某火车站地下室基坑支护方案及施工技术

 

关键词：基坑支护柱扳式挡土墙水泥粉喷桩饱和砂层井点降水一、工程概况粤海铁路是国家重点工程项目，海口火车站是粤海铁路渡海登陆的第一站，是海南省的对外门户站。该工程位于海口市长流新区，靠近海边。中央大厅局部有一层地下室，候车楼主体部分为二层现浇钢筋混凝土框架结构，所有基础采用C80高强预应力钢筋砼预制管桩，地基设计方案为先用强夯对整个场地进行液化处理后，再填2m厚的粘性土，然后施工管桩基础及地下室。地下室基坑平面为长方形，面积为46.2×28.2=1302.84m2，周长为148.8m，地面高差不大，开挖最大深度为6.5m。地下室周边距主体柱下独立桩基础4.8m。二、工程地质本场地地质勘察报告显示，自然地面以下的地层和土质情况依次为①砂性粘土（素回填土），塑性指数17，约0.2～0.5m厚；②中砂，稍湿～湿，约0.4m～1.5m厚；③中粗砂，局部夹中砂层，很湿～饱和，约4m～5.5m厚。地下水位较高，水位标高在地面以下0.5m，含水层水量丰富，且存在较大的流砂、管涌现象。场地主要土层的物理力学指标见下表：岩土物理、力学性质指标表层位土名主要试验指标密度含水量孔隙比饱和度土粒比重压缩模量压缩系数凝聚力内摩擦角γweSrdsESacφKN/m3%%MPaMPa-1kPa度②中砂17.3130.5672.65160.1025.0③中粗砂17.6130.5732.65150.1024.0三、支护方案选择1、支护特点：是在饱和中、粗砂地基中，坑壁顶面有堆载的浅基坑支护（H≤8m），降水止水、消除流砂管涌确保基坑稳定是关键。该工程基坑施工有如下要求：①工期短。根据整个工程进度，从支护到地下室工程完成仅安排了45天，支护施工必须限定为15天计划；②造价尽可能低。由于投标时地质勘察报告尚未到位，在投标报价中未报此项单价，要求严控投资；③该场地位置比较空旷，对坑壁变形要求不高，但在邻近基坑四周均设计有预制桩独立基础，且地下室周边距柱下独立桩基础仅4.8m，基坑放坡角度不能超限，为了保证基坑开挖与桩基础能同时施工，坑壁要尽可能直立；④据地质报告显示，地下水位较浅，含水层水量丰富，因此地下室基坑降水、支护、开挖必须同步兼顾协调考虑。⑤支护施工方案必须充分考虑饱和的中粗砂层因其坑壁稳定性较差而对边坡支护可能产生的不利影响。以上工程实况是选择支护方案的基本前提，因此寻求技术上合理、可行，经济上可接受，工期上能满足要求的支护方案成为所追求的目标。2、比选方案及其特点据以往经验，该类场地基坑支护通常采用钢板桩、土钉墙等支护形式，这里把不常用的水泥搅拌桩列入比较，它们的主要特点分别如下：①钢板桩：适用于软弱地基和地下水位高且水量丰富的地区，具有强度高、阻水、施工简便、快捷等特点，以H≤4m为宜，但一次投入钢材多。②土钉墙：变形大、抗管涌能力差。适用于地下水位以上或经人工降水之后的人工填土、粘性土和粘砂土，H≤12m为宜。③水泥搅拌桩：截面抗弯刚度、整体性、防水抗渗性能好。适用于深度5～6m的基坑，施工简便，造价低廉。以上各方案主要技术经济比较如下表：基坑支护类型工期施工条件造价钢板桩10天工艺简单但对设备要求较高。约20万元土钉墙25天对设备要求较低，但施工工艺复杂，各工序相互干扰。约12万元水泥搅拌桩15天对工艺及设备要求简单。约8.8万元根据以上综合分析比较，选用水泥搅拌桩支护形式。3、支护结构设计该支护形式原则上可按桩板式挡土墙的设计计算理论进行：①、初定桩长、桩径及入土深度；②、计算悬臂段的主动土压力及锚固段的被动土压力；③、分别进行墙面抗倾覆验算、墙底整体抗滑验算、墙身强度验算及抗渗验算；④、考虑到整个场地预先经过强夯处理，有关计算参数取各土层的平均值φ=300,c=0,γ=20KN/m3,k=3.3×10-4。经计算支护结构采用：①粉喷桩桩长4m，桩径500mm，入土深度2m，水灰比0.45，单行密排，桩间距400mm，相邻桩间搭接咬合50mm。②每根桩顶部插入2ф16预埋钢筋，入桩深度750mm，外露250mm。所有桩顶用截面大小为500mm×300mm、标号为C20的砼圈梁串连，圈梁配筋为4ф25、ф8@200。2ф16外露钢筋均伸入圈梁内并与其钢筋焊连。圈梁以上采用堆码砂袋护坡。③水泥均用425号矿渣水泥，水泥掺量15％。四、施工步骤及主要技术措施1、主要技术措施①强夯施工：原设计是先强夯后填土，经过优化设计之后改为先填土后强夯，这样即可使回填土和原状土地基得以同时加固处理，按设计地面标高控制一次到位，也使在强夯有效影响深度范围内的土体获得了超压密和加速固结，利于坑壁稳定甚至可减小支护桩长。施工中强夯采用二遍点夯，一遍满夯，点夯夯击能3000KN·m，夯点间距5m×6m，满夯夯击能1000KN·m。②原定整个场地桩基施工一次到位，以争取工期，这样位于基坑内的预制管桩必然会影响后续基坑土方开挖，因此在打地下室区域内的预制桩时采用了送桩法，送桩长度最深达6m。既避免了拖延工期，又消除了开挖基坑障碍。③基坑降水：在地下室周围的工程预制桩施工完毕后，在基坑顶面外围沿周边均匀布设十个深降水井，井孔直径600mm，滤水管径400mm，井深13m，成孔后每个降水井放置潜水泵（QY15X25-2.2及以上型号）一台，抽水3天后开始开挖基坑。④粉喷桩施工：沉桩和降水井施工到位后，即可沿基坑周边依次施工粉喷桩，本工程选用PH-5A型塔架式粉喷桩机及XK0.6型空气压缩机。粉喷桩施工的关键是首先确保水灰比及水泥掺量，其次要确保桩与桩之间的有效咬合，尤其在基坑转角处要加大咬合的牢靠程度，除挡土外，还应保证形成挡水帷幕。工程中粉喷桩机提升速度为0.97m/min；喷粉压力0.8N/mm3。此外桩头应复喷。⑤基坑开挖：基坑采用挖掘机小放坡开挖，分上下二级开挖。第一级为3m，待地下水位标高降到地面10m以下及粉喷桩达到强度后才可进行第二级土方开挖。开挖时预先准备数量充足的砂袋，待基坑开挖深度至圈梁底标高时，立即施工圈梁，圈梁以上坑壁分层构筑砂袋护坡，砂袋之间要垫砂抄平。⑥基坑内排水：基坑底面四周设排水明沟及十个集水坑，将基坑内积水集中抽出坑外。四周支护的侧壁均埋设泄水管，以利降低坑壁背面土层中的孔隙水压力。五、工程效果整个施工过程中经历过多场大雨的考验，基坑整体支护工况完好，确保了地下室施工顺利进行，达到了预期的目的和效果。其间曾出现过以下局部异常情况，经采取相应补强和处理措施后均得以消除。1、基坑顶部边缘土体局部出现5mm宽的裂缝；2、到后期有个别粉喷桩在基坑底面处出现裂损现象；3、基坑降水欠到位，地下水位标高仅降至在邻近基坑底部，以至于挖地下室集水坑时出现局部流砂现象。六、结论与体会1、相对而论，粉喷桩的抗压、抗剪强度较高，而抗析强度偏低，因此大都用来对具有一定厚度的软土地基加固处理，形成复合地基，如软土路堤、涵洞基础的地基加固，而用作受弯的支护结构不常见。本工程地下室基坑支护采用粉喷桩是受工期、投资、地质条件所迫，但充分考虑到其可行性，尤其是基坑上部土层具有较高强夯效果的有利条件，可减小粉喷桩支护高度，同时采取了调整强夯与填土顺序、送桩方法、井点深层降水、粉喷桩咬合排列等综合技术措施，最终达到了预期支护效果，并取得了较好经济和社会效益。2、粉喷桩支护结构类似于桩扳式挡土墙，设计计算简单，施工便捷，如果在桩体内插入适量的钢筋或竹筋，可提高其抗弯性能，增大支护高度。3、排桩桩体搭接排列形成惟幕，取到了基坑防水止水作用，根据需要还可采用双排桩错位排列，可增加支护能力和止水效果。a)在饱和砂土地基中，粉喷桩将形成水泥砂浆桩体，如果水泥掺量得当，其抗压、抗剪、抗折强度必将优于软土中的粉喷桩体，对此进一步开展试验研究具有实际意义。b)井点降水效果不够理想，其一是降水井数量偏少，应增多4个为宜，其二是洗井不到位，影响降水效果，在砂土地层中降水井有必要设置套管护壁。