多工艺联合支护在复杂地质深基坑支护中的应用

时间：2024-07-28

张娜

(霍州煤电集团吕临能化公司，山西吕梁 033200)

1 前言

某选煤厂1#、2#翻车机房工程位于该选煤厂院内，拟建于压滤干燥车间北侧、中矸装车仓西侧，其功能用于翻卸由铁路运抵厂区的煤炭车辆。1#、2#翻车机房需要开挖深达12m的基坑，基础底板尺寸为38.5m×29m，但是由于1#、2#翻车机房基坑北侧距矿区铁路11m，南侧距离需保护建筑3.0m，东北角紧邻拟建中矸装车仓，不具备放坡条件,同时基坑施工场地小，周边地质条件复杂，开挖深度大，深基坑范围内地下水含量较大，基坑降水难度大，影响基坑的施工。因此，本文对复杂条件下基坑支护进行了研究。

2 地质条件

2.1 工程地质条件

拟建场地以杂填土、黏性土、砂等组成，地层较稳定。自上而下为：

(1)杂填土①层：颜色杂，主要为原煤场沉积煤渣、煤块及建筑垃圾，下部混黏性土。结构松散，本层厚度2.3～2.8m，平均厚度2.5m，层底埋深2.3～2.8m。

(2)粉质黏土 ②层：含黑色铁锰质斑，夹灰色黏性土团块，偶见钙核，见孔洞，稍湿。该层局部缺失，本层厚度0.7～1.0m，平均厚度1m，层底埋深3.50m。

(3)含砂粉质黏土③层：土质不均匀，局部混粉细砂或相变为粗砂—砾砂层，局部含钙核。本层厚度1.7～2.2m，平均厚度1.775m，层底埋深5.30～5.70m。

(4)中粗砂④层：褐黄色，主要成分为石英、长石，可见少量云母碎片。混少量黏性土，混有少量砂砾石及大粒径卵石。该层层位稳定，分布普遍。本层厚度4.6～5.4m，平均厚度5.125m，层底埋深10.30～15.50m。

(5)黏土⑤层：棕黄色，含较多铁锰结核，夹灰绿色黏土条带。稍湿，坚硬，该层层位稳定，最大揭露厚度10.8m。

2.2 水文地质条件

工程场地水位埋藏在自然地面下1.0～3.3m，主要赋存于黏土⑤层以上地层中。地下水类型为潜水，主要为大气降水、地面水、生活用水入渗而成。

3 工程设计方案

本工程基坑达到11m,地质条件复杂，地下水较大，并且有流砂层，基坑北侧距离铁路线较近，火车动载对基坑安全影响较大，基坑南侧距已有建筑物较近，根据基坑所处环境及实际开挖深度确定该基坑支护安全等级为二级。如仅采用管井降水工艺，易造成周边地面及周边建筑物沉降，考虑采用止水帷幕封闭降水工艺，能有效降水同时固化流砂层，为基坑开挖创造有利条件。如仅采用灌注桩锚杆支护工艺，施工进度较慢，成本较高。为确保基坑稳定和周边已有建筑物安全为前提，选择最优、经济的支护方案，通过多次研究、比较，采用多工艺联合支护工艺，针对不同边坡，选择不同支护体系，确定基坑边坡采用支护桩+锚杆+土钉墙相结合的联合支护体系。

首先进行场地清理工作，管井降水施工，降到要求后，翻车机房土方开挖配合土钉支护施工，同时施工翻车机房基坑南边坡不放坡处的支护桩、旋喷桩及冠梁，待翻车机房上部土钉支护及土方开挖完毕，进行翻车机房支护桩、旋喷桩的施工。然后是土方开挖配合第一排钢绞线及冠梁施工，待锚固体达到设计强度的75%，对第一排锚索进行张拉锁定；土方开挖配合第二排预应力锚索施工，预应力锚索施工完成后，机械挖土至基坑底。

基坑东侧、西侧、北侧上部进行1∶0.5系数放坡卸载，土钉墙支护，下部进行钢筋混凝土灌注桩、高压旋喷桩施工，组成止水帷幕，并布置两排高压旋喷预应力锚索配合支护；南侧距需保护建(构)筑物较近，护坡桩自坡顶垂直打下，不放坡，旋喷桩、旋喷预应力锚索联合支护。支护桩采用直径600mm钢筋混凝土灌注桩，间距1.0m，在两根桩之间设置直径800mm高压旋喷桩，护坡桩与高压旋喷桩相互咬合组成止水帷幕，高压旋喷桩桩顶标高为-6.0mm，桩底进入黏性土⑤层不小于0.5m，桩长约为6.5m，锚索采用高压旋喷预应力锚索。施工工况顺序见表1。

表1 施工工况顺序

(1)为降低施工难度以及降低灌注桩、旋喷桩的入土深度，在基坑东侧、西侧、北侧对上部4.3m土方按1∶0.5系数进行放坡卸载，土钉墙支护，下部以支护桩+两排预应力锚索支护。

(2)南侧距保护建筑较近，上部土方没有放坡位置，采用支护桩+预应力锚索支护工艺，设置两排预应力锚索。

(3)基坑东北角距中矸装车仓较近，中矸装车仓基础较深，无法施工预应力锚索，为此采用双排桩支护，两排灌注桩中心距2.5m，双排桩之间设置600mm×800mm的钢筋混凝土连梁[1]。

(4)在基坑四周灌注桩之间设置高压旋喷桩，间距1.0m，护坡桩与高压旋喷桩相互咬合组成止水帷幕,高压旋喷桩桩顶标高为-6.0m，桩底进入黏性土不小于0.5m，桩长约为6.5m。基坑降水采用管井降水，在基坑内外共设置34个大口径管井降水，降水井间距15m，井深20m，降水井直径500mm,地下水降至-14.0m标高。

(5)锚索：均采用加筋高压旋喷预应力锚索，锚索直径为300mm，入射角为15°，采用2根或3根直径15.24mm的钢绞线，强度等级1 860MPa,预加应力150kN，共布置加筋高压旋喷锚索126根，每根长16.0m。

(6)土钉墙：土钉直径为100mm，拉杆直径为20mmHRB400钢筋，入射角度为15°，土钉长度为6～8m，注浆采用水泥浆，强度等级M20，水灰比0.45～0.50，水泥采用PO42.5级水泥，注浆压力为0.4～1.0MPa,注浆管距孔底不大于200mm，支护桩采用直径600mm混凝土灌注桩，间距1.0m。

(7)灌注桩：直径600mm混凝土灌注桩，桩中心距1.0m，桩长10.7m，混凝土强度等级C30，桩底至相对标高-16.5m。

(8)旋喷桩：直径为800mm高压旋喷桩，间距1.0m，护坡桩与灌注桩相互搭接200mm，有效桩长6.5m,桩长标高6.5m，桩顶标高-6.0m，共布置274根。

4 施工控制要点

4.1 灌注桩施工

1)施工工艺流程

钢筋笼制作加工→钻机就位→钻进→成孔→灌注混凝土并提钻→下放钢筋笼→移至下一桩位。

2)施工工艺

(1)制作钢筋笼。钢筋笼制作顺序是先将主筋的间距布置好，待固定住加强箍筋，主筋与箍筋焊接固定后，再点焊或绑扎螺旋箍筋。

(2)钻机就位。根据工程坐标平面控制网准确定出桩位，并指挥钻机对准桩位，钻头中心与桩位偏差小于20mm，然后调整钻机，用垂球和水平尺控制好钻杆垂直度，达到标准后方可平稳钻进。

(3)钻进、成孔。①钻头刚接触地面时，先关闭钻头封口,依靠动力头自重向下压进钻头；

②正常钻进速度可控制在1.5～2m/min ，钻进过程中，操作人员依据操作室电流指示表动作，电流不超过140A，以防卡钻。如遇到卡钻、钻机摇晃、偏移，应停钻查明原因，采取纠正措施后方可继续钻进。

4.2 旋喷预应力锚索施工

1)施工工艺流程

土方开挖→桩间土喷锚→放线定孔位→钻机就位→校正孔位、调整角度→钻进(高压扩孔)成孔→安放锚索→注浆→拔套管→安装腰梁、锚头锚具→张拉锁定。

2)施工工艺

(1)土方开挖。土方必须按照分层分段开挖，分层厚度必须与施工工况结合且不大于2m，下层土开挖前，上层的旋喷锚索必须有10d以上的养护并已锁定。

(2)桩间土喷锚。当支护桩冠梁达到一定强度及预应力锚索锁定后，方可进行基坑开挖，机械开挖保证与桩的距离不小于10cm，采用人工剔除，保障支护桩间土体的稳定，支护桩间采用喷射混凝土护壁，壁厚≥5cm，分两次喷护，每次2.5cm，喷射混凝土型号为C20。预应力锚索间及以下分二步开挖，工作面喷护混凝土随挖随喷，以防流砂。

(3)放线定孔位。开挖后的基坑壁经过修整喷锚，按设计要求的标高和水平间距，用水准仪和钢尺定出孔位，做好标记。

(4)钻机就位。将旋喷锚杆机对准已放好的孔位，调整好角度，由质检员验收合格后才可开钻。

(5)钻孔。选用硬质合金高压旋喷钻头(喷头)，钻头侧翼设置多个喷嘴进行高压旋转回转钻进工艺，锚杆钻机的深度不应小于设计长度，也不宜大于设计长度500mm。

(6)安放锚索。锚索体采用钢绞线制作而成，所使用的钢绞线强度为1 860MPa，钢绞线间用隔离架隔开。

(7)注浆。注浆分为常压注浆，在锚索钻进到达设计深度后注浆，注浆压力为20MPa，孔口大量冒浆即可停止。

(8)张拉锁定。连梁安装→安放张拉设备→第一次张拉(锁定值的30%)→第二次张拉(锁定值的70%)→第三次张拉(锁定值)→锁定。

当水泥浆强度达到75%且不小于5MPa后，可对锚杆进行张拉。锚杆张拉由一套专用设备进行，即油泵、穿心式千斤顶和锚具。预应力锚杆张拉前应做拉拔试验，以确定张拉力极限，将结果反馈设计单位审核，根据设计意见张拉预应力锚杆。