塑性黏土深基坑边坡防护处理技术

塑性黏土深基坑边坡防护处理技术

塑性黏土深基坑边坡防护处理技术□李伟东摘要：介绍杭州市灵隐路-梅岭北路地下通道工程明挖段深基坑边坡防护处理技术，根据揭露的地质资料，结合现场施工经验，提出先支再挖、边挖边支、多向结合的综合原则，论述了竖向钢管抗滑桩+工字钢板桩、水平钢管深层注浆+土钉墙支护，以及工字钢框架+网喷混凝土护壁等措施及其工艺要求。　　关键词：塑性黏土深基坑；抗滑管桩；板桩；土钉墙1工程概况　　　　灵隐路-梅灵北路地下通道工程位于杭州市灵隐景区内，工程的主要目的是为改善灵隐路进出风景区的交通繁忙状况，缓解景区交通拥堵现象。　　拟建工程为西湖西部丘陵山区，线路北起灵溪南路，地形平坦，高程在26.18ｍ～25.36ｍ，路宽9ｍ，两侧树木成林；洞身段位于梅岭北路西侧小山包，地形中间高两端低（进洞口地面高程25.99ｍ、出洞口高程22.91ｍ，隧道轴线山包最大高程38.63ｍ）；再下穿普福岭路交叉口，止于吉庆山隧道北接线洞口处。　　1.1工程地质　　本工程由中国水电顾问集团华东勘测设计研究院完成全线勘察设计，根据《工程地质勘察报告》资料，主要有石炭系中统（C2h）结晶灰岩、白云质灰岩、白云岩及第四系（Q）土层组成。场地第四系（Q）土层以山前冲洪积、洪坡积堆积物为主，结构复杂，堆积紊乱，厚度较大（均大于2ｍ）。　　　　工程区地表地质调查未发现崩塌、滑坡及泥石流等不良地质现象，但石灰岩中有岩溶及伴生的土洞发育，表现为溶蚀漏斗、溶洞和溶蚀裂隙等，局部产生地面塌陷现象。工程区地下水类型划分为松散岩类孔隙潜水、灰岩岩溶裂隙水两类，地水位位于通道结构顶部，对工程施工带来一定的影响。　　孔隙性潜水主要赋存于第四系松散堆积层内，直接接受大气降水垂直入渗补给，并向沟谷排泄，潜水流量一般为0.1Ｌ/s～0.2Ｌ/s。　　灰岩岩溶裂隙水主要赋存于黄龙组（C2h）中，流量受岩溶大小影响。一般为24t/h～51t/h。　　K0+865～K0+940段，通过钻孔ZK17、ZK18和ZK19资料显示：该段洞顶为一层碎石混亚黏土，洞身大部为红色黏土，下部及基底为微风化-弱风化石灰岩，黏土为硬塑。围岩划分为Ⅴ级，土石可挖分级洞顶及洞壁以Ⅱ级普通土为主，局部底板为Ⅴ级次坚石。　　1.2工程基坑开挖支护施工　　设计中基底分布不确定灰岩存在，需要爆破施工。由于地下水位处于洞顶，施工时容易引起洞顶及洞壁坍塌，造成地面塌陷，加上受场地限制，基坑不宜直接放坡开挖，应对基坑边坡采取相应支护措施。　　基坑按1∶0.1放坡+土钉墙支护，土钉墙结构由大孔灌浆锚杆+坡面钢筋网喷射混凝土组成。　　　　2塑性软弱黏土土质对施工的影响及原因分析　　　　2.1原因分析①实际施工揭露后，基坑壁岩土地质与勘察设计存在一定出入，不良地质影响较为严重。 根据施工揭露的K0+940～+881段和K0+881～+865段上部基坑，通道顶部较为平坦，地面经过反复开垦和种植，基坑上部2.0m～3.0m为沉积淤泥层腐植土；洞顶及洞壁主要以红色黏土，质软可塑性较大，极易引起鼓胀和下坠；洞身下部红泥夹孤石（孤石粒径不均，在1.0m～3.5m之间）。②东侧桩号K0+868～K0+880连续施工管桩时在孔深11.57m（已经超过基底深度）都没有遇到岩石，与原设计基底为下部及基底为微风化～弱风化石灰岩，实际地质与勘察报告有出入。③该位置处于两山谷交汇底部又与梅岭北路顺向沟谷相通,为冲沟地形底部，岩土从地表至结构经过深度均较为塑软。④横穿基坑上部有长流水过水涵洞（4.2m×2.7m）通过，纵向K0+887有一水沟长年流水渗透，致使该处覆盖层及洞身岩土甚为薄弱，甚至具有一定的“流动性”。⑤根据《工程地质勘察报告》，ZK18和ZK19岩芯资料,岩溶岩隙发育,增加了洞身岩体结构的不确定性。⑥处理地段基坑紧挨梅灵北路西侧边缘直行，交通流量较大、白天晚上通车频繁，一定程度上加剧了施工中基坑边坡稳定性的破坏。⑦按设计采用土钉墙支护形式进行分段逐级下挖和支护过程中，经过监控量测数据反映以及现场观察，基坑边坡变形严重，两侧有明显沉降和收敛。⑧经过杭州市土木建筑学会有关专家，会同设计、监理单位，对本工程该地段基坑进行认真分析，认为现场情况与原设计存在一定出入，有必要进行加强维护措施。3设计参数及施工方案选择　　　　根据专家意见，结合现场实际地质情况，该段深基坑边开挖和防护施工中存在较大安全隐患，需要加强对该段支护，调整支护参数和方式：　　（1）保留原设计支护方式，过程中逐步土钉墙。　　（2）竖向在基坑两侧施工竖向钢花管（φ108）纵向间距50cm，抗侧滑鼓胀。　　（3）基坑C20喷射砼临时坡面10cm厚+20cm厚网格20×20cm单层钢筋网护壁。　　（4）基坑两侧坡面各施做五排水平施工15°（向下）φ108抗剪切钢管，同时基坑东侧坡面1.0×1.0m网格I20a工字钢与之焊接成整体，以加固坡面深度内的塑形黏土蠕移作用。　　基坑西侧坡面（靠山侧）进行台阶式卸载施工，施工三排I20a工字钢竖向板桩；为保证下边墙及基底工程施工，基坑两侧坡面的坡脚各施做一排I20a工字钢竖向板桩。　　（5）基坑两侧坡面增设临时水平支撑，支撑材料采用I20a工字钢组合而成，支撑之间用单根I20a工字钢焊接整　　体，必要时设置垂直顶撑直接支顶水平支撑，增加刚度，预防扰动拉裂坡面防护。　　　　4施工工艺流程 　　　　4.1施工步骤　　见图1。　　4.2施工方案　　4.2.1抗侧压防滑坍钢管桩施工　　在基坑两侧沿线路纵向施工竖向钢花管（φ108，d=6mm）各一排，钢管纵向间距50cm，为增加钢管的刚度，建议每一根管内插入Φ22钢筋，然后往管内注入水泥砂浆。管桩深度确定：上与路面结构层基层顶平起，底部以深入基坑2.0m为止，（根据测量以及对照设计长度在12～15.0之间）。　　4.2.2喷砼临时封闭基坑坡面　　基坑两侧按原设计1：0.1逐级开挖刷坡，在方便操作的范围内先进行10cm厚的C20喷射混凝土临时封闭基坑坡面，防止坡面的碎塌并引发大面积位移。　　西侧（靠山侧）先进行台阶式卸载施工，施工三排I20a工字钢竖向板桩。　　4.2.3基坑土钉墙支护施工　　土钉墙结构由大孔灌浆锚杆+坡面钢筋网喷射混凝土组成。土钉竖向间距1.0m，纵向间距1.5m，水平倾角15°，最深剖面处设置九道土钉，土钉深度自上而下为9m、9m、9m、8m、7m、6m、5m、4m、3m。坡面采用10cmC20喷射混凝土护面，喷射混凝土内配φ6.5@200×200双向钢筋网，以及纵向通长连接筋。　　4.2.4抗剪及加固基坑土体的水平钢花管施工　　从基坑顶起按2.0m高度施工一排竖向钢花管（φ108，d=6mm），每侧各施工五排，钢管长度统一为9.0m长；布置参数为横向×纵向=2.0m×1.0m。施工时，钢管角度与水平方向向下15°为宜。　　4.2.5坡面I20a工字钢骨架贴面防护（东侧）　　该段土体塑软，受长期地下水影响，开挖揭露的基坑坡面有鼓肚凸出引起行驶道路路面开裂，并牵引产生纵向多道裂缝或裂隙，宜采用时间短见效快的I20a工字钢骨架贴面防护。 　　　　设置：基坑坡面按横向×纵向=1.0m×1.0m间距方格网格布置I20a工字钢骨架，连接处均采用焊接成型；并且与抗剪水平钢花管连接起来整体稳定土体结构。　　4.2.6坡面整体C20喷砼30cm封闭　　完全清理坡面杂物，按照20cm×20cm网格间距在坡面上布置Φ6.5钢筋网双层，并引导集中出水点，逐级往下喷砼30cm，完全封闭坡面。在此支护可以继续往下开挖和下一步施工。　　4.2.7高边坡侧（靠山侧）及坡脚施工I20a工字钢板桩　　虽然对高边坡进行了一定的卸载，减轻了上覆土体一些高压，但由于塑软土体厚度太大，流动性隐力仍然较大，必要对此进行抗滑桩处理，防止整个山体的“搬迁式”位移。　　右侧高边坡布置：三排，长度分别为6.0m、8.0m和10.0m（由外向内布置）；纵向间距均为33cm（每1m施工3根），排间距1.5m~2.0m。　　坡脚（东侧）：一排，长度为6.0m布置，纵向间距均为33cm（每1m施工3根），主要为基坑下部施工作抗滑支护。　　4.2.8增设临时I20a工字钢水平横撑等　　底板混凝土顶面高2.5m、8.0m和10.0m处各设置组合I20a工字钢横梁支撑(主梁)，横梁支撑由单根I20a工字钢（托梁）焊接整体；由于横梁跨度较大必要设置垂直顶撑（I20a工字钢）直接支顶水平支撑，增加刚度，预防扰动拉裂坡面防护。参数：支撑横梁纵向间距2m，纵梁设置三排，垂直顶撑为二排。5主要设备、材料、人员　　　　（1）主要设备见表2。　　（2）主要材料。Φ108钢管（壁厚6mm）、I20a工字钢，C20喷射混凝土、Φ6.5圆钢及螺纹钢Φ22。　　（3）人员。电气焊工、架子工、钻机熟练工、喷射混凝土操作手、水工等。　　　　6主要项目施工技术方法及要求　　　　6.1基坑开挖 　　（1）布置监控量测点，做好技术交底。在基坑开挖前，必须在影响基坑施工范围以外布置好监控量测点网，既要满足施工测量放样要求，更要满足对基坑施工边坡及有关建筑物稳定和安全的量侧要求。开挖基坑前，对施工人员进行技术交底，让每一位施工人员熟悉掌握本工程所执行的各项技术措施、技术标准。　　（2）由于基坑位于梅灵北路边缘西侧，而梅灵北路交通量较大，为保证正常道路通行需要，基坑开挖前应先对梅灵北路优先进行抗滑桩施工；基坑边缘西侧为高边坡，且边坡土质塑软，存在流动性隐力，为防止下挖时整个山体的“搬迁式”位移，以及减轻下部基坑开挖时上覆压力，宜对土体进行一定的卸载。卸载后与东侧梅灵北路高度基本一致，避免或减少侧压力影响。　　（3）基坑开挖遵循“竖向分层，先支后挖，减少挠动”的施工原则，采用人工配合反铲自上而下分层、纵向开挖，随挖随撑，维护基坑稳定。　　6.2施工排水　　（1）东侧用混凝土筑挡引排地表水至影响范围以外，西侧开挖截水沟引排地表水。　　（2）在已经施工好的仰拱前设置集水坑，用污水泵将地下水及时抽出，确保基坑安全。　　6.3Φ108钢管抗滑桩施工　　（1）在基坑两侧沿线路纵向按@50cm间距测量标志每一根管桩的位置，利用地质钻机垂直钻入土体，在达到设计预定深度后，再借助钻机送入钢花管（φ108，d=6mm），插入Φ22钢筋笼束。钻孔尽量逐根间隔进行，并及时装入钢筋笼。　　（3）抗滑桩施工的质量好坏，直接关系到基坑边坡的稳定与否。因此保证每一根管桩的深度达到、垂直度不偏离、线形成排以及注浆的压力和效果，并做好每一根的施工记录。　　（4）往管桩内注入M10水泥砂浆，浆液水灰比宜小。注浆时应通过胶管直接插入管桩底部，从管底开始注入并慢慢往上拔出；浆液输送要连续，始终包裹输送胶管，直至胶管和浆液同时从管桩顶部溢出，单根注浆即结束。　　（5）Φ108管桩前端（底部）宜制成锥状，防止孔壁塌落碎块进入管内。　　6.4I20a抗滑桩施工　　（1）基坑西侧外缘施工I20工字钢抗滑桩，按@33cm间距在场地圈出并标记。　　（2）由于土体塑软，可借助挖机垂直往下直接将I20工字钢顶入土体中；也可以利用地质钻机先钻孔成型，然后顺孔壁顶入I20工字钢，但孔壁空隙需要及时灌满水泥砂浆充填。　　（3）同样I20工字钢板桩的垂直度、预制深度也必须复核要求，即垂直度不偏离±3°，桩深度为≮设计或方案深度的±5cm。　　（4）基坑基底两侧增设一排I20a抗滑桩施工，间距、施工要求及施工方法与上述一致，以防隧道施工仰拱时的基底底鼓以及保护基坑基脚的牢固，长度以6.0m为宜。　　（5）做好板桩施工记录。　　6.5坡面土钉墙施工　　每层每段土方开挖以后，人工修正边坡，边坡系数不陡于设计要求。喷射第一层砼，厚度控制3cm～5cm。土钉采用地质钻机成孔（同时配备钻杆成孔设备）。注M20水泥砂浆，制作安装土钉。绑扎钢筋网片，留搭接钢筋，设置土钉加强筋，及锁定筋。喷射第二层砼至设计厚度。每层每段开挖第二层土方，按此循环，直至达到设计要求的标高。　　6.6喷射混凝土施工　　（1）基坑两侧坡面面防护采用C20喷射混凝土封闭，其施工工艺要求同常规隧道工艺要求一致。 　　（2）本工序分为两次进行，第一次先喷射10cm临时封闭坡面，为水平钢管施工、工字钢框架做准备；第二次为最终封闭坡面30cm厚度的网喷。　　（3）值得指出的是，由于地下水发育，喷射混凝土封闭坡面之前，应将坡面出水面集中引出，并通过胶管导入集水井，然后由水泵往外泵出。　　6.7Φ108水平钢花管施工　　（1）Φ108水平钢花管施工主要是抗剪及加固基坑土体作用，其施工工艺要求同常规隧道工艺要求一致。　　（2）从基坑顶起往下2.0m布置第一排，上下排高度间距为2.0m，每一排钢管纵向间距为1.0m。　　（3）基坑边坡两侧各施工五排，钢管长度统一为9.0m长，钢管材料为钢花管（φ108，d=6mm），布置参数为横向×纵向=2.0m×1.0m，按三角形点位布控。（4）施工时，钢管角度与水平方向向下15°为宜，以抵抗土体下坠改善受力。　　6.8坡面I20a工字钢骨架贴面防护（东侧）　　（1）该段土体塑软，受长期地下水影响，开挖揭露的基坑坡面有鼓胀凸出引起行驶道路路面开裂，并牵引产生纵向多道裂缝或裂隙，宜采用时间短见效快的I20a工字钢骨架贴面防护。　　（2）基坑坡面按横向×纵向=1.0m×1.0m间距方格网格布置I20a工字钢骨架，连接处均采用焊接成型。　　（3）坡面I20a工字钢骨架与抗剪水平钢花管连接起来整体稳定土体结构。　　（4）布置要紧贴岩土表面，平顺，不得侵限以及出现尖锐锋角（尤其是下部底端）。　　　　7施工质量保证措施　　　　7.1土钉墙施工质量保证　　（1）孔距允许偏差±100mm，孔深允许偏差±50mm，孔径允许偏差±5mm，成孔倾角允许偏差±1°。　　（2）钢筋网用钢筋采用双面焊接，尤其是锚固头端；保证C20喷射混凝土厚度和强度。　　（3）注浆时，注浆管应插入距孔底250mm～500mm处，孔口部位宜设置止浆塞及排气管。　　（4）土钉抗拔力达到：Nt=M（KN/m）×Ln，（Ln为土钉杆体注浆长度；孔径80mm，M=20；孔径110mm，M=25；孔径150mm，M=35）。　　7.2管桩施工质量保证　　Φ108钢花管管桩钻进、安装施工。管桩的终孔注浆（水平管桩）。　　做好施工技术和质量要求交底，严格按照基坑开挖方案和保证质量的施工技术措施的要求进行施工；明确各级质监人员的责任，在过程中协力抓好本工程的施工质量。　　做好原材料、加工、现场操作、真实记录等过程控制。材质不符合、加工粗糙的材料堵截进入操作现场，及时纠正现场操作不规范的行为，真实记录每一个细节。　　严格按照设计要求和施组开挖，严禁超挖、欠挖，做到坑壁平整。坑壁超挖采用C20喷射混凝土喷平接顺。关键工序和项目控制，应严格按“主要项目施工技术方法及要求”执行。　　　　作者简介：李伟东，男，1972年11月年出生，1993年毕业于石家庄铁道学院桥梁工程专业，工程师。