基坑围护设计施工中止水问题历来是个比较棘手的问题, 特别是在江河流域大部分地区基坑开挖范围内都以砂土层、圆砾层、卵石层为主, 地下水系发育且受到江河补给的影响很大。目前在杭州、丽水、泉州等地开挖2, 3层地下室的时候均遇到了深厚的卵石层问题, 这一类卵石地层中的止水和砂层中的止水有很大区别。通常在砂土层中可采用的地下水止水帷幕有单 (双) 轴搅拌桩、三轴搅拌桩、高压旋喷桩、素混凝土咬合桩、地下连续墙等^[1,2]。单 (双) 轴搅拌桩法、高压旋喷法等作为基坑的止水结构已经非常普遍, 但在卵石层中应用成功的案例很少;素混凝土咬合桩、地下连续墙等虽具有抗弯能力强、刚度大等特点, 且适用于诸如卵石、岩石等各种地质条件, 但在卵石地层中也有失败的案例, 且开挖2, 3层地下室采用地下连续墙围护显然是不经济的;在砂土中采用三轴搅拌桩作为止水帷幕已得到业内的广泛认同, 但在卵石地层中施工时, 受机械功率限制, 在卵石层中难以搅动^[3]。通过改进传统三轴搅拌桩机的钻头和叶片, 同时增大桩机动力头功率, 可以解决普通三轴机械在卵石地层中成桩困难的施工技术难题。因此, 针对此类地质情况开展了相关研究, 对类似工程的围护设计、施工积累经验具有重要的理论和实践意义。

本文介绍了超级三轴 (SSMW) 工法的结构形式及工法特点, 通过杭州某基坑围护设计与施工实例, 系统介绍了超级三轴工法在卵石地层中的设计与施工应用;并分析了卵石地层中各种围护结构的止水效果与工程造价;提出了一套适用于卵石地层中止水、挡土的工法技术。通过该项目的成功运用, 得出了一些有益结论, 可以为今后类似工程的围护设计、施工提供有益参考。

超级三轴工法 (见图1) 是由传统的型钢水泥土搅拌墙 (SMW工法) 升级演变而来, 简称为SSMW工法 (super soil mixed wall) , 是一种连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入型钢形成的复合挡土隔水结构^[4]。超级三轴工法是一种适用于卵石地层、强风化岩层等坚硬地层中的三轴水泥土搅拌桩施工工法。即通过增大搅拌桩机动力头功率, 同时对桩机钻头和叶片进行改进 (见图2) , 利用改进后的钻头就地钻进切削土体, 同时在钻头端部将水泥浆液注入土体, 并充分搅拌土层后形成水泥土固结体, 随着灰结反应的持续, 水泥土的强度得以稳定提高, 在卵石地层中水泥土强度可提高到1MPa以上, 渗透系数可达10^-7~10^-8cm/s。通过连续的重叠搭接施工, 在水泥土浆液尚未硬化前将H型钢插入搅拌桩体形成挡土、止水为一体的复合围护结构^[5]。

超级三轴 (SSMW) 工法是由传统的三轴搅拌桩施工工艺发展而来的, 这种工法克服了传统的三轴搅拌桩在卵石层中成桩效果差、止水效果不理想等施工难题, 土层适应性更强, 对周边环境的影响小, 最大钻孔深度可达55m。该工法与传统的基坑围护结构相比不仅工期短, 施工过程无污染、场地整洁干净、噪声小, 而且基坑围护结构的造价也可大大降低^[6]。

超级三轴工法可用于河流改造中防水围堰、大坝防渗墙、埋设管道时作保护墙等, 其主要具有以下几个方面的技术特点。

1) 止水抗渗性能好, 根据不同土质选择相应的钻具, 可使桩体水泥浆与周围土质反复充分搅拌, 全长无裂缝。

2) 适用范围广, 适用于黏性土、粉土、砂土、砂砾土、饱和黄土以及粒径2~15cm的卵石层。

3) 除特殊情况限制, 型钢在地下室施工完毕不能拔出外, 绝大多数情况型钢可以拔出重复利用, 避免围护体遗留在地下形成永久障碍物。

4) 在卵石层中的基坑围护造价比传统的施工工艺大大降低, 与钻孔咬合桩相比降低20%以上。

5) 施工速度快, 施工工艺简单, 成桩速度快;施工能力强, 最大有效施工深度可达55m。

6) 环保节能, 施工过程无污染, 噪声小, 无需回收处理泥浆。废土外运量远比地下连续墙、钻孔灌注桩等少, 是一种绿色工法。

杭州某基坑项目位于杭州建德市新安江收费站出口以东, 沪瑞线以南, 新安江以北。该项目为某研发中心一电梯试验塔基坑, 基坑面积400m², 开挖深度11.3m, 基坑周边基本上是空地或待拆迁区域, 环境条件较好。

基坑开挖深度范围内主要土层有 (1) 杂填土、 (2) 粉质黏土、 (3) 粉砂、 (4) 圆砾、 (5) 卵石, 下部为 (6) 灰褐色奥陶系粉砂岩。该场地位于建德市, 属于新安江一级阶地, 地下水类型为第四纪孔隙潜水, 主要赋存于素填土层和卵石层中, 透水性强、水量大, 且地下水主要由地面降水和新安江水的侧向补给。 (4) 圆砾层厚4~4.5m, 圆砾呈次浑圆状、次棱角状, 粒径一般为10~20mm, 含少量粒径50mm以上的卵石, 重型动力触探击数为12.2~29击/10cm; (5) 卵石层厚4.3~4.8m, 粒径一般为20~100mm, 局部含漂石, 重型动力触探击数为11~30击/10cm; (6) ₁层为强风化粉砂岩。

结合该项目基坑开挖深度、水文地质特点, 其特点总结如下。

1) 基坑开挖深度11.3 m, 可优先选用钻孔灌注桩或型钢水泥土搅拌桩 (SMW工法) 工艺;采用咬合桩不仅施工成本高且容易出现漏水;采用地下连续墙工艺经济性较差。

2) 地下水丰富, 基坑开挖范围内地层主要为粉砂、圆砾、卵石等透水性强的土层, 止水要求高。

3) 基坑开挖范围内, 卵石层、强风化岩层中止水施工困难, 常规三轴水泥搅拌桩难以成桩, 高压旋喷桩单管法、双管法在卵石层中成桩效果差。

由于围护桩需入岩, 若采用咬合桩需考虑能硬切割混凝土的咬合桩, 如RT工法或双动力随钻跟管潜孔锤钻机, 但造价相当高。若采用三轴搅拌桩, 采用一般的三轴搅拌桩钻机难以穿过 (4) 圆砾和 (5) 卵石层, 需采用超强三轴搅拌桩钻机, 施工造价比普通三轴搅拌桩钻机稍高些, 但比硬切割的咬合桩低得多。表2对两种基坑围护方案每延米 (按20m桩长) 的围护桩概算造价 (直接费) 进行了分析比较, 单从围护桩分项就节省造价3.71万元/m左右。

参考以往类似工程的经验, 超级三轴 (SSMW) 工法桩:施工1幅桩 (1.2m/幅, 共190幅) 需90~100 min, 共需约24 d。咬合桩:共素混凝土桩与钢筋混凝土桩共约415根, 需约45~50d (考虑做咬合桩施工时工效略低) 。

相比较而言, 采用超级三轴工法可以节省近一半工期。

该项目采用SSMW工法内插H700×300×13×24 (插一跳一) 结合2道钢筋混凝土支撑支护, 基坑止水帷幕必须穿越 (5) 层卵石并穿透强风化或者进入中风化岩20cm, 典型基坑围护剖面如图3所示。

通过基坑监测信息和现场开挖情况, 基坑变形在设计控制范围之内且围护墙表面干燥、墙面无渗漏现象。超级三轴工法止水效果良好, 围护结构稳定, 从图4基坑侧壁可以看到整个基坑围护的止水效果非常好, 止水帷幕没有出现漏水和渗水现象。

1) 超级三轴 (SSMW) 工法通过改进传统三轴搅拌桩机的钻头和叶片, 同时增大桩机动力头功率, 可以解决普通三轴机械在卵石地层中成桩困难的施工技术难题, 适用的卵石层厚度可达5~8m, 卵石粒径最大可达15cm。

2) 超级三轴工法是一种连续套接的三轴水泥土搅拌桩内插入型钢形成的复合挡土止水结构, 在卵石地层中水泥土强度可提高到1MPa以上, 渗透系数可达10^-7~10^-8cm/s。

3) 超级三轴工法对土层适应性更强, 成桩效果好, 噪声低, 对周边环境影响低, 最大施工深度可达55m。在卵石地质条件下, 超级三轴工法与其他止水结构相比, 具有造价低、工期短、止水效果好等优势。

4) 超级三轴工法成功应用于杭州某工程基坑围护项目, 通过基坑监测信息和现场开挖情况, 基坑变形在设计控制范围之内且围护墙表面干燥、墙面无渗漏现象。超级三轴工法止水效果良好, 围护结构稳定, 可为今后类似工程的设计、施工提供参考。