近年来, 随着城市化进程的不断加快, 国家土地资源稀缺的矛盾日渐突出。向地下要空间, 成为缓解城市用地压力、适应城市可持续发展的一个必然选择。在地下空间开发的过程中, 往往周边环境极为复杂, 如深大基坑临近地铁、国家保护建筑、对变形沉降较为敏感的构筑物, 都成为地下空间开发的约束条件。在众多研究文献中, 更多学者和工程人员把重点放在基坑开挖的“时空效应”以及降水对周边环境的影响中, 虽然这是基坑工程中对周边环境影响较大的2个关键点, 但很多时候却忽略了支护施工过程中本身工艺缺陷造成的影响。

柱列式搅拌桩应是国内较普及的工艺, 主要用作SMW工法、止水桩、加固等基坑支护部位, 但随着无数施工过程的积累, 搅拌桩施工时也会产生挤土效应, 导致周边土体侧向位移和地表沉降, 在管线密集和周边保护要求高的地方进行搅拌和高喷的施工挤土效应造成的危害很大^[1]。

大量文献及工程实践证实搅拌桩的挤土效应主要与桩施工数量、施工距离、施工流向有关, 但目前国内深基坑施工周边环境越来越复杂, 搅拌桩施工深度要求越来越大, 没有条件去控制上述有关因素, 需要从工艺本身及施工参数去改变, 适应更复杂的施工环境。

本文先通过对上海某精密加工车间二期扩建项目现场施工时布置监测点, 观察搅拌桩下沉时对土体产生的影响, 并做相关分析;再通过在该项目同样的条件下, 进行双轮铣削等厚水泥土搅拌墙工法成墙试验, 得到监测数据, 将2个工艺产生的挤土效应做对比, 找到挤土效应减小的原因, 最后利用得到的数据应用到新的工程加以证实, 为临近保护构筑物、地铁、历史保护建筑物的深基坑施工提供参考和设计依据。

上海某精密加工车间二期扩建项目, 基坑挖深6.5m, 支护形式采用SWM工法+1道混凝土支撑的支护形式, 柱列式搅拌桩深度为18m, 地质条件如表1所示。

为监测成桩时对周边的影响, 在距离工法桩2, 5, 10m位置分别布置了土体测斜和地表沉降的监测点, 对成桩过程进行数据采集, 如图1所示。

结果表明, 柱列式搅拌桩成桩时会产生挤土效应, 图1a表明对于饱和的淤泥质土层尤为明显, 其变化特征主要体现在:距离越近影响越大, 在淤泥质黏土中侧向位移达到25mm, 10m范围以外影响较小。图1b表明搅拌下沉喷浆及提升喷浆时产生突变, 本次数据显示在距离桩2m位置处的隆起高达10mm。

分析产生挤土效应的主要原因是传统柱列式搅拌桩在下沉和提升时均会注入水泥浆, 对于超深搅拌桩还会在下沉和提升时打入压缩空气防止抱钻, 在高压浆和高压空气作用下, 对现状地层会产生应力和体积扩张, 将会导致土体的侧向位移和地表隆起, 另外由于柱列式搅拌叶片较稀疏, 对于饱和的黏性土及其他透水性较差的土很难打碎, 进而因挤土效应产生的超孔隙水压力会急剧提升, 使挤土效应更为明显。

根据监测数据及产生的原因, 柱列式搅拌桩施工时产生挤土效应可从以下几点控制。

1) 通过控制下沉速度, 减小短时间内的注浆量。

2) 提高搅拌叶片的数量, 使土体与水泥土充分搅拌。

3) 控制气压和注浆压力, 满足要求即可。

4) 尽量远离需要保护的构筑物, 背其方向施工。

通过钻杆下方1对高速旋转的液压铣轮 (见图2) , 对原状土进行充分搅拌, 在下沉和提升过程中喷入水泥浆, 形成厚度为600~1 000mm、宽度为2 800mm的等厚度水泥土墙。

为与传统柱列式搅拌桩有所比较, 本次试验拟选在1.1节中提到的上海某精密加工车间二期扩建项目, 本次试验拟成墙3幅, 地质条件同表1, 深度为18m, 同样在距离墙体2, 5, 10m位置分别布置了土体测斜和地表沉降的监测点, 对成墙过程进行数据采集。施工过程中监测数据如图3所示。

传统柱列式搅拌桩与双轮铣削等厚水泥土墙^[3]的参数对比如表2所示。

由经过28d后取芯的成果可知, 传统柱列式搅拌桩的强度在0.8MPa, 等厚度水泥土墙的强度在1.0MPa, 结果表明等厚度水泥土搅拌墙技术在降低水泥掺量2%、水灰比0.3的情况下通过高速旋转的铣轮提高单位体积搅拌率, 使其搅拌的均匀性大大提高, 将原状土充分打碎, 增大土颗粒的表面积, 使水泥浆更好地起到胶凝作用, 水泥土的流动度更好, 能够有效缓解注浆压力得不到释放而引起的挤土效应。

由图3可知, 双轮铣削技术在距离最近2m的位置较传统的柱列式搅拌技术深层土体位移减少约10mm, 最大位移为13mm, 引起的地面隆起约10mm, 通过本次试验可以充分说明该水泥土连续墙在临近保护建筑要求高的区域能够有效控制变形。

通过对比分析, 基坑支护水泥土桩施工时为将周边环境影响较低到最小, 主要是从外在因素和内在因素2个方面进行控制。外在因素: (1) 先挡土桩再加固桩; (2) 成桩方向背离保护建筑物; (3) 采用跳打使孔隙水压力得到缓解。内在因素: (1) 工艺的改进, 采用双轮铣削等厚水泥土搅拌墙技术; (2) 降低水泥及水的掺入量, 达到设计要求; (3) 增加单位体积搅拌率, 提高水泥土的流动度; (4) 由水平搅拌改为竖向搅拌; (4) 信息化实时监测。

上海某图书馆修缮扩建一期工程, 基坑面积约为4 503m², 周长约330m, 挖深6.05m, 基坑东侧、南侧、西侧均为市政道路, 道路下分布众多管线, 距离围护施工最近的管线仅10.5m, 基坑北侧分布有已有构筑物 (主体为2层混凝土结构、局部为4层) , 距已有建筑物的最近距离约为1.7m。地质情况如表3所示。

1) 项目难点 (1) 周边道路管线保护; (2) 基坑北侧分布有已有构筑物 (主体为2层混凝土结构、局部为4层) , 该构筑物为上海市保护类别为二类的优秀历史建筑, 该构筑物为本基坑工程重点保护对象之一。

2) 基坑支护形式根据上海地区已有大量基坑工程的成功实践经验, 类似基坑工程一般采用板式支护体系, SMW工法+1道支撑, 由于本工程周边环境极为复杂, 考虑到搅拌桩施工过程中产生挤土效应, 不利于历史建筑的保护, 故采用本文中提到的双轮铣削等厚度水泥土搅拌墙技术+1道支撑的形式, 典型支护剖面如图4所示。

为进一步分析基坑施工及开挖对周边环境的影响, 拟采用有限元分析方法预测基坑施工过程中土体的变形及对周边环境的影响情况, 计算中做如下假定。

1) 由于基坑围护墙体、支撑刚度相对于上海软土而言大得多, 因此计算中假定为线弹性体, 以简化计算。

2) 计算中不考虑围护墙体与墙后土体的脱离现象, 认为土体和墙体始终是协调变形的。

计算结果如图5所示。

对于基坑北侧现有构筑物, 由于基坑开挖引起的构筑物基础最大竖向沉降量为9.19mm, 基础的倾斜率为2.25‰, 小于控制标准3‰。

在支护施工时严格按照本文提到的微扰动技术控制要点进行控制, 且正式施工前在保护建筑物内布置地表沉降和深层水平位移的监测点, 从基坑支护施工至结构出±0.000的监测结果如图6所示。

数据表明, 基坑实际施工时周边的构筑物在支护施工时便已开始发生变化, 即本文中提到的挤土效应, 本案中考虑到施工时减少对构筑物的影响, 所以采用双轮铣削等厚度水泥土搅拌墙, 并通过相关参数和流程的控制将构筑物的位移沉降降到最小, 满足了设计要求, 证实了该技术能在施工时对构筑物影响降到最低。

本文对传统工艺产生的挤土效应做了充分的统计分析, 同时通过试验验证了双轮铣削等厚度水泥土搅拌墙工艺的可靠性, 并在工程实际应用中得以证实。研究表明, 传统柱列式搅拌桩在周边环境保护要求不高区域, 可控制施工流向、下沉和提升速度、注浆压力等参数, 降低对地层的扰动;在周边环境要求高, 保护建筑小于围护施工2m范围内, 可采用水泥土连续墙技术, 通过将原状土充分打碎, 增大土颗粒的表面积, 使水泥浆更好地起到胶凝作用, 水泥土的流动度更好, 有效地缓解因注浆压力得不到释放而引起的挤土效应, 为临近保护构筑物的基坑设计及施工提供参考。