某高層建筑深基坑止水帷幕與復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

唐旭華

摘要：本文介紹了強(qiáng)滲水大型深基坑止水帷幕施工設(shè)計方案的選擇，花管注漿帷幕的工法特點、質(zhì)量及工期保證措施，以及復(fù)雜地質(zhì)深基坑復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：深基坑；止水帷幕；復(fù)合土釘支護(hù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計

中圖分類號：TU94⁺2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1008-0422（2013）09-0092-03

1 引言

復(fù)合土釘支護(hù)是繼樁、墻、撐、錨支護(hù)之后，一種用于土體開挖和邊坡穩(wěn)定的擋土新技術(shù)，它與傳統(tǒng)的支護(hù)結(jié)構(gòu)相比，具有適應(yīng)地質(zhì)條件性強(qiáng)，施工簡便快捷，現(xiàn)場文明，支護(hù)質(zhì)量高，經(jīng)濟(jì)性能好，便于信息化施工等優(yōu)點。本文介紹某工程大底盤地下室的基坑止水帷幕及復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案和施工技術(shù)要求。

2 工程概況

本工程位于長沙市次干道城南中路北側(cè)；總用地面積約14060m²，總建筑面積約70300m²；地下兩層，地上三十四層住宅樓3棟、十四層公寓樓1棟、十七層辦公樓1棟；+0.000m相當(dāng)于絕對標(biāo)高40.5m，地下室底板的底標(biāo)高-10.3m相當(dāng)于絕對標(biāo)高30.2m；基坑支護(hù)總長度約490m。

3 巖土地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

3.1巖土地質(zhì)條件

建筑場地巖土層從上至下為：

3.1.1人工填土：主要由粘性土夾磚塊、碎石、碎混凝土塊等建筑垃圾構(gòu)成，填土松散，未完成自重固結(jié)，厚度0.3～3.3m。

3.1.2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：褐灰、灰黑色，含有機(jī)質(zhì)，干強(qiáng)度及韌性中～高，呈濕～飽和，軟塑～可塑，分布于場地內(nèi)局部區(qū)域，厚度0.7～2.8m。

3.1.3粉質(zhì)粘土：褐紅、褐黃色，夾灰白色斑紋，具網(wǎng)紋狀結(jié)構(gòu)，干強(qiáng)度中～高，搖震無反應(yīng)，稍濕，硬塑～堅硬狀態(tài)，分布于整個場地，厚度2.6～3.8m。

3.1.4圓礫：褐黃，灰白色，主要成分為石英質(zhì)，呈亞圓～圓形，一般粒徑5～20mm，含30%左右中細(xì)砂，頂部含粘性土較多，底部含卵石較多，卵石粒徑一般為30-50mm，濕～飽和，中密狀態(tài)，分布于整個場地，厚度3.8～5.6m。

3.1.5第四系殘積粉質(zhì)粘土：褐紅、褐黃色，由下覆泥質(zhì)粉砂巖或礫巖殘積而成，可變原巖結(jié)構(gòu)，捻面光滑，干強(qiáng)度及韌性中等，搖震反應(yīng)慢，局部含20%砂礫及碎石，濕～稍濕，硬塑～堅硬狀態(tài)，分布于整個場地，厚度0.3-4.5m。

3.1.6強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：褐紅色，大部分礦物已風(fēng)化，節(jié)理裂隙發(fā)育，遇水易軟化，曝曬失水易干裂，沖擊鉆進(jìn)困難，巖芯多呈碎塊狀，分布于整個場地，厚度1.3～4.0m。

3.1.7中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖：褐紅色，沖擊鉆進(jìn)困難，巖芯呈長柱狀，巖體較完整，巖體質(zhì)量等級V級，分布于整個場地，揭露厚度10.3-14.0m，未穿透。

3.2水文地質(zhì)條件

勘察期間，場內(nèi)各鉆孔均遇見地下水。地下水分為兩種類型：上部填土層中的上層滯水和下部圓礫層中的孔隙承壓水。上層滯水主要接受大氣降水和地表生活排水的補給，其水量較小，無穩(wěn)定水位，基坑土方開挖時采用明溝排水；下部圓礫層的孔隙水與白沙井水系有水力聯(lián)系，測得圓礫層中穩(wěn)定水位28.9～35.3m，滲透系數(shù)10.5～12.3 m/d，平均值為11.4m/d，為強(qiáng)透水性地層?；酉虏客练介_挖和主樓樁基施工需要考慮排水、止水措施。勘察單位提供的抗浮設(shè)防水位為37.0m，基礎(chǔ)設(shè)計須考慮抗浮設(shè)計。

4 基坑止水帷幕設(shè)計方案

4.1止水帷幕的必要性

本工程填土中的上層滯水的水量雖不大，對基坑土方開挖影響也較?。粓A礫層具有強(qiáng)透水性，且與白沙井水系有水力聯(lián)系，地下室基坑土方開挖和樁基施工都要進(jìn)入或穿過圓礫，若不進(jìn)行止水及降排水設(shè)計，將出現(xiàn)涌水涌砂對基坑支護(hù)本身、甚至對周邊的建筑物、道路產(chǎn)生開裂或塌陷的危害，危及其安全。因此基坑需要設(shè)置止水帷幕。

4.2對圓礫層埋深和厚度的統(tǒng)計分析

根據(jù)場地土的鉆孔柱狀圖，經(jīng)統(tǒng)計場地內(nèi)全部64個鉆孔的圓礫層，其最大厚度為5.6m、最小厚度為3.8m、平均厚度為4.7m；圓礫層頂板最高標(biāo)高為35.8m、最低標(biāo)高為30.9m、平均標(biāo)高為32.6m?；拥幕A(chǔ)底板標(biāo)高30.2m，基坑開挖時將揭露圓礫層，將有地下水涌出，因此止水帷幕需要從基坑底部以上開始做起。

4.3止水帷幕設(shè)計方案比選

擬采用的止水帷幕設(shè)計方案有：

①三重管高壓擺噴止水帷幕方案；

②鉆孔灌注樁加花管注漿止水帷幕方案；

③花管注漿止水帷幕方案。

方案①在圓礫層中鉆孔難度大，效率低；需要大型施工設(shè)備，材料尤其是水泥浪費多，水電消耗量大，工程造價較高；如遇到噴嘴附近有卵石遮擋，將使帷幕不連續(xù)，造成止水效果欠佳；施工產(chǎn)生的廢水廢漿多，費時費錢，占用的施工場地面積較大。

方案②較方案①造價較低，止水效果可靠，但由于在較厚的圓礫層中鉆孔，難度較大，工效較低。

方案③是當(dāng)基坑開挖和支護(hù)至圓礫層之上2.0m左右時，沿基坑底邊線，采用小型鉆機(jī)鉆ψ45的小孔，并將鉆頭和鉆桿留在孔內(nèi)作為注漿管，采用分段高壓注漿工藝，使?jié){液在壓力條件下，較均勻地擴(kuò)散入土層，形成連續(xù)帷幕達(dá)到止水目的。這種注漿工法的特點是：鉆孔和埋設(shè)注漿管一次完成，不用泥漿護(hù)壁，不用擔(dān)心垮孔；鉆孔、制漿、注漿可實現(xiàn)流水作業(yè)，實現(xiàn)勞動力和設(shè)備的優(yōu)化組合，達(dá)到“優(yōu)質(zhì)、高效”的效果；所使用的小型鉆機(jī)輕便、靈活，所需勞動力少，有利于工期控制，有利于根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)條件的變化適時調(diào)整孔深孔距，便于信息化施工，確保施工質(zhì)量。

綜上所述，本工程的基坑止水帷幕決定采用方案③，即花管注漿止水帷幕方案。

花管注漿止水帷幕布置示意圖和注漿剖面示意圖分別見圖1和圖2。

4.4花管注漿止水帷幕止水帷幕的主要技術(shù)參數(shù)

鉆孔直徑：42-45mm；

孔位偏差：≤50mm；

鉆孔間距：0.8m，梅花形布置；

注漿壓力：2.0-2.5MPa；

漿體有效擴(kuò)散范圍：≥1.0m；

帷幕有效厚度：≥0.8m；

鉆孔深度：≥7.5m；

圓礫層中注漿量：≥180L/m；

帷幕平均深度：≥7.0m；

漿液配合比，水泥：粉煤灰：水玻璃：水=2：1：0.3：2.5：

漿液水灰比：0.82-0.85；

漿液比重：≥1.60-1.65；

結(jié)石體強(qiáng)度：15MPa；

結(jié)石體滲透系數(shù)：K≤8.6×10-3m/d。

4.5花管注漿止水帷幕施工質(zhì)量、工期的保證措施

4.5.1正式開工前，在現(xiàn)場進(jìn)行注漿試驗。根據(jù)現(xiàn)場試驗確定控制壓力、水泥用量、配合比、注漿次數(shù)等施工參數(shù)，確保帷幕施工質(zhì)量。

4.5.2注漿過程中應(yīng)注意觀察，如遇注漿壓力突變等現(xiàn)象，應(yīng)立即停止注漿并查明原因，采取有針對性的處理措施。單孔注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)根據(jù)下列情況綜合決定：①注漿量達(dá)到設(shè)計要求；②注漿壓力超過設(shè)計值；③地面冒漿。

4.5.3根據(jù)施工進(jìn)度情況，隨時增加小型鉆機(jī)和人員；加強(qiáng)內(nèi)部施工管理與人員、設(shè)備的調(diào)配。

4.5.4加強(qiáng)與土方開挖的配合與協(xié)調(diào)，盡量減少相互干擾的時間，特別注意不要超挖規(guī)定的土層深度。

5 復(fù)合基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

5.1基坑支護(hù)方案的選擇

基坑支護(hù)的方案很多，如放坡、護(hù)壁樁、樁錨、土釘?shù)?，各種方案各有優(yōu)缺點。因此，選擇合理的方案是保證基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵。在掌握本建設(shè)場地的巖土地質(zhì)、水文地質(zhì)資料和周邊環(huán)境條件的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多種方案的分析、論證與優(yōu)化對比，本基坑采用土釘加預(yù)應(yīng)力錨桿的復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)，邊坡滑動面假定通過每層基坑開挖土層圓弧面的坡腳，見圖3。采用該方案的理由：一是本場地雜填土力學(xué)性能較差，但能通過打入花管并灌注水泥凈漿使該層土性能得到改良；二是基坑開挖深度達(dá)10.30m以上，且周邊有城市次干道、施工道路、住宅樓，因此變形控制要求高；采用復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以有效控制基坑邊坡位移過大造成鄰近建筑物、道路開裂，且工程造價相對較低。

5.2設(shè)計原則

5.2.1支護(hù)方案根據(jù)勘察報告和周邊環(huán)境條件及基坑深度確定。

5.2.2基坑安全等級一級，重要性系數(shù)y₀=1.1，綜合荷載分項系數(shù)取1.3。

5.2.3地面附加荷載：東、南、北向取均布荷載q=15kPa；西向車輛進(jìn)出場地道路的運輸車輛重按400kN取值。

5.2.4考慮土釘以及預(yù)應(yīng)力錨桿對滑動體的有效極限抗拔力作用。

5.2.5設(shè)計所需參數(shù)根據(jù)勘察報告并結(jié)合工程經(jīng)驗確定，見表1、表2。

5.3復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計思路

復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是采用以受力和穩(wěn)定性為主、變形控制為輔的設(shè)計方法，通過施工過程中的監(jiān)測，進(jìn)行信息化施工，及時反饋信息，完善復(fù)合土釘設(shè)計，以達(dá)到基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全可靠的目的。

該工程的復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)采用一主一輔方法進(jìn)行設(shè)計，即土釘長度、土釘抗拉承載力、邊坡穩(wěn)定性等主要采用普通土釘設(shè)計方法進(jìn)行設(shè)計，以保證基坑邊坡的穩(wěn)定，另外輔以預(yù)應(yīng)力錨桿未限制基坑變形。由于要滿足施加預(yù)應(yīng)力而不降低預(yù)應(yīng)力錨桿的抗拉承載力，故需要對預(yù)應(yīng)力錨桿長度予以適當(dāng)加長。

5.4土釘錨桿

土釘錨桿的抗拔承載力主要取決于桿體、水泥砂漿和土體三者的強(qiáng)度及其之間的粘結(jié)摩阻力，桿體材料強(qiáng)度和桿體與灌漿體間的粘結(jié)力在設(shè)計中相對容易滿足，且桿體與砂漿間的粘結(jié)強(qiáng)度遠(yuǎn)大于土體與粘結(jié)灌漿體間的剪切強(qiáng)度，因此會出現(xiàn)軟弱土體與砂漿強(qiáng)化體之間的相對軟弱面的界面效應(yīng)，導(dǎo)致土釘錨桿破壞一般就出現(xiàn)在土體與砂漿體的界面處。按現(xiàn)行《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》計算土釘抗力時，僅考慮土釘?shù)目估饔?，而忽略土釘所起的抗剪、抗彎作用，這種計算法偏于安全，可靠易行。根據(jù)土釘達(dá)到一定長度后，對土層整體穩(wěn)定性的提高無影響的原則，根據(jù)規(guī)程的有關(guān)計算公式，就能求出土釘對滑動體的極限抗拔力，相應(yīng)地就能確定土釘?shù)呐艛?shù)、排距、間距等。

根據(jù)CD段的計算結(jié)果，并結(jié)合分層開挖情況，土釘布置六排，見圖3。土釘排距最小800mm，最大1500mm；間距最小1500mm，最大2000mm；土釘孔徑均采用130mm；土釘最小長度5.0m，最大長度10.0m；第一排由于成孔困難的原因，采用12。水平角布置（p48鋼管混凝土外，其它各排土釘均按1 5。水平角布置，土釘鋼筋直徑φ22mm-φ28mm不等，砂漿強(qiáng)度M20。

土釘?shù)匿摻钆c水泥漿體間的極限粘結(jié)強(qiáng)度TS為1680kPa，土釘釘頭與面層連接處的極限抗拉力Tu為60kN。

5.5預(yù)應(yīng)力錨桿

在實際設(shè)計中，當(dāng)僅采用土釘要獲得足夠大的內(nèi)部整體穩(wěn)定安全系數(shù)比較困難，或者對基坑的邊坡變形有較為嚴(yán)格的控制要求時，則應(yīng)采用部分預(yù)應(yīng)力錨桿。

本工程采用的預(yù)應(yīng)力錨桿的具體要求為：預(yù)應(yīng)力錨桿鉆孔直徑150mm，水平傾角25°，水平間距2.4m，與第四排土釘間隔布置；拉桿為1～28HRB400級鋼筋，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fyk=400MPa，錨固段長15m；混凝土腰梁底面土體的極限承載力為240kN。

6 結(jié)語

6.1對大型深基坑的止水帷幕和支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)、水文條件和周邊環(huán)境條件綜合考慮，科學(xué)選定設(shè)計、施工方案，達(dá)到設(shè)計安全可靠、施工方便、成本節(jié)約的目的。

6.2土的性質(zhì)、層厚以及埋深等因素對復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計有很大影響，應(yīng)予高度重視。

6.3預(yù)應(yīng)力錨桿對提高復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定安全系數(shù)、減小邊坡變形的作用是非常明顯的，施工時務(wù)必采取措施加強(qiáng)預(yù)應(yīng)力錨桿的質(zhì)量控制。

6.4復(fù)合土釘支護(hù)結(jié)構(gòu)在施工階段的穩(wěn)定性一般比完工后更加危險，尤其是當(dāng)土層開挖完畢，而土釘或預(yù)應(yīng)力錨桿還沒有施工或沒有達(dá)到設(shè)計要求時。在此過程應(yīng)特別加強(qiáng)對施工的監(jiān)測，加強(qiáng)安全防備。