循泵房基坑圍護設計和施工（中國水利水電十二局施工科學研究所張仁高）【提要】本文概括介紹了浙北某電廠工程循環水泵房深基坑圍護方案的動態設計、基坑圍護施工及基坑安全監測。【關鍵詞】基坑土釘土釘墻錨桿圍楞安全監測1．工程概況浙北某電廠工程循環水泵房為循環水系統的重要配套工程之一，平面尺寸為36.48m×25.48m。其中地下結構部分平面尺寸為25.48m×23.2m，原始地面標高▽3.60m，基坑底標高▽-5.90m，基坑深度為9.50m。基坑東側2.75m處為廠區主要施工通道，通道另一側分別是中興公司和寧波建安公司施工臨設區；西南角和西北角各距1#和2#冷卻塔24.5m，北側鄰近老秤溝浜河僅2m，不宜采用大開挖施工。經多種基坑圍護方案的綜合論證對比，本著經濟、可行、安全的原則，最后確定采用“局部大開挖結合土釘墻支護方案”----即南側、北側和東側土釘墻支護，西側（進水箱涵側）放坡大開挖。2．工程地質條件循泵房區域地質主要由第四系全新統，上更新統河湖相粘土組成，與循泵房基礎相關的土層為：1層素填土：灰黃色、黃褐色，很濕～濕，粉質粘土，含水量34.8％。①-3層淤泥質粉質粘土：灰色，呈飽和、流塑狀態，含有少量云母片及有機質，含水量最高為64.6％。②-2層粉質粘土：褐黃色、灰黃色、灰黑色，濕，可塑，中塑性，含有少量云母片及氧化鐵，以粉土為主。平均含水量28.5％。③層粉質粘土：灰色、深灰色、灰黃色，飽和～很濕，軟塑，輕～中塑性，含有少量云母片及氧化鐵。平均含水量33.4％。④-2層淤泥質粉質粘土：灰色，飽和，流塑，含有少量云母片及有機質，具微層理結構。平均含水量38.4％。物理力學性指標如表-1所示。場地土的物理力學指標（復勘結果）表-1土層編號土層名稱層底高程（m）土層厚（m）重度（kN/m33）固結快剪強度指標標錨固體與土體的極極限摩阻力（kPa）C(kPa)(0)①-1素填土▽+1.52.519.2201022①-3淤泥▽-3.04.516.54813②-2粉質粘土▽-7.24.717.818.51830③粉質粘土▽-9.52.317.78.525.630④-2淤泥質粉質粘土▽-10.81.318.114.120.520⑤-1粘土▽-13.32.518.440.025.5603．基坑支護方案設計基坑支護結構設計時，按基坑不同受力面的位置，分成東、南和北三部份，東側邊坡長25.5m，南、北側邊坡長各27.5m。東側緊鄰廠區道路，考慮到廠區施工荷載作用，取地表超載值為20kPa；南、北側地表超載值為10kPa。為減少工程造價，降低土釘墻支護工作量，支護施工前先挖去部份表層土1.5m厚，基坑土釘墻實際高度為8.0m。根據地質勘探報告，參照《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-99）確定開挖面3種土層內土釘錨固體與地基之間的極限摩阻力分別為：①-1層--22kPa、①-3層--18kPa、②-2層--35kPa。土釘直徑設計為Φ100mmm，分六層施打。參照《基坑土釘支護技術規程》CECS96:97要求，土釘墻噴射混凝土強度等級定為C20，面層厚度100mm，內配Φ8@200鋼筋網。土釘墻重要系數選取值1.2。基坑東側土釘墻坡度為1：0.5，以一級基坑側壁設計，基坑側壁重要性系數為1.1；南北兩側土釘墻坡度為1：0.3，以二級基坑側壁設計，基坑側壁重要性系數為1.0。基坑支護各層土釘特征及受力情況見表-2。各坡面土釘墻各層土釘特征及受力情況表-2基坑面土釘層次土釘長度(m)螺紋鋼直徑(mm)傾角(0)土釘所在墻面高程(m)土釘受拉荷載(kN)土釘極限抗拉力(kN)安全系數南北側第一層91620▽+1.50—36.729—第二層91620▽+0.507.58634.3104.523第三層91620▽-0.5024.75231.8901.288第四層102020▽-2.0044.98063.4091.410第五層112020▽-3.5048.56864.8091.334第六層112020▽-5.0041.89757.7511.378東側第一層121620▽±0.00—26.729—第二層121620▽-1.008.65624.1102.815第三層121620▽-2.0023.37231.9101.365第四層112020▽-3.0034.98056.1021.604第五層112020▽-4.0037.65655.7021.575第六層112020▽-5.0036.78556.0301.523基坑開挖至▽-1.00m高程時，南側邊坡出現失穩，土釘墻發生局部崩塌。分析其原因，主要是南側基坑受到地面頻繁施工荷載的振動和場地土（主要是①-3層土）的土質條件特別差所致。原支護設計按照地質資料，①-3層土層為“淤泥質粉質粘土”，平均含水量47.5％。基坑開挖后才發現，該土層實際上是“淤泥”，呈流塑狀態，含水量高達60%以上，抗剪強度很低，土質差異性很大，且該土層的分布極不均勻，主要集中在基坑東南角，土層最厚處達4.5m以上。為了確保基坑的安全，特請有關部門進行地質復勘，根據復勘結果，針對施工實際情況，調整支護方案。基坑東側緊臨廠區道路，原土釘墻設計方案為，先將地基土開挖到▽+2.00m高程，作成大平臺后再進行基坑支護，施工過程中，由于受到場地的限制，大平臺未能實現，當南側邊坡失穩后，基坑東側廠區道路的混凝土路面出現了約3～5mm水平位移裂縫。該通道能否暢通直接影響到主廠房和#1冷卻塔的工程進度，為此，對東側邊坡進行了掄救性處理。在▽+1.50處擊入長9m，50mm的鋼管“注漿擊入釘”，（釘距1m，跳隔施打）通過管壁注漿孔將水泥漿液壓入到①-1層土體中去，道路水平位移狀況很快得到了控制。根據南側邊坡失穩土釘墻破壞的特征，對基坑東側和東南角①-3層淤泥集中部位采取“超前錨桿結合圍楞法”進行加固處理。加固設計方案見圖-1。具體方法是：在開挖到①-3層土層前設置超前錨桿，將錨桿錨入②-2層土層中，以錨桿的錨固力來滿足加固結構的穩定、強度和剛度。在①-3層土層中打入間距200mm的松木樁和鋼管樁，樁間空隙用鋼板或木板填實，以防止淤泥擠出。為了使松木（鋼管）樁與錨桿支護體系具有足夠的整體性，錨桿出露處設置圍檁，圍檁采用雙榀#12槽鋼加工而成，錨桿與圍檁之間焊接牢固。施工順序為：按照設計方案打入松木樁和鋼管樁于▽±0.00m處施打第一層錨桿，焊接圍檁，待錨固體具備一定強度后開挖。在▽-1.0m處設置第二層錨桿和圍檁，待錨固體具備一定強度后開挖。▽-2.0m處設置第三層錨桿和圍檁。支護方案調整后的基坑東側和東南角土釘墻各土釘（錨桿）的垂直布置及其受力狀況見表-3。各土釘（錨桿）分布及受力情況`表-3土釘層次土釘直徑（mm）螺紋鋼筋直徑（mm）土釘所在墻面高程程(m)傾角（0）土釘長度(m)土釘受拉荷載(kkN)土釘極限抗拉力（kN）安全系數1>5050mm鋼管▽+1.5159.013.81523.1421.675215028▽+0.02025.045.452256.4615.642315028▽-1.02014.044.453158.4433.564415028▽-2.02025.0（14.0）52.524149.5332.841510020▽-3.01512.044.47355.8111.255610020▽-4.01512.035.20651.3561.459710020▽-5.01512.040.84352.7251.339為防止施工機械對基坑南側塌滑部分的二次擾動，以人工清除塌滑淤泥，采用松木樁和錨桿結合袋裝土共同構成復合式支擋結構，以支擋上部土體，具體加固結構如圖1:1.5+4.0清淤并做袋裝土反壓體-4.01:0.365004300-2.0-3.0-4.0-5.0-5.50L=11000,D=100,DX==1000L=12000,D=100,DX==1000錨桿，L=14000,D=150,DX==1000L=12000,D=100,DX==1000松木樁（間距500mm)圖2南側塌滑基坑加固圖-2所示。1:1.5+4.0清淤并做袋裝土反壓體-4.01:0.365004300-2.0-3.0-4.0-5.0-5.50L=11000,D=100,DX==1000L=12000,D=100,DX==1000錨桿，L=14000,D=150,DX==1000L=12000,D=100,DX==1000松木樁（間距500mm)圖2南側塌滑基坑加固圖北側基坑地質條件相對較好，仍按原設計方案施工。4．基坑圍護施工4．1．基坑開挖基坑開挖時嚴格照作業指導書要求和土釘布置的設計進行施工，開挖深度控制在下道土釘軸線以下0.3～0.5m為宜，嚴禁超深開挖。上一層作業面的土釘與噴射混凝土未完成之前，不得進行下一層開挖。①-3層土層中開挖時，一次性開挖面長不得大于5m，以跳挖為主且不能連續開挖。4．2．基坑降排水循泵房周圍地表水特別豐富，地下水位較高，①-1層素填土和②-2層粉質粘土的透水性較強，為了提高土釘成孔質量和避免基坑開挖而產生流土現象，必須做好基坑降、排水工作，以提高土釘墻的穩定性。a)、坑外截水：基坑周圍設置兩道500mm×500mm的排水溝，截住地表水和由①-1層素填土中滲出的地下水，以防流入基坑。b)、坑底排水：基坑作業面的四角設置600mm×600mm×1000mm（深）集水坑，以不小于200mm的排水溝聯通。c)、地下降水：②-2層粉質粘土屬透水性較強的土層，基坑相距老秤溝浜河僅2m，地下水位較高，為了提高土釘成孔質量和避免基坑開挖而產生流土現象，必須降低基坑地下水位。降低地下水位一般使用“輕型井點降水法”較為理想，但因造價較高，為節約投資，本工程在排水溝的內側設置“深管井”降低地下水位。井管由直徑300mm的鋼筋籠制作而成，用無紡土工布作井管外濾料，井深10m，井底標高▽-7.5m，間距為15～20倍D（D為管井直徑），高揚程水泵自動排水。d)、坡面泄水：在支護面層背后插入長400～600mm、直徑50mm的水平塑料排水管，間距1.5～2m，外端伸出支護面，以便泄出噴射混凝土墻內側積水。4．3．土釘成孔、鋼筋置設和注漿土釘成孔前，按設計要求定出孔位，并作出標記和編號。孔位的偏差應符合規范規定不得大于150mm。按設計深度選用機械或人工洛陽鏟造孔，孔徑偏差+20mm～-5mm，孔深偏差+200mm～-50mm，傾角的誤差＜3o。成孔過程中做好施工記錄，成孔后進行清孔檢查，如出現局部滲水塌孔或掉落松土應立即處理。土釘鋼筋置入孔中前，應先安裝對中定位支架，以保證鋼筋處于鉆孔的中心位置，支架沿釘長的間距約為2～3m左右，支架的構造應不妨礙漿液的自由流動。采用重力、低壓（0.4～0.6MPa）、低部注漿式注漿。注漿導管底端先插入孔底，在注漿同時將導管緩慢地以勻速撤出，導管的出漿口應始終處在孔中漿體的表面以下，保證孔中氣體能全部逸出。注漿用水泥砂漿或水泥凈漿，其W/C不得超過0.45～0.5。為提高注漿的早期強度，在注漿液中摻入水泥重量的千分之0.25的三乙醇胺。注入漿體的充盈系數必須大于1。4．4．噴射混凝土面層施工鋪設鋼筋網，采用綁扎連接Φ8@200，搭接長度不小于200mm，網格偏差控制在±10mm之內。網片與受噴面設置混凝土墊塊，確保鋼筋與坡面空隙不宜小于20mm。土釘與鋼筋網片之間通過Ф12～Ф18的井字加強筋連接。經固定后的鋼筋網在混凝土噴射時不應出現振動。噴射混凝土強度等級為C20，混凝土厚度100mm，選用42.5普硅水泥。粗骨料為人工碎石，骨料粒徑Dmax≤15mm，砂F.M=2.5～2.7，水泥與砂石重量比為1：4～1：4.5，砂率Sp=45～55%，W/C=0.40～0.45。噴射混凝土前對機械設備、風、水、管路和電路進行全面檢查及試運行。清理受噴面，用短鋼筋或其它辦法埋設好控制噴射混凝土厚度的標志。噴射混凝土的噴射順序為自下而上，噴頭與受噴面的距離保持在0.8～1.5m范圍內，射流方向垂直指向受噴面，在有鋼筋的部位，先噴鋼筋的后方以防止鋼筋背面出現空隙。噴射混凝土的路線可從壁面開挖層底部逐步向上進行，但底部鋼筋網搭接長度范圍以內先不噴混凝土，待與下層鋼筋網綁扎搭接之后，與下層壁面同時噴射混凝土，混凝土面層接縫部位做成45°的斜面搭接。噴射混凝土分兩次噴射，每次噴射50mm。第一次噴射完畢后，仔細清除遺留在施工縫接合面上的浮漿層和松散碎屑，并噴水使之潮濕。操作手要控制好水灰比，保持混凝土表面平整，呈濕潤狀，無干斑或流淌現象。噴射混凝土終凝2小時后方可進行灑水養護，養護時間宜不少于5～7d。5．基坑監測5．1．監測點布置為確保土釘墻基坑圍護結構的安全運行，同時指導土釘墻的動態設計，在土釘墻施工過程中，對土釘墻深層水平位移、地面沉降、土釘鋼筋應力及地下水位進行了監測。監測布置點見圖-3。1:0.3~1:0.5地面沉降500025000-5.5+2.5500-17.5側斜管埋設圖圖3土體位移監測平面布置圖側斜管水位管270001:0.3~1:0.5地面沉降500025000-5.5+2.5500-17.5側斜管埋設圖圖3土體位移監測平面布置圖側斜管水位管270005．2．土釘受力狀態監測土釘受力監測采用沿土釘長度方向，距離土釘墻端面2m、5m和7m處設置鋼筋應力計，從▽1.5m～▽-5.0m分六層設置測力土釘，這樣可從不同高程、不同深度測得鋼筋的受力大小，以估計土釘墻的穩定性并指導施工。鋼筋應力計的布置見圖-4。200020003000+2.5+4.01:0.3+1.5+0.5-0.5-2.0-3.5-5.0-5.5監測斷面分別設在基坑南側、北側和東側邊坡的中部。南側邊坡滑塌后，該處的土釘應力觀測工作被迫中斷。200020003000+2.5+4.01:0.3+1.5+0.5-0.5-2.0-3.5-5.0-5.5圖4土釘應力監測點布置圖監測結果顯示：土釘沿長度方向受力是不均勻的，呈中間大兩頭小，且隨著基坑開挖深度的加深，受力峰值逐漸向遠離坡面深處轉移，靠近潛在滑裂面處土釘受力最大。基坑東側最大受力點土釘的拉應力達33.12kN，北側地質條件相對較好一些，最大受力點土釘的拉應力只有23.20kN。監測結果同時還表明，較小的土釘拉力值與土釘鋼筋抗拉強度相比，具有較大的安全儲備。圖4土釘應力監測點布置圖5．3．土釘抗拔力原位試驗土釘抗拔力為土釘設計中的主要參數，也是衡量土釘施工質量和土釘與土體相互作用的重要指標。土釘抗拔試驗在基坑東側邊坡選擇了3根具有代表性的土釘（錨桿）進行試驗，土釘抗拔結果見表-4。土釘（錨桿）抗拔試驗結果表-4試驗編號螺紋鋼直徑（mm）土釘（錨桿）長