深基坑垂直开挖止水帷幕及桩锚支护复合施工工法鉴定资料

'深基坑垂直开挖止水帷幕及桩锚支护复合施工技术鉴定资料××集团有限公司二〇一三年十月 目录1提出问题的背景2工艺原理3工法的关键技术3.1技术分析3.2工艺流程3.3操作要点3.4性能指标4实施效果5附件 1提出问题的背景基坑支护有多种形式，适用条件也不尽相同，每一种基坑支护形式都有其优点和缺点，都有一定的适用范围。在支护形式的选择上，一定要因地制宜，具体问题具体分析，抓住该基坑支护中的控制性因素：该基坑支护体系的不稳定因素主要来自土压力稳定问题，还是来自地下水控制问题？在影响基坑稳定性的诸多因素中，地下水占有突出地位，基坑工程事故多数与地下水的作用及对其处理不当有关。对软弱地基的基坑支护主要是地下水的控制问题。当基坑工程影响范围内存在承压水层，或地下水位高的情况下，控制地下水往往是基坑支护设计中的主要矛盾。已有基坑工程事故原因调查表明，由于未处理好地下水控制问题而造成的工程事故在基坑工程事故中占有很大比例。深基坑开挖如果采用正常放坡开挖法（坡度不小于1：1.25），不仅挖除、运输、回填土方量大，而且在基坑开挖过程中容易发生渗透破坏，施工过程中存在极大的安全隐患。本基坑工程支护范围内主要是粉土、粉质粘土，地下水类型为潜水与承压水的混合水。静止水位埋深介于1.3m～3.2m之间，而开挖深度均大于5m，因此，对深基坑开挖前需先止水支护。为地下开挖可顺利进行，需先截断或阻隔地下水，同时避免基坑周边发生过大的沉降变形。由于水文地质条件较为复杂，基坑周边环境相对苛刻， 对支护结构的强度、刚度提出了较高的要求，深基坑开挖对施工安全性能的保障提出了更高的要求，从而大大增加了支护难度。支护结构根据基坑周边环境、开挖深度、工程地质和水文地质、施工作业设备以及施工季节等条件选用（见表1）。支护结构选型表表1结构型式适用条件排桩止水帷幕或地下连续墙1．基坑侧壁安全等级为一、二、三级2．悬臂式结构在软土场地中不宜大于5m3．当地下水位高于基坑底面时，宜采用排桩止水帷幕或地下连续墙水泥土墙1.基坑侧壁安全等级为二、三级2.施工范围内地基承载力不宜大于150Kpa3.基坑深度不宜大于6m土钉墙1.基坑侧壁安全等级为二、三级的非软土场地2.基坑深度不宜大于12m3.当地下水位高于基坑底面时，宜采用降水或截水措施逆作拱墙1.基坑侧壁安全等级为二、三级2.淤泥和淤泥质土场地不宜采用3.拱墙轴线的矢跨比不宜小于1/84.基坑深度不宜大于12m5.当地下水位高于基坑底面时，宜采用降水或截水措施放坡开挖1.基坑侧壁安全等级宜为三级2.施工场地应满足放坡条件3.可独立或与上述其他结构结合使用当地下水位高于坡脚时，采取降水措施2工艺原理针对上述内容，决定先解决地下水控制问题，再解决支护体系的稳定问题。浅水位软弱地基深基坑开挖前采用止水帷幕-支护桩-锚索三步联合支护加固措施。首先，采用止水帷幕作为第一步止水支护措施，目的是截断基坑内外的地下水联系，基坑开挖是在地下水位以下进行，竖向止水帷幕沿基坑两侧 竖直形成连续封闭帷幕体，防止基坑发生渗透破坏，阻隔地下水沿基坑坑壁渗透，切断或削弱基坑内外地下水的水力联系，避免基坑周边沉降变形。止水帷幕采用水泥深层搅拌桩形式，最大限度利用原地基土，不需内支撑，具有止水支护双重作用，既可以构成以隔渗功能为主的独立止水帷幕，又可以与支护桩相结合，共同发挥支挡功能。水泥搅拌桩加固原理是利用水泥作为固化剂，搅拌桩机将水泥喷入土体并充分搅拌，基于水泥和土的物理、化学反应过程，水泥水化生成各种水化合物后，与土发生离子交换和团粒化作用及凝硬反应，使软土硬结从而提高土体强度。其次，采用柱列式排桩作为第二步支护措施。柱列式排桩是基坑支护最常用的竖向挡土结构之一，排桩采用水泥钢筋混凝土灌注桩，柱列分离式排列，其特点是各桩之间互不连接，相邻桩之间不能传递竖向剪力及横向弯矩，需要通过冠梁来实现横向联系。最后，为限制位移，减少对基坑外侧土体的扰动，采用增加预应力锚索作为第三步支护加固措施。锚拉结构为拉力型锚索，包括锚索、腰梁。预应力锚索通过锚固低松弛高强度钢绞线将荷载传递到土层深部，与排桩联合使用，通过施加预应力限制支护结构的变形和位移。3工法的关键技术3.1技术分析3.1.1采用止水帷幕的原因和目的本工程地下水类型为潜水与承压水的混合水。一般来讲，控制承压水有两种思路：止水和降水。止水帷幕的工程造价是降水的3.0倍～ 5.0倍，且当基坑内外水位差较大时，隔断和井点降水。止水帷幕成本较高，一般情况下，止水帷幕方案止水帷幕的止水效果往往难以保证。所以有条件降水时应首先考虑采用降水的方法，但是工程降水会使土层中的有效应力增加，引起地面下沉。而本工程基坑周边存在地下管网，对地面沉降敏感，环境较为苛刻，水文地质条件较为复杂，降水必须考虑土层特性、承压水头、水量及补给情况，还应考虑降水深度和降水时间对沉降量的影响，如果土质含水层渗透性较弱，渗透系数较小，降水漏斗水力坡度较大，且受压土层厚度变化较大时，地面沉降差较大（大于千分之三），则对基坑周边产生不利影响。总之，基坑井点降水后虽能有效消除地下水的危害，增加基坑的稳定性，但降水形成的地下水降落漏斗范围内土体中孔隙水压力的降低会引起基坑周边一定范围内的地面沉降。同时，降水若未达到深度，地下水位仍高于开挖深度则易产生渗透破坏。综合以上情况，决定联合使用帷幕隔渗和井点降水方法：基坑开挖深度范围内既存在潜水，也涉及承压水，土层压缩性较大，渗透性较小，厚度变化较大，基坑同时存在侧壁发生渗漏和坑底发生突涌的可能性，所以设置侧向垂直止水帷幕，即人工制造一定厚度与适当深度的防渗墙体来切断或削弱基坑内外的水力联系，帷幕要适当加深，以增加地下水的渗透路径，减少基坑总涌水量，在隔渗条件下进行坑内封闭式降水，基坑内少量布置降水井点，尽量缩小降水影响范围，使基坑内地下水位降低至不能发生危害的深度，能维持动态平衡即可。同时，为了减轻降水引起的地面沉降，基坑外设置回灌井。 总之，隔渗帷幕和降水井共同作用后应能使降水引起的地面沉降控制在可接受的范围内。3.1.2采用桩锚结构的原因和目的该基坑支护体系为临时结构，具有较大的风险性，太原武宿综合保税区建设工程工期紧、任务重，业主要求质量、安全零事故，对设计、施工、管理各个环节提出了更高的要求。为了加大安全储备，采用柱列式排桩作为支挡结构，以解决土压力引起的稳定和变形问题，排桩桩型为钢筋混凝土钻孔灌注桩。排桩支护体系选型时，综合考虑了下列五点因素：（1）土的性状及地下水条件；（2）支护结构施工工艺的可行性；（3）施工场地条件及施工季节；（4）主体地下结构及其基础形式；（5）基坑周边环境对基坑变形的承受能力；如上所述，本基坑工程需先止水后支护，故而先施做以隔渗功能为主的止水帷幕后设置排桩支护体系，土压力主要由排桩支护结构承担，这样也可以避免桩间土防护问题。（否则可直接设置咬合式排桩，即能作为挡土构件，又能起到截水作用，从而不用另设止水帷幕）。排桩支护体系可分悬臂式、锚拉式、支撑式和双排桩（见表3.1.2）。 排桩支护体系选型和优缺点表3.1.2序号类型优点缺点1锚拉式水平变形较小；锚杆位置灵活，通过调整锚索位置可使支护桩内力分布比较均匀；给后期土方开挖与主体结构施工提供很大便利碎石土、砂土等土层中地下水位或承压水头较高时，锚杆成孔不能避免流砂或注浆液不能形成完整的固结体；锚杆留在地下不符合保护环境要求2支撑式适用范围宽，易于控制水平变形会给后期施工造成很大障碍3悬臂式单排造价小，可省去锚杆和支撑桩顶位移大内力分布不理想4双排桩水平变形小，内力分布比较理想工程成本大且占用场地较宽由于支护结构上的水土压力作用，会引起土体抗剪强度降低，基坑一旦发生位移，对外侧土体影响非常大，且土体强度丧失严重，会导致土压力急剧加大，严重影响支护安全。鉴于以上考虑，采用锚拉式排桩支护结构。即预应力锚索与支护桩联合使用，预应力锚索在支护结构中不仅能够提供反力保持结构的稳定，而且可根据变形限制的要求，通过施加预应力限制支护结构的变形。3.2工艺流程 各项施工准备第一步支护：水泥搅拌桩第二步支护：钻孔灌注桩第三步支护：预应力锚索基坑垂直开挖图3.2-1三步支护工艺流程总图平整场地空压机就位水泥浆配置桩位放样压缩空气压入压浆注入深层搅拌机就位压浆钻进与搅拌压浆提升与搅拌施工结束移位至下一根桩重复操作图3.2-2水泥搅拌桩工艺流程图 孔深孔径垂直度检测测沉渣厚度输送混凝土试件标准养生制作砼试件灌注混凝土安放钢筋笼安装导管检验导管设泥浆池钢筋笼验收钢筋笼制作钻机移位清孔成孔验收搭设平台检测泥浆制备泥浆钻孔钻机就位埋设护筒护筒制作桩位放样平整场地桩位复测施工准备清理桩头成桩验收图3.2-3钻孔灌注桩工艺流程图 锚索制作钻机就位钻孔清孔锚索安装一次注浆二次注浆张拉锚固图3.2-4预应力锚索工艺流程图3.3操作要点3.3.1水泥深层搅拌桩止水帷幕施工平整场地、测量放样之后，距纵向中线13.8m，基坑两侧各采用双排水泥搅拌桩作为止水帷幕。施工方法为深层搅拌法（湿法），搅拌桩机为喷浆型，搅拌轴为单轴（见图3.3.1）。1水泥搅拌桩设计参数水泥搅拌桩桩径500mm，桩长13m，双排，同排桩桩心距为350mm，排距为350mm，纵横向搭接咬合均为150mm，采用四搅二喷工艺，水泥为P.S32.5级水泥,设计每延米水泥用量为60kg，实际水泥总体掺量为18%。桩体无侧限抗压强度要求不小于1.4Mpa，浆液水灰比为0.50～0.60。2水泥搅拌桩施工步骤平整场地 →桩位放样→钻机就位→正循环钻进至设计深度→打开高压注浆泵→反循环提钻并喷水泥浆→至工作基准面以下0.3m→重复搅拌下钻并喷水泥浆至设计深度→反循环提钻至地表→成桩结束→进行下一根桩的施工。　　3.3.2钢筋混凝土灌注桩施工止水帷幕施工完毕后，距基坑纵向中心线12.7m，进一步采用C30钢筋水泥混凝土钻孔灌注桩支护（见图3.3.2），桩径800mm，桩长14m，桩间距1.5m，灌注桩施工工艺如下：1施工准备：平整场地，放线定出桩位，制作泥浆池、沉淀池、储浆池，确定钻机移位路线和方法，接通水源、电源，安装水泵、桩架，钻机就位。2护筒埋设：精确定出桩位，经现场检查无误后埋设钢护筒，护筒内径较桩径大200mm～400㎜。护筒倾斜度不得大于1%。3钻孔作业：测量护筒顶标高无误后进行泥浆调制、钻孔、清孔、验孔，必要时进行故障处理等工序。因故停钻时，要保持孔内规定的水位和要求的泥浆相对密度及粘度，以防坍孔。4安装钢筋笼：按照设计图纸及施工规范要求进行钢筋笼的制作。制作钢筋笼时，在钢筋笼四周对称设置混凝土垫块，保证钢筋笼有足够的保护层，并在笼顶参照护筒标高准确焊接吊筋。吊放钢筋笼用起重机进行，钢筋笼要垂直缓慢吊放，防止撞击孔壁引起坍孔。5导管插入：导管用直径300mm的钢管，壁厚4mm，每节长2.0m～3.0m，配1节～2节长1m短管，由管端粗丝扣、法兰螺栓连接，接头处用橡胶圈密封防水，灌注砼前要进行水压试验，检查接头处密封情况。6 二次清孔：导管插入后应再次检验孔内泥浆指标和孔底沉渣厚度是否符合规范要求，若不符合则采用换浆法进行二次清孔，确保孔内泥浆指标和孔底沉渣厚度符合规范要求。7水下砼灌注：先灌入首批混凝土，其数量经过计算，使其有一定的冲击能量，能把泥浆从导管中排出，并能保证导管下口砼埋其深度不少于1.0m；随着浇注连续进行，随浇随拔管，中途停息时间不超过15min，在整个浇注过程中，保证导管在混凝土埋深2m～6m，利用导管内混凝土的自重力使混凝土的浇注面逐渐上升，上升速度不低于2m/h，直至高于设计标高0.5m～1.0m；在灌注将近结束时，在孔内注入适量清水，使孔内泥浆稀释，排出孔外。3.3.3冠梁施工冠梁沿灌注桩桩顶纵向浇筑，冠梁高度500mm，宽度900mm，采用C30水泥混凝土，灌注桩主筋深入冠梁内长度不得小于35d（d为主筋直径），钢筋保护层厚度不小于35mm。图3.3.1止水帷幕与排桩联合支护图3.3.2排桩与锚索联合支护 3.3.4预应力锚索施工拉力型锚索结构，包括钢绞线（锚固段、自由段）、锚头、传力装置。其中，自由段长度为6m，锚固段长度19m。锚索采用公称直径15.24mm钢绞线，入射角度15°。每两根灌注桩之间，冠梁以下2.5m位置为锚索施工位置。注浆材料采用P.O42.5级水泥，锚索承压腰梁采用2根工字钢（Q235）通长设置（见图3.3.4-1、图3.3.4-2）。图3.3.4-1桩锚支护体系示意图图3.3.4-2自由段长度计算简图锚索施工工艺及要求如下：1钻孔：钻孔直径采取150mm，钻孔前，根据设计要求，定出孔位，作出标记，锚索水平方向误差不应大于50mm，垂直方向孔距误差不应大于100mm。钻孔底部的偏斜尺寸不应大于锚索的3%，在钻孔过程中需用钻孔测斜仪控制钻孔方向。钻孔应采用带护臂套管设备钻进，钻机功率及性能要满足地层对工艺的技术要求。2 锚索的组装：锚索选用低松弛预应力钢绞线，长度为25m，施工时应严格按设计尺寸下料，每股长度误差不应大于50mm，按设计要求量出自由段（6m）与锚固段（19m）分别作出标记，在锚固段范围内的锚索每隔2m穿一个架线环，两架线环之间用2号铁丝捆扎一道箍筋环，共4道。自由段的钢绞线应暂时放入塑料管内并涂黄油，在锚索端头部安好导向帽后，放好待用（见图3.2.4-3）。图3.3.4-3拉力型锚索结构简图3锚索的安放：锚索放入钻孔之前，需确认锚索与孔位一致，将注浆管锚索一同放入钻孔，注浆管头部孔底宜为500mm左右，杆体放入角度与钻孔角度保持一致，放送用力要均匀，不要左右摇摆，检查定位止浆环是否准确，损坏者必须更换，经常检查排气管是否顺畅。4注浆：采取二次注浆工艺，锚索安设后，进行一次常压注浆，注浆压力保持在0.3Mpa～0.6Mpa，注浆材料采用水泥浆，水灰比0.45，待一次注浆体强度达到5Mpa（约24h）后，进行二次高压注浆（达到劈裂注浆，从而提高界面磨阻值），二次注浆材料采用水泥浆，水灰比0.50，劈裂注浆管的出浆孔沿锚固段全长设置， 注浆顺序应从锚索端部开始，由内向外分段依次进行。一般注浆用水泥量要达到（80～100）kg/m，二次注浆压力不小于2.5Mpa。锚固体设计强度为25Mpa。'