土钉支护技术在上海的应用

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  土钉支护施工技术,简称为“土钉墙”,即所谓喷、锚、网联合支护——喷射混凝土、锚杆、钢筋网联合支护
  土钉墙施工技术自20世纪70年代产生以来,因其造价较其他基坑围护体系低,施工周期短,安全性基本满足基坑稳定性及变形要求,在边坡工程、基坑工程中得到广泛的认可和应用。我国于1997年制订了相应的规范《基坑土钉支护技术规程》。由于土钉墙对地层的依赖性很大,通常仅适用于地下水位低、自立性好的地层。在高水位的软土地层中,因其自立性差,易产生流砂和管涌的可能,尤其上海、福州等东南沿海城市的地层为冲积地层,主要为饱和粉质粘土、淤泥质粉质粘土、粉土等,单纯的土钉墙不能满足基坑围护安全性。由此,近年来,经过科研人员和工程技术人员在各种基坑围护工程中的理论设计研究和实践分析研究,总结出一种新的土钉墙施工技术——复合型土钉墙支护,并正通过更多的工程实践对其进行理论设计上的完善。
  现行工程中常用的复合型土钉墙支护,主要是水泥土搅拌桩与土钉墙的结合应用。其原理主要是:通过水泥土搅拌桩对边坡土体进行土体加固,解决土体自立性、隔水性以及喷射面层与土体的粘结问题;以水平向压密注浆及二次压力灌注解决土体加固及土钉抗拔问题;以相对较深的搅拌桩插入深度解决坑底的抗隆起、管涌和渗流问题,形成防渗帷幕、超前支护及土钉等组成的复合型土钉支护。因此,复合型土钉墙适用于砂性土、粉土、粘性土、淤泥土及淤泥质土。
  然而,由于场地水文地质条件、基坑周边建筑物特征和地下管线的复杂性,土钉墙设计施工方法也须应地制宜。近几年来,复合型土钉墙在上海市相当多的范围内得到推广应用,并取得了很好的经济效益和社会效益。上海各类地层中,已有较多成功地使用复合型土钉墙的工程实例。
  本文对上海市五角场地区的基坑土钉支护设计施工作一论述。
  一、上海五角场地区基坑土钉支护的特殊性
  1、地质条件差
  上部杂填土及粉质粘土,地下水位高,潜水丰富,即使基坑开挖很浅,边坡一般也难以自立,必须采取支护措施。
  2、地下水丰富
  上部隔水层分布厚度变化较大,有时呈透镜体分布,中部地层颗粒较细、富水、渗透性强、地下水具承压性,多种因素导致承压水与上层滞水贯通,形成突发性管涌事故。一般深度在5~6米以上,就会存在涌水涌砂现象。因此,必须进行管涌验算,采取止水隔渗措施。
  3、周边环境复杂
  上海五角场地区建筑物集中,许多楼房的建设涉及旧城改造,基坑开挖施工用地紧张,甚至紧贴用地红线,周边邻近建筑物和地下管线对施工影响较大。同时,基坑支护的效果好坏对周围环境产生积极或消极的作用。
  根据上海五角场地区的水文地质条件,给基坑支护的设计与施工带来了很大的困难。支护施工中隔渗与防水、降水措施,支护结构的变形控制,周边临近建筑物及地下设施保护是基坑支护设计和施工须考虑的问题。建议在该地区的土钉支护技术应用于6.5米以内的浅基坑支护,是既经济又安全的。
  二、土钉的设计与施工
  土钉支护与设计必须考虑的问题有以下几点:
  1、认证研究水文地质条件,选择正确的施工方案。根据基坑开挖深度,分析坑底隆起和管涌的可能性,验算支护结构地基的稳定性。若地下水对基坑产生不利影响,则必须采取降水措施。
  2、方案选定之后,根据基坑开挖深度,周围环境特征、场地地质水文条件、土质物理力学参数γ、c、φ及地下水情况,确定土钉长度、间距、面层喷混凝土厚度,给出土钉设计承载力。然后,验算土钉支护结构的稳定性。
  3、制定完善的环境保护措施和施工应急处理方案,预防事故发生。
  4、建议在上海五角场地区工程中,超过5米的基坑支护,宜采用水泥土搅拌桩超前支护,使基坑四周形成防水防渗帷幕,以减少开挖降水对周围环境的影响。
  鉴于上海五角场地区的基坑支护的特殊性,为确保工程安全,土钉施工需要作好以下工作:
  1、土方开挖过程中的边坡维护
  上海五角场地区土质较差,上层滞水潜水丰富,开挖时边坡自立高度较小。特别是结构松散、含水量大的杂填土,软至流塑状态的粘土、砂质粘土和粉土层,这些土层压缩性高,土质软,在土体自重及边坡坡顶上外荷载作用下,极易出现坡面外鼓、坡脚外坑底地面隆起、地下水流失等土破失稳现象。为保持开挖时的边坡稳定,减少土方开挖层次,基坑分层开挖深度取不大于土体自立高度,一般为1.0~1.2米,土质较好时可至1.5米。对于杂填土及土质较软弱的砂质粘土,以及邻近建筑物、道路、底下管道的区段,应采取超前加固措施,即开挖前沿开挖线外侧垂直打入花式钢管(管壁带孔的钢管),灌注纯水泥浆;或采用水泥土搅拌桩帷幕效果更佳,使之既能起到土体加固作用,又能达到防渗效果。必须强调,土方开挖应严格按照设计要求,待上层支护结构达到设计强度后进行,严禁违反施工程序超挖。
  2、局部粉土薄层的处理
  在上部粘性土层,有些场区夹有灵敏度较高的粉土薄层等软弱土层,稍微扰动往往造成该层土体的分层剥离或水土流失,导致周边土体沉降、边坡位移而危及邻近建筑物、道路、市政地下管道。因此,在挖至该层上部时,应采取超前加固措施予以处理。开挖后,应及时喷射混凝土,加快施工进度,减少暴露时间。流砂、粉土地层、尚应配合欠挖、试挖手段及挂底网、快支护等施工措施。必要时,可倒序施工,即先挂网喷混凝土,后钻孔注浆作业。
  3、地下管线的保护
  基坑周边布置的市政管线,如上下管道、煤气管道、通讯电缆及电力管线等,这些管线结构不同,对变形的要求及敏感程度也有较大差异。如果支护引起的变形(位移、沉降)超过管线所承受的限值,管线会发生断裂而引起煤气泄漏爆炸及上下水的外溢泄露,造成严重的工程质量事故和公共安全事故。因此,施工前首先要熟悉和了解地下管线的分布情况,掌握管线类型、位置、埋深(通过雷达探测),采取土壤注浆加固、设置管桩等措施予以保护,其次要加强施工控制,采用人工探测方法核实管线资料,防止成孔施工损坏管线;还要做好基坑边坡和周围环境的安全监测,在土方开挖前后定期进行监测,特殊情况(如大雨、暴雨)下加密监测,详细了解基坑边坡位移沉降情况和周围环境的安全情况。   4、地下水的处理
  首先应重视生产生活水的排放,施工中基坑周围的积水和上下水管道渗水,对边坡安全的危害较大。为了消除这些不利影响,土钉支护施工必须作好严重堵塞下水道的疏通,重视地面积水的排放,处理严重渗漏上下水管道的接头,防止边坡位移沉降牵动管道引起断裂渗漏。土层中的地下水对施工时的边坡稳定也有不利影响,为了减少分层开挖和支护时地下水给施工找成困难,必须预先在基坑四周或基坑内设置轻型井点抽水。
  三、工程实例
  上海市肺科医院《扩建病房楼》,位于上海五角场附近,在杨浦区政民路507号,东靠船舶供应公司,南沿政明路,西毗上海海达记时公司,北临上海财经大学。新建的病房楼在医院内,是一幢地下一层,地上十三层,裙房一层的高层建筑。其基础形式为片筏基础,基础开挖深度为6米, 基坑周长177米。
  1、工程水文地质条件
  (1)工程地质条件
  第一层土:填土,层厚1.3米
  第二层土:粉质粘土,层厚1.0米
  第三层土:砂质粉土,层厚17.2米
  第四层土:粉质粘土,层厚5.5米
  (2)水文地质条件
  场地浅层土中地下水属潜水类型,主要补给来源为大气降水及
  地表径流。地下水位为自然地面下0.60~0.80米。
  2、基坑支护方案
  根据本工程特点及土钉墙的优点,基坑边坡采用土钉墙—搅拌桩联合围护,垂直开挖。
  (1)土钉墙支护设计
  土钉墙支护设计参数包括土钉的长度、钢筋网密度、喷射砼厚度,其中土钉配置起关键作用。土钉的密度、长度、空间位置决定了复合体的刚度和稳定性。
  ①、土钉参数
  土钉φ48×3.5国标焊接钢管,沿坑深垂直方向间距1.0~1.2米,水平间距1.0米,土钉长度6~9~12米,土钉水平安放角6ο~10ο,最下一排夹角10ο。土钉共五排,均采用梅花布置。采用信息法施工,根据实际情况可以调整土钉参数(长度、密度),特别是遇到管线时,必须采用人工成孔,调整孔位,避开管线。
  ②、喷射砼
  喷射砼设计强度C20,厚度100mm, 喷射砼设计配比为水泥:砂:石=1:2:2,喷射砼中添加5%早强速凝剂。
  ③、喷射砼配筋
  钢筋网规格为φ8@200双向,加强筋规格为φ16螺纹钢。土钉前端通过井字衬垫与混凝土面层内的钢筋网和加强筋焊接。
  ④、土钉注浆
  土钉孔内采用全程注浆,注浆材料采用水灰比0.45~0.50水泥浆液,水泥标号为425#普通硅酸盐水泥。注浆压力0.2~0.6Mpa.
  (2)搅拌桩止水帷幕
  在基坑开挖线外布置单排搅拌桩,直径700mm, 有效桩长为 11.5米,集水井与电梯井部位直径1200mm, 有效桩长分别为13.0及15.0米。搅拌桩采用水泥标号为425#普通硅酸盐水泥。用于加固杂填土、软弱流砂土层,与土钉墙连成整体,形成止水帷幕。搅拌桩施工应符合《基坑工程设计规范》DBJ08-61-97规定,其定位偏差小于50mm,桩身垂直度误差小于1%,成桩采用二喷三搅施工工艺,喷浆搅拌时提升(或下沉)速度小于0.5m/min,相邻桩施工时间不应超过2小时,水泥掺入量为13%,水灰比为0.5。
  1、土钉墙施工工艺
  (1)施工工艺流程
  放线→开挖→修坡→安放锚杆→编钢筋网片→喷面层砼→注浆→开挖下一层
  (2)施工工艺
  ①放线:用测量仪器准确定出地下室外墙轴线位置,搅拌桩内边线即为开挖线,用木契和白灰作出开挖线标记。
  ②土方开挖:搅拌桩完成,基坑放线后即可开挖。边开挖边支护,分层开挖,分层支护,挖完亦支护完,开挖进程和土钉墙施工形成循环作业。
  ③喷射砼:在土方开挖、修坡之后,进行钢筋网编焊工作,然后施工喷射混凝土,喷射厚度100mm,石子粒径5~10mm,砼标号为C20。
  ④土钉制作、成孔:土钉采用φ48×3.5国标焊接钢管,按照设计标准加工制作,采用人工方法打入设计孔深。成孔中如遇建筑基础和管线障碍,应设法避开。
  ⑤土钉注浆:对于锚管注浆,注浆前先用高压水冲洗锚管,然后从锚管底部注浆,边注浆边拔管,注浆要求饱满注浆满后要扎好止水袋。
  ⑥编制钢筋网:按照设计要求编制钢筋网及加强筋。土钉头焊接后用φ22螺纹钢井字压在钢筋网上。
  2、位移沉降监测
  本基坑监测内容以平面位移与垂直沉降监测为主,采取每天一次,特殊情况(如大雨、暴雨等),加密为每天两次。主要观察四个方面:
  (1)基坑边坡的监测
  沿基坑周边布置水平位移观察点和沉降点,至基坑围护结束水平位移最大为73mm,垂直沉降最大为44.7mm。一般土钉墙施工完成后2~4天即可稳定。
  (2)邻近建筑监测
  东侧与北侧的旧病房距基坑约20米,最大沉降6.1mm。
  (3)周边管线监测
  周边管线相距基坑约10米,最大沉降13.2mm,最大位移小于10mm.
  (4)周边地下水位观测
  随坑内降水,在基坑周边布置水位观测孔。根据地下水位的变化,围护桩发挥了截水的作用。
  四、结论与认识:
  (1)土钉墙支护技术能适应上海软土地基的施工。土钉支护施工作业是一循序渐进的过程,因此采用信息法施工,加强基坑的安全监测,及时提供基坑及周边环境变化信息,对施工的顺利进行非常重要。
  (2)施工过程中,应加强基坑内积水的抽排,可设临时排水沟。
  (3)挖土及支护施工要分层分块进行,分层厚度不大于1.5米,分块厚度不大于20米,充分发挥土体的空间支护作用,并在开挖后几小时内封闭,使土体变形及时得到约束限制。
  (4)土钉墙一般与挖土同时进行,故须相互密切配合好。因较少占用独立工期,故一般可节约施工工期。并且,土钉墙的施工费用与其他支护方案相比可节约20%左右。
  土钉支护近年来快速发展,已成为一种重要的基坑支护形式,它通过水泥土搅拌桩对边坡土体进行土体加固,解决土体自立性、隔水性以及喷射面层与土体的粘结问题;通过在原位土体中设置金属杆件(土钉),分担土体所承受的外力和自重,改善土体的受力情况;并在开挖面构筑钢筋网喷射混凝土面层;使土钉、面层和原位土体三者构成一个整体而共同工作。土钉支护具有施工方便、性能可靠和突出的经济特性,同时,在土钉支护的施工过程中,对周围环境的影响很小,因此,土钉支护被广泛应用于基坑开挖工程中。在全国许多大中城市及沿海开放城市的基本建设中,土钉支护发挥了重要作用,创造了显著的经济效益。
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