基坑支護(hù)設(shè)計施工與基坑安全分析
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關(guān)鍵詞：管廊；基坑支護(hù)；設(shè)計；施工；安全監(jiān)測
1常見基坑支護(hù)類型
1）土釘墻主要由鋼筋制作而成，用于加固基坑邊坡。此技術(shù)施工環(huán)節(jié)要求施工區(qū)域周圍不可存在市政管線，巖土土質(zhì)良好，基坑深度小于12m，施工區(qū)域需要先完成止水處理，并且基坑周圍建筑、土體之間允許存在較大位移。2）高壓旋噴樁主要利用鉆桿下方噴頭，將高壓泥漿噴射在原土之上，在泥漿和原土混合過程中，以螺旋狀將鉆桿向上提升，結(jié)構(gòu)凝固之后強(qiáng)度最高可達(dá)8.0MPa，實(shí)現(xiàn)對土體的有效加固。3）懸臂支護(hù)懸臂支護(hù)技術(shù)中，SMW和鋼板樁方法為典型代表。SMW工藝運(yùn)用過程土方運(yùn)送量小，對于周圍環(huán)境影響小，施工過程噪聲小。鋼板樁可連接成連續(xù)鋼板墻，施工快速，防水性能優(yōu)良，適合應(yīng)用在小于7m深度的基坑支護(hù)施工當(dāng)中。4）重力擋土墻其厚度為基坑深度的0.7～0.8倍，可設(shè)置為柵格狀、鋸齒狀等，可大面積作業(yè)，污染小，適合應(yīng)用在基坑深度小于7m、施工區(qū)域環(huán)境優(yōu)越的項(xiàng)目當(dāng)中。將其應(yīng)用在流塑性黏土當(dāng)中時，使用3層圍護(hù)墻體，可實(shí)現(xiàn)坡頂?shù)某d小于20kPa。
2基坑支護(hù)設(shè)計施工和基坑安全技術(shù)應(yīng)用
2.1項(xiàng)目概況
1）管廊布置某市政管廊項(xiàng)目全長3.34km，管廊的斷面外尺寸有2種規(guī)格，分別為655cm×360cm和725cm×410cm。管廊設(shè)置在道路綠化帶內(nèi)部，并利用真空預(yù)壓方式處理地基，預(yù)壓寬度大于道路邊線長約5m，以防地基處理環(huán)節(jié)對管廊施工造成影響。主干道設(shè)置雙向6排車道，道路紅線50m，管廊內(nèi)部存在給水管、高低壓電纜以及電信管3種類型管道，管廊和道路交匯處距離人行道6m。2）水文特點(diǎn)經(jīng)過現(xiàn)場勘測，該項(xiàng)目共有3種地質(zhì)結(jié)構(gòu)，填土層黏性土占據(jù)主要部分，淤泥層呈流塑狀，含砂率30%，頂部埋深0.6～3.0m，埋層厚度6.3m，淤泥黏土中細(xì)砂含量較少，呈鱗片狀結(jié)構(gòu)。項(xiàng)目地下水位受江口潮汐的影響，潛水位年變化量小于2.0m。施工場地內(nèi)存在孔隙潛水，可能對混凝土結(jié)構(gòu)造成弱腐蝕，經(jīng)過水文和地質(zhì)條件分析，對于管廊項(xiàng)目基坑設(shè)計和施工產(chǎn)生影響的主要是黏性土內(nèi)部孔隙水。地下水位穩(wěn)定標(biāo)高為0.8～2.4m，埋深0.4～1.5m。若設(shè)計過程中選擇鋼板樁，需要在施工環(huán)節(jié)將基坑內(nèi)不明水排除，同時還需做好坡面、邊坡支護(hù)等處理工作，及時完成管廊節(jié)水、排水以及輸水工作，根據(jù)雨期施工情況，制定防洪預(yù)案，確保施工過程安全。3）基坑概況項(xiàng)目綜合管廊布置在綠化帶內(nèi)部，并且管廊和人行道的邊線距離為6m。綜合管廊施工過程中通常使用明挖現(xiàn)澆方法，需要在標(biāo)準(zhǔn)路段進(jìn)行基坑開挖，控制其深度為5m，穿河路段，基坑深度擴(kuò)大至9m。為控制基坑開挖施工對道路產(chǎn)生影響，需要在開挖的同時完成止水擋土以及圍護(hù)相關(guān)設(shè)計。根據(jù)勘察報告，基坑施工范圍主要為含砂淤泥土層，承載力較低，含水率高。此類基坑常選擇土釘墻、SMW工法樁、水泥攪拌樁、鋼板樁等作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)。該項(xiàng)目的基坑支護(hù)設(shè)計方面需要遵循2個原則：①技術(shù)可行充分結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)、主體結(jié)構(gòu)、周圍環(huán)境等因素，保證設(shè)計方案便于施工；②安全性高基坑支護(hù)需要確保施工過程的安全性，相鄰建（構(gòu)）筑物能夠正常使用。
2.2支護(hù)設(shè)計和施工方案對比
1）SMW工法樁型鋼水泥攪拌墻也稱SMW工法樁，施工過程中使用攪拌機(jī)切削土體，通過鉆頭端部向土體內(nèi)注入水泥漿，攪拌均勻后，利用型鋼插入至攪拌樁內(nèi)部，在地下形成連續(xù)墻，利用此結(jié)構(gòu)作為止水或者擋土結(jié)構(gòu)，完成基坑支護(hù)。此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)：止水性能優(yōu)越，施工耗時短，支護(hù)結(jié)構(gòu)簡單，對于外界環(huán)境污染小，并且施工結(jié)束后，型鋼可回收。此結(jié)構(gòu)適應(yīng)用于深度小于13m的基坑支護(hù)。2）水泥攪拌樁水泥攪拌樁即使用水泥作為固化劑，采用攪拌機(jī)械將固化劑輸送到軟土地基內(nèi)部并展開強(qiáng)制攪拌，水泥和軟土充分混合，固結(jié)成高強(qiáng)度地基。此工藝適合用于深度小于5m的淺基坑支護(hù)。3）鋼板樁鋼板樁屬于含有鎖口的型鋼，其斷面類型主要有直板式、U形和Z形幾種。鎖口的功能是保證不同鋼板樁之間的搭接，可形成板樁墻，起到擋水、擋土等作用。此類支護(hù)結(jié)構(gòu)適用于地下水豐富且地基柔軟的基坑中，結(jié)構(gòu)輕便、承載力強(qiáng)，鎖口位置結(jié)合緊密，防水性好，施工過程可結(jié)合工程地質(zhì)情況，在少量土方開挖的前提下完成支護(hù)，施工過程環(huán)保，對于混凝土和土方量使用較少，利于環(huán)境保護(hù)，且施工快速，材料可反復(fù)利用。
2.3方案選擇
按照基坑的支護(hù)原則，借鑒同類項(xiàng)目施工經(jīng)驗(yàn)，充分研究工程地質(zhì)水文條件。由于本項(xiàng)目基坑形狀狹長，最大深度為9m，施工過程需要嚴(yán)格控制坑體的水平位移情況。鑒于市政項(xiàng)目中管槽開挖環(huán)節(jié)常使用鋼板樁類型支護(hù)結(jié)構(gòu)，展開狹長基坑施工。利用此支護(hù)結(jié)構(gòu)，能保證基坑雙側(cè)的穩(wěn)定性，防止由于環(huán)境影響發(fā)生變形，導(dǎo)致基坑底部隆起或者邊坡下滑等問題，保證基坑施工過程的安全性。利用鋼板樁進(jìn)行支護(hù)，可結(jié)合基坑寬度靈活控制，從而有效減少施工過程開挖、回填等工量。此外，運(yùn)用鋼支撐和鋼板樁組合支護(hù)，施工過程簡單，便于拆除，工期短，可重復(fù)利用，能夠節(jié)約施工成本。該項(xiàng)目中，在管廊穿過河道與道路的特殊施工段，基坑深度為9m，若利用鋼板樁完成支護(hù)，需要在其中設(shè)置若干支撐，并且澆注箱體環(huán)節(jié)需要更換支撐，施工流程繁瑣。考慮項(xiàng)目土質(zhì)淤泥層較厚，拔樁后期可能對土體造成擾動，進(jìn)而影響箱體的穩(wěn)定性，因此，運(yùn)用SMW工法樁完成深基坑支護(hù)，利用水泥攪拌樁作為止水帷幕，保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的止水效果。當(dāng)基坑內(nèi)部施工結(jié)束后，可將型鋼回收。
2.4支護(hù)施工
1）鋼板樁施工該項(xiàng)目基坑挖深8m位置，設(shè)置拉森三型鋼板樁，施工全程利用三維分析法，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)置合理。使用長度為16m的鋼板樁，間距控制在0.4m，利用609鋼管作為支撐，保持水平間距為3.5m。設(shè)置縱向支撐2道，第1道連接壓頂梁，第2道位于鋼管中心5.5m位置處。施工路段基坑的長度共計120m，基坑寬度為9～11m，基坑的長寬比大于10，利用三維分析法，可認(rèn)為管廊基坑和狹長基坑特點(diǎn)相符。經(jīng)分析，與SMW工法樁結(jié)果類似，在基坑底部存在較大程度水平位移，因此，需要對坑底進(jìn)行加固，最大限度控制基坑側(cè)壁發(fā)生水平位移。第1處支撐位置軸力相對較小，第2處支撐軸力相對較大，因此，需要展開優(yōu)化設(shè)計，適當(dāng)下調(diào)第1道支撐，縮小2道支撐之間間距，將原有設(shè)計5m縮小到4m。對于深度相同的基坑，使用鋼板樁支護(hù)，此結(jié)構(gòu)存在的水平位移、彎矩軸力、支撐軸力等和SMW工法樁對比相對較大，對此，在深基坑小平面位置使用鋼板樁結(jié)構(gòu)支護(hù)，在深基坑對環(huán)保要求較高的位置，利用SMW工法樁進(jìn)行支護(hù)。2）SMW施工選取基坑深度8m的施工路段，設(shè)置SMW工法樁，并利用時空分析方法，完成基坑支護(hù)設(shè)計，使用φ850mm@600mm、長度16m的工法樁，保證其中水泥含量為23%，在其中設(shè)置間距為1.2m的型鋼。仍然采用609鋼管進(jìn)行支撐，控制水平間距為3.5m。經(jīng)過變形分析，基坑底部位置可能出現(xiàn)水平位移，因此需要加固坑底，控制側(cè)壁位移量，優(yōu)化設(shè)計。在第2處水平支撐結(jié)構(gòu)處存在最大彎矩，需要合理優(yōu)化，下調(diào)第1處支撐，縮小2處支撐間距為4m。
2.5安全監(jiān)測
地下管廊的施工具有綜合性特點(diǎn)，技術(shù)運(yùn)用流程復(fù)雜，基坑施工狹長，面臨工況復(fù)雜。為確保施工安全，需要對基坑施工展開監(jiān)測，防止施工過程對周圍建筑安全造成影響。同時，項(xiàng)目地質(zhì)條件復(fù)雜，巖土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足，導(dǎo)致施工環(huán)節(jié)突發(fā)情況較多，利用監(jiān)測手段，可實(shí)時呈現(xiàn)施工問題，一旦出現(xiàn)不合理變形情況，應(yīng)及時控制，保證現(xiàn)場安全。該項(xiàng)目監(jiān)測過程，對于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移以及豎直位移的測點(diǎn)布置，控制間距為20m，每條邊側(cè)點(diǎn)大于3處，管廊開挖各段設(shè)置1個測點(diǎn)以上。由于本項(xiàng)目的開挖寬度相對較小，基坑底部暴露的時間也相對較短，因此可不考慮基坑隆起方面的監(jiān)測。在支撐軸力方面，可按照現(xiàn)場情況以及試驗(yàn)結(jié)果，對管廊支護(hù)的軸力位置進(jìn)行監(jiān)測，需要注意過河段應(yīng)在兩側(cè)分別設(shè)置軸力監(jiān)測點(diǎn)，若過河段相對較長，可間隔20m設(shè)置1個監(jiān)測點(diǎn)。對于深層土體的位移監(jiān)測，鋼板樁位置，間隔25m設(shè)置1個測點(diǎn)，完成加固的路基一側(cè)，間隔50m設(shè)置1個測點(diǎn)，注意測點(diǎn)設(shè)置對稱進(jìn)行。鋼板樁監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置要求如表1所示。工法樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中，地塊位置間隔50m設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，以實(shí)時掌握支護(hù)墻體實(shí)際位移，可將工字鋼置于墻體內(nèi)，觀測位移量。按照設(shè)計規(guī)范，測斜管需要設(shè)置在土體內(nèi)部，保證其長度大于墻體深度，埋設(shè)在墻底5m以下位置，確保嵌入穩(wěn)定。
3結(jié)語
市政項(xiàng)目的管廊基坑施工需要結(jié)合工程地理特點(diǎn)、水文信息等合理選取支護(hù)方案，規(guī)范施工流程，落實(shí)安全監(jiān)測，保證基坑支護(hù)施工過程的安全性，高效完成項(xiàng)目建設(shè)。
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作者：王建華 劉小偉 單位：中交城市投資控股有限公司