由于昆明市超大型深基坑的不断涌现,基坑工程中锚杆(索)使用超出建设用地范围或道路红线的情况十分普遍,为更好地保护和有效利用地下空间资源,实现地下空间可持续开发利用和对既有建筑物与地下设施的有效保护,昆明市发文限制基坑工程中的锚杆(索)使用。由于锚索的限制使用,在昆明的深基坑支护设计方案选择中大大受到限制。若采用悬臂桩支护结构,只能适用于较浅的基坑;双排桩在深基坑工程使用时若不增加横向支撑结构,会使基坑产生较大变形,影响基坑周边产生裂缝等;采用内支撑支护结构,存在造价高、施工工期长等缺点。鉴于以上因素,考虑在排桩支护结构增设水平或斜向加芯旋喷桩,既不超出建设用地红线,又能控制基坑变形,所以将加芯旋喷桩引入深基坑支护中,对基坑工程的设计、施工都具有重要意义。

双排桩支护+加芯旋喷桩复合式支护结构是在原有双排桩之间设置几排水平拉力,使双排桩之间除了冠梁层的连接外在桩身也增加几道水平约束,从而控制双排桩深层水平位移,减小双排桩桩身弯矩和嵌固深度。桩身所增加的水平约束,通过加芯旋喷桩实现,加芯旋喷桩可采用旋喷桩机水平或者呈一定角度成孔,端部通过高压旋喷扩孔,成孔后内插钢管、钢筋、型钢、微型预制桩等不同结构构件,使之与双排桩连接成一体,共同受力。设有加芯旋喷桩的双排桩结构能够克服常规双排桩结构在超深基坑工程中的不足,有效增加双排桩结构的抗倾覆能力和刚度,有效控制基坑开挖过程中的桩体位移,同时还能适当减少后排桩的桩长,节约工程造价。

桩身设有加芯水平旋喷桩的双排桩结构如图1所示。在前排桩和后排桩的施工过程中,分别在其钢筋笼上同一深度位置预埋相同直径的预埋管,成桩施工结束后,待基坑开挖到预埋管深度位置,沿着前后排桩桩身中的预埋管施工水平旋喷桩。旋喷桩采取分段或连续旋喷施工,前后排桩桩间位置全部旋喷固结,若采用分段型旋喷桩,其末端位置的旋喷直径相应增大,形成扩大头的锚固体。旋喷桩施工结束后,在其桩体质量稳定前,将内插结构构件插入其中。

双排桩支护结构是一种新型的基坑支护结构,与普通排桩相比,它具有侧向刚度大、基坑变形小、施工工期短等优点,被广泛应用于基坑支护中。但国内外基坑支护中所采用的双排桩多为常规悬臂式双排桩,并且适用于较浅的基坑中,若用于深基坑中,需加大桩径、增加桩长,同时却不能很好地控制桩顶变形,施工成本较高,局限性较大。桩身设有加芯水平旋喷桩的双排桩结构,是一种复合型双排桩支护结构,以降低双排桩自身结构的造价作为出发点,同时研究双排桩的适用性,其主要技术优势如下。

1)采用双排桩增加水平锚力技术,提高双排桩整体刚度,能很好地将前后排桩以及桩后土体连接在一起,可有效增加双排桩支护结构的抗倾覆能力和刚度,提供较大抗力,有效控制基坑开挖过程中的桩体位移,提高双排桩适用性。

2)施工简单,速度快,结构稳定性好。

3)增设水平旋喷桩,减小双排桩弯矩,降低桩配筋率,较好地节约投资。

4)适用性广、对周边环境影响较小。

昆明某休闲园改扩建工程,建设场地位于昆明市滇池路与红塔西路交会路口,地貌上属于昆明湖积盆地之中。项目工程拟建场地拟建办公楼3层,设地下室2层。基坑开挖深度约为10.5m,基坑周长约为340m。

基坑工程周边环境平面布置如图2所示,图中阴影面积为本基坑工程范围,因本工程为改扩建项目,基坑周边为已建建筑物C,D,E1,E2,E3栋等以及市政道路,基坑周边各侧具体布置情况如下:①基坑北面为已建建筑E1,E2,E3栋,3栋建筑物均为管桩基础,其中E1栋距离基坑开挖线9.7m、E2栋距离基坑开挖线16m、E3栋距离基坑开挖线24m,同时距离基坑开挖线3.5m处还存在已拆建筑物的旧基础,为管桩桩基础。②距离基坑南面13m为市政红塔西路,道路宽18m,日常车流量较大。③基坑西面为已建建筑物D栋,距离基坑约5m,该建筑为在使用中的游泳馆,管桩基础。④基坑东面为市政道路滇池路,日常车流量很大,滇池路最近处距离基坑约4m,同时道路下方管线密集。

根据本工程的岩土工程勘察报告,场地地基土表面为杂填土,其下为冲洪积相、湖相、湖沼相沉积的黏性土、粉土、泥炭质土层等。地层层位在水平方向和垂直方向层顶埋深及厚度均有一定的变化起伏,反映出沉积环境受水流、物质来源等多种因素的影响结果。基坑底以上主要分布土层为①₁杂填土、②黏土、③₁泥炭质土、③粉土(该层土非常厚,平均厚度为8m),基坑底落在③粉土层上。各层土的物理力学参数如表1所示。

地下水类型主要为孔隙潜水,孔隙潜水主要靠大气降雨及地表径流补给,通过蒸发排泄。孔隙潜水主要赋存于粉土层中,富水性弱,场地稳定的地下水位在1.30~2.10m,③粉土层的渗透系数K为0.56m/d,富水性弱;按混合抽水计算,影响半径为21.50m,根据基坑的尺寸及开挖深度,估算的基坑疏干量为991.9m³/d。

基坑距离已建建筑较近,没空间采用放坡处理,同时因地下障碍物较多,锚索不能够使用。若采用双排悬臂桩支护,通过计算,本基坑的坑顶变形将达40mm,不满足规范要求,经过多方案比较,选用大距离双排灌注桩+水平加芯旋喷桩(见图3),灌注桩桩径为600mm,排桩间距为1.5m,排距2.5~3m(视场地情况而定),桩身设1道水平加芯旋喷桩。

采用长螺旋钻孔灌注桩+预应力锚索进行支护(见图4),灌注桩桩径800mm,桩间距为1.2m,桩身设4道预应力锚索。

根据地质状况,基坑使用全封闭止水帷幕。坑外设截水沟,坑内设排水沟并且需进行随挖随降,现场对周边排水管网进行疏通和加固,并对坑顶地表做有效封闭,防止地表水大量渗入土体,对护壁造成严重影响,确保护壁安全。

桩身设有加芯水平旋喷桩的复合型双排桩支护结构在本基坑中成功应用,解决了复杂环境下深基坑设计与施工中的难题。根据监测报告,最大位移量在2cm左右,未达到2.5cm报警值,监测结果如图5所示。证明采用复合型双排桩支护结构,其支护结构稳定性强、安全性高、工期较短。

桩身设有加芯旋喷桩的复合型双排桩支护结构施工流程为:计算确定前后双排桩的施工参数→施工准备工作→制作钢筋笼,在钢筋笼上设计位置安装和绑扎预埋管→前后排桩及冠梁、连系梁施工→土方开挖至预埋管深度位置后,进行旋喷桩成孔、旋喷施工→在旋喷桩桩体质量稳定前插入钢筋→腰梁施工→钢筋张拉→继续开挖基坑。

施工准备工作分为材料准备、施工机具准备、工作面等。材料准备包括钢筋、预埋管、水泥、钢筋混凝土方桩、锁具等,施工机具准备包括桩机、高压旋喷钻机、100型地质钻机、高喷台车、高压泵、千斤顶等。

加芯旋喷桩是利用高压旋喷台车把安有喷嘴的注浆管通过高压水泥浆切割土体至设计标高,利用高压设备使喷嘴以一定的压力把浆液喷射出去,高压射流冲击切割土体,使一定范围内的土体结构破坏,浆液与土体搅拌混合固化,随着注浆管的旋转和提升而形成圆柱形桩体,并在末端进行高压扩孔形成扩大头,再将钢筋混凝土方桩插入水泥土中,凝固后便在土体中形成圆柱形状、有一定强度的固结体,最终形成加芯旋喷桩。

根据设计图及标高控制点等资料,测量放出加芯旋喷桩桩位,请监理工程师复测验收。在不受施工影响的地方设置若干个标高控制点。用全站仪及水准仪测量定位,并经二次检测确认无误后方可确定旋喷孔位,并在孔位之上做明显和稳定的标记。

钻进成孔采用高压水泥浆切割土体成孔并扩孔。

钻孔直径和深度:钻孔时,其成孔直径为150mm,扩孔段直径为300mm,终孔深度为设计要求深度以下500mm。成孔时若出现垮孔,采用优质膨润土作为制浆用主要材料。施工时,分别建立泥浆系统与高喷水泥浆系统,防止串浆、混浆。

注浆材料为水泥水玻璃浆液,水灰比为0.75∶1~1∶1,水玻璃掺入量为2%~4%。选用ZJ-400型高速搅拌机搅拌,纯拌合时间≥1min,且应连续制浆。由送浆工对浆液浓度、密度、温度和时间等进行检测和记录,据此控制浆液质量。

地面试喷:钻孔验收、高喷台车就位并对准孔口后,为了直观检查高压系统的完好性以及是否能够满足使用要求,首先应进行地面试喷。

开喷:喷管先至指定深度后,拌制水泥浆液,即可供浆、供水开喷。待各压力参数和流量参数均达到要求,且孔口已返出浆液时,即可按既定的提升速度进行喷射灌浆。

高喷灌浆保持全孔连续一次作业,作业中因拆卸喷射管而停顿后,重复高喷灌浆长度≥0.3m。

在高喷灌浆过程中,出现压力突降或骤增、孔口回浆浓度和回浆量异常,甚至不返浆等情况时,查明原因后及时处理。

1)预应力锚杆索体采用HRB400级28钢筋。钢筋根数及长度按设计进行施工。钢筋进场时应逐盘进行检查,应有出厂证明或试验报告,其表面不得有裂缝、小刺、劈裂、死弯等机械损伤和油迹。钢筋的力学性能应抽样检验,检验合格后方可使用。

2)钢筋锚杆加工锚杆编制在现场的锚杆工棚内进行。将同长度的钢筋平铺在工作平台上,编束时按照要求锚固段使用隔离架,隔离架的间距为1.0m,自由段每1.5m设架线环。对于已出现严重锈斑的钢筋不得用于束体编制,对于有少量锈斑的钢筋,必须先除锈后才能使用。锚杆编束完成后,沿长度方向检查是否有扭转和弯曲情况,如存在上述情况应解束,重新编制。编制好的锚杆应进行外观检验,挂上孔号牌,同时对各单元锚杆进行标记,以便后序张拉。

3)确定钢筋下料长度下料长度按公式:L=S+1.5计算确定,L为钢筋下料长度,S为各单元锚索计算长度。

4)钻孔完毕后应尽快将锚杆下入孔中。锚杆的安装采用倒悬穿锚法,利用重力滑入孔底。

5)钢筋下料钢筋在专用的生产线上按照事先计算确定的尺寸进行定长下料,其断料采用砂轮切割机。

6)钢筋张拉锁定在锚杆的前端采用导向帽将锚杆锁紧,该导向帽可以保证锚杆在穿索过程中顺利下滑。采用P型锚具,所用锚具及夹具均应符合《预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程》JGJ85—2002的规定。锚垫板采用200mm×200mm×50mm钢板,使用的锚具要有出厂合格证和质量检验证明。锚具在使用前,除应按出厂合格文件核对其锚固性能级别、型号、规格及数量外,还应进行外观及硬度检查。高压旋喷施工完成至少12d以上,注浆体强度达到设计要求75%以上方能进行锚杆张拉。

桩身设水平加芯旋喷桩的复合型双排桩支护结构,虽然比传统的放坡开挖、桩锚支护结构造价稍高些,但是传统的放坡开挖与桩锚支护无法达到基坑安全及基坑变形的要求。复合型双排桩支护结构是在保证基坑安全条件下最优的支护方式,与内支撑、地下连续墙等支护方式相比,其费用降低很多,也缩短了工期。本文通过工程实例,证明复合型双排桩支护结构的稳定性、安全性、可行性,解决了深基坑支护的难题,节约了基坑支护成本,取得了不错的经济效益,同时为本工程缩短了工期,具有非常可观的社会效益。

但同时仍然存在以下问题。

1)复合型双排桩支护结构的设计计算方法还不够成熟,实测数据还不多,受力机理不够清楚。

2)复合型双排桩基坑外侧需要有一定空间,以利于双排支护桩的实施,因此对于场地极其狭小的场合,该支护形式的使用受到限制。

3)复合型双排桩支护结构选型难度大,需要有丰富经验的设计人员才能选择合适的复合型双排桩支护结构。

针对以上问题,提出以下改进措施,使复合型双排桩能在更多的基坑工程中得到应用。

1)进行双排桩支护结构的设计计算时,采用多种深基坑计算软件分别进行计算,根据已施工双排桩工程的基坑监测数据,为后期工程设计提供参考经验。

2)充分利用基坑外侧空间,借用红线以外空间,施工在红线以外的支护桩需采用加芯水泥土桩,基坑回填后,将内插构件回收,恢复红线以外场地为原状。

3)复合型双排桩支护结构选型前需对现场及基坑开挖要求进行详细分析,委托有丰富相关经验的岩土工程师进行设计,必要时请专家提建议。