因此要实现设计要求的干封底,施工难度与风险极大,选择何种封底方案将成为施工成败的关键。
在施工前,我们走访了相类式的一些工程,根据我们自己的经验以及调查了解的情况,我们对以下几种封底方案进行了研究探讨,以决定其中一种方案实施。
第一种方案:
高压旋喷注浆加固结合坑外深井降水封底方案。
为实现干开挖,干封底这一目标,采取的措施是:
井底采用高压旋喷注浆加固和坑外采用深井降水卸压达到干封底的目的,同时坑内采用逐级轻型井点降水进行土体疏干,实现干开挖。
具体如下:
井底高压旋喷注浆加固
井底部采用高压旋喷注浆加固在井筒底部形成一隔水层,以平衡承压水静水压力,高压旋喷桩加固顶标高为-32.3m,孔距均为900m,加固深度为-32.3~-42.3m,隔水层厚度普遍为10.0m,共计约252根,近靠地下连续墙内侧的孔位距离地下连续墙300mm,这样能使地下连续墙的底脚处加固更密实,同时可以减小由于降水引起地下墙的下沉,亦能提高被动区土体与墙体间的摩擦力,增加隔水层的整体抗浮和防水效果。
井底隔水层的稳定性、抗浮、抗弯验算:
验算井底隔水层稳定性:
拟在井筒底(-32.3~-42.3m)范围内通过高压旋喷注浆加固形成不透隔水层,以阻挡⑦1B层粉砂承压水,使基坑形成环形封闭的井筒。
抵抗承压水的坑底地基加固计算:
hrc≥Hrw
式中:
h椏拥椎郊庸痰酌娓叨龋╩)
rc椉庸滩愕酌嬉陨贤敛慵尤ㄖ囟龋↘N/m3);
Hrw棾醒顾沽?
/P>
此处rc取19 KN/m3,rw取10 KN/m3
h取值按13m进行验算
则hrw=13×19=247 KN/m2
Hrw=(4.9+40.3-9.12) ×10=360.8 KN/m2
注:
自然地坪标高+4.90m,9.12m为水头离地表面的高度
所以hrc-Hrw=247-360.8=-113.8 KN/m2
地下连续墙底脚水压为360.8 KN/m2,即0.3608Mpa,若取安全系数为1.5,则考虑筒底加固后强度不应小于1.5×0.3608=0.5412Mpa。
加固体抗浮力验算:
在考虑加固体的抗压强度之外还应考虑加固土层的整体稳定性,即整个加固层能否平衡承压水上浮力。
依据平衡条件按下式进行验算:
FsFHrw=f加固μh1+Frch+f砂μh2
式中:
Fs棸踩凳?
.5
F椌椎牡酌婊╩2)
rc椌准庸谈羲阋陨掀骄囟龋↘N/m3)
μ椌哪诒谥艹ぃ╩)
h1椉庸谈羲愫穸龋╩)
h2椀装宓郊庸滩愣ズ穸龋╩)
f砂、f加固椃直鹞?
B层土体加固前后土体付着力,取(1/3)C(KN/m2)
h= h1+ h2
H=4.9+40.3-9.12=36.08m
f加固=(FsFHrw-Frch-f砂μh2)/ μh1
=(1.5×226×36.08×10-226×19×13-0.5×53.3×5)/53.3×8
=155.62Kpa
则C=3 f加固=466.86Mpa
若加固体土层厚度为8.0m,则其加固后土体除满足以上计算抗压强度为1.5Hrw=0.5412Mpa外抗剪强度C值不应小于10kg/cm2,即无侧限抗压强度为qU=10kg/cm2而C= qU/2=5 kg/cm2
f加固=C/3=5/3(kg/cm2)=166.7Kpa,根据上面的公式可反算需加固土体的厚度:
即:
h1=(1.5FrwH-Frch- f砂μh2)μf加
=(1.5×226×10×36.08-226×19×13-0.5×53.3×5)/53.3×166.7
=7.46m
为确保高压旋喷注浆加固的效果,偏于安全取值为10m。
即做10M厚高压旋喷注浆加固来抵抗承压水静水压力。
注浆加固体抗弯验算:
假之按a=17m的四边简支方板计算,应偏于安全。
M=0.0368q˙a2
W=bh2/6
式中:
q椌己稍兀╧g/cm2)
a棸宓淖畛け撸╩)
b棸宓暮穸龋╩)
则q=45-(40.3-27.30)×0.8=35t/m2
(其中加固厚度取值按8.0m,土体的比重取有效重度0.8t/m3进行验算均偏于安全)
故Q=M/W=0.0368×35×172/(bh2/6)
=0.0368×35×172×6/64
=34.9T/M2=3.4kg/cm2=0.34Mpa<1Mpa 即抗弯能力OK。
设高压旋喷无侧限抗压强度qU =1Mpa=10kg/cm2,其抗压强度按qU /10计,则抗拉强度为qU /10=0.1Mpa。
为使加固体局部不产生裂缝和渗水现象,按上述公式反算需降水的深度:
即M/W=10T/ M2
M=10×W=10×bh2/6=10×82/6=106.07t/m2
则q=Hrw-(40.3-27.3) ×0.8(式中土体的比重取有效重度0.8T/M3)
则Hrw=20t/m2
即:
要使加固体局部不产生裂缝和渗水现象,需深井降水配合将水位降至约25M的深处。
由于⑦1B层为粉砂层,高压旋喷加固无侧限抗压强度有可能提高到qU =2Mpa,这样根据计算的结果,降水只需降深约15M左右。
因此加固以后取R28进行检验,检测R28的qU值来验证高压旋喷加固计算的可靠性,从而推算水位所需降至的深度。
坑外深井降水:
按上述的计算,隔水层的抗浮、抗弯均符合要求。
但要使隔水层抗拉验算符合要求,隔水层局部不产生裂缝和渗水现象,必须辅助于深井降水。
沿基坑周边设四口大井,孔径Ф600mm,井管Ф325mm,深度约50m(包括15m的滤头),井内设扬程50m以上深井潜水泵,观测孔设3个,孔径Ф300,井管Ф108,深度32m,坑内2个,坑外1个,用于水位观测。
依据设计要求,先进行扬水试验,测定实际的水文地质资料,进一步优化降水方案。
为确保周围环境的安全,坑外的深井降水随挖深增加而超前推进,以减小降水引起对地面沉降和周边环境的影响。
降水期间应随时进行水位的跟踪观测,控制水位在满足井底卸压和井底加固抗拉要求即可,该部分水位沉降应根据抽水试验和岩芯取样结果应重新核实水位,待底板及内衬墙施工完7天后并在隔墙施工完后方可停止降水。
坑内设轻型井点降水:
井筒底通过高压旋喷注浆形成一层不透隔水层,使其形成封闭的井筒,坑内采用逐级轻型井点降水疏干坑内的土体,便于土方的开挖,坑内采用边降水边开挖的方法,轻型井点在坑内呈“十”字型布置,轻型井点间距为1.6m,对于2~4层土体由于每层开挖的土体厚度约10多米,每层土体应分两级降水,每次降水达到预期的效果后,拔出轻型井点,再开挖土体和逆作法施工内衬。
第二种方案:
工作井封底冻结加固施工方案。
根据上海市民防地基勘察院编制的浦东工作井和浦西接收井的工程勘察报告(1997年2月),顶管所在地层第⑥层暗绿色粉质粘土层呈东高西低分布。
自上而下,两井穿过的土层大致可分为七个层段,其中底板位于⑦1b的粉砂层,呈草黄色,饱和,中密~密实,天然含水量为22.1~30.8%,本层为第一承压含水层,层顶标高浦东井-24.89m,承压水位埋深9.12m,相当于-4.46m。
鉴于该层位的性质,封底施工中必须采取有效措施,控制底板突水、涌砂。
本方案设想对底板进行人工地层冻结加固,人工地层冻结加固具有强度高,均一性好的特点,根据中国矿业大学与上海隧道施工技术研究所的试验资料,当冻结温度达到-20℃时,对于工作井底标的⑦1b土层,其强度可达6.5 Mpa,能满足封底要求,同时采用冻结加固,无需进行疏干排水措施,环境影响小。
具体方案如下:
1、固封底
工作井连续墙施工结束后,进行井内开挖作业时,为了防止工作井底部开挖和钢筋混凝土底板作业过程中,由于下部土层失稳,地下水的涌入,出现管涌、、流沙或坑底隆起等破坏现象,必须创造一个具有一定强度、稳定的动土结构,以便封底工作顺利完成。
该冻结加固封底方案的工艺过程为:
(1)工作井挖掘至地表以下22m即标高为-17m处,(在比较稳定的灰色粘土层中)停止向下开挖,,铺设混凝土封层,布设封口管准备冻结钻孔施工。
(2)自混凝土封层向下钻冻结孔(孔距1.0~1.4m,孔深15.3m),并布设冻结管。
积极冻结形成冻结段总长度共15.3m,(标高-17.0m~-32.3),工作井底板上部冻结8.3m,底板下部冻结5m。
(底板钢筋混凝土厚为2m),当温度检测表明冻土温度达到设计要求,冻土具备一定强度之后,方可破土开挖,工作面向下延伸。
当挖掘超过工作井底板标高-27.3m厚,停止挖掘,绑扎钢筋进行底板混凝土浇注。
底板制作过程,应进行维护冻结。
其时宜留部分冻结管作盐水循环,以保证底板浇注的顺利安全。
2、 冻结加固稳定性分析
验算井底冻结隔水层稳定性:
依上述所拟的施工方案,在底板以下形成5m厚的冻结加固体不透水层,以阻挡⑦1b层粉砂承压水。
已知该层(浦东工作井)天然重度γ=19KN/m3,空隙比e=0.75。
抵抗承压水的坑底地基加固可按下式{1}计算:
hγe≥Hγw
式中h椏拥字良庸痰酌娓叨龋╩);
γe椉庸滩愕酌嬉陨贤敛闫骄囟龋↘N/m3);
Hγw棾醒顾沽Γ?
/P>
此处γe取19KN/m3;γw取10KN/m3;
则hγe=12×19=228KN/m2
Hγw=(2.3+39.3)×10=416KN/m2;
所以hγe-Hγw=228-416=-188KN/m2;
连续墙底的水压为416KN/m2即0.416MP,以安全系数取1.5考虑则墙底冻结加固后强度应不小于0.461×1.5=0.624Mpa。
加固土体抗浮力验算:
在考虑加固土体的抗压强度之外,还应考虑加固土层的整体稳定性,即整个加固层能否随时承压水的上浮力。
要判断井底加固隔水层在承压水作用下的整体稳定性可按如下分析:
式中:
Fs棗安全系数,取1.5。
F 棗井底的面积(m2)。
γe棗井底加固隔水层以上平均重度(KN/m2)。
μ棗井的内壁周长(m)。
h1棗加固隔水层厚度
h2棗底板到加固层顶厚度
f加固、f砂棗分别为⑦1b号土体加固前后土体付着力,取(1/3)C(KN/m2)。
h,H同上。
所以,
Kpa
若加固土层厚度为5m,则其加固后土体除满足以上计算的抗压强度0.624 Mpa之外,还要满足其抗剪强度c不小于715.83 Kpa。
当冻结温度达到-10℃时,冻土的抗压强可达3.00 Mpa,安全系数达7.0左右,同时抗剪也达1.5 Mpa,安全系数为2.2,也能满足要求。
第三种方案:
深井降水方案
本方案是采用深井降水方
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