高压旋喷注浆技术是20世纪70年代初期由日本开发的一种地基加固技术。旋喷桩对地层适应性强,可适用于淤泥、淤泥质土、黏性土(流塑、软塑和可塑)、粉土、砂土、黄土、素填土和碎石土等不同类型土质。高压旋喷桩通过土体加固能够降低土的透水性而形成隔水帷幕,因此在基坑止水工程中也得到了广泛应用^{[1,2,3,4,5,6]} 。

目前,采用水泥搅拌桩内插H型钢的SMW工法在基坑工程中得到较为广泛的应用,这种支护形式充分发挥了水泥土混合体和型钢的力学特性,利用搅拌桩的止水性能形成截水帷幕,同时利用插入型钢的高强度、高刚度特性解决支护结构的承载力和变形控制要求,成为一种适用性强、性能优良的基坑支护结构形式^[1] 。

某深约6m土钉墙支护基坑工程,基坑深度范围内的泥炭(质)土随着向基坑内的渗流持续流失,引起基坑临近地面沉降、临近基坑建筑散水下沉及土钉墙支护结构破坏。事故基坑加固设计时,综合考虑工程地质及水文地质条件、施工条件以及对基坑临近建(构)筑物的保护等因素,借鉴SMW工法的特点,将高压旋喷桩和内插H型钢相结合,进行基坑加固。该基坑利用高压旋喷桩形成止水帷幕解决泥炭(质)土的流失问题,利用H型钢满足支护结构的承载力和变形控制要求。实施效果和施工监测表明,采用的基坑加固方案可靠、有效,保证了土体二次开挖过程中基坑及临近建(构)筑物的安全。

拟建场区属山前冲积平原。勘察深度范围内的土层主要划分为人工堆积层、新近沉积层和第四纪沉积层3大类,主要土层包括:素填土(1)层;粉质黏土(2)层;泥炭及泥炭质土(3)层;粉质黏土(4)层;粉质黏土(5)层。场地地下水分布情况如表1所示。

基坑深约6m,采用土钉墙支护(见图1),土钉墙坡比1∶0.3,设置5排土钉,土钉长度自上而下分别为5,6,8,8m和5m,土钉倾角为10°。

基坑周边环境条件如图2所示。距新建结构基础外边线9~12m处有4栋6层砖混结构,条形基础,基础埋深约2m,采用水泥搅拌桩复合地基。临近基坑分布有给水、暖气管,雨水、污水管,管道埋深<2m。沿基坑边分布4个化粪池,埋深约3.5m,其中1~3号电化粪池距新建结构基础外边线约3.8m,4号化粪池距新建结构基础外边线约11m。沿基坑上口有3处电线杆,其中1号、2号电线杆距新建结构基础外边线约0.9m,3号电线杆距新建结构基础外边线约8.1m。基坑边坡上方约12m处为高压线缆。

原基坑已开挖至基底,并已完成防水导墙及部分结构混凝土浇筑施工。土钉墙破坏前,基坑边坡已发生较大的水平位移及沉降,造成基坑临近地面沉降、临近建筑物散水下沉、开裂,采用微型钢管桩在肥槽内对土钉墙进行抢险加固施工。土钉墙坍塌后,为避免事故继续扩大,采用坡脚压土对基坑进行回填(见图2)。为尽快进行新建结构施工,需对事故段基坑进行加固处理,加固段边坡长度约120m。

基坑深度范围内以黏性土为主,基坑深度3~5m处夹1层泥炭(质)土。泥炭(质)土具有孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低的工程特性,且有机质含量高,具有遇水易流失的特性。根据岩土工程勘察报告,基坑深度范围内分布1层潜水。基坑事故后的现场调查发现,分布在临近基坑的地下污水管线渗漏严重。原基坑采用土钉墙支护方案,对地下水简单采用明排处理方案。随着基坑的开挖,向基坑内形成补给条件相对稳定的渗流,造成泥炭(质)土随着渗流发生持续流失,最终导致基坑临近地面沉降、建筑散水下沉开裂及土钉墙破坏。

根据上述基坑事故原因,基坑加固方案应能解决和满足以下条件:(1)要求加固方案具备有效的止水、截水功能,防止地下水向基坑内渗流而造成泥炭(质)土的流失;(2)临近基坑分布既有建筑、电线杆、化粪池等建(构)筑物,加固方案应能严格控制基坑二次开挖过程引起的变形,确保临近建(构)筑物的安全;(3)现场条件复杂,肥槽内有已施工的防水导墙及部分混凝土结构,还有抢险加固的钢管桩及坍塌的土钉墙面层、土钉钢筋等,边坡上方有高压电缆。加固施工采取的施工技术及工艺应满足现场施工条件。

综合考虑上述因素,经技术及经济等各方面的综合比较,对事故基坑采用高压旋喷桩内插H型钢技术进行加固。

加固方案的支护结构平面布置如图3所示。

根据现场施工条件,考虑施工的可行性,将高压旋喷桩布置在原土钉墙面层后。为避开已施工的土钉,将旋喷桩桩距设计为750mm,即将旋喷桩布置在相邻梅花形布置的土钉间。旋喷桩桩顶标高位于现状回填土平台标高处,即原土钉墙坡顶标高下约2m处,旋喷桩桩长为10m。旋喷桩设计桩径850mm,桩间有效搭接长度≥100mm。内插H型钢采用隔一插一布置,长度10m,H钢型为H400×300×10×16,型钢材质为Q345。为控制支护结构变形,设置1道预应力锚杆,锚杆水平间距1.5m。

本基坑加固工程采用中国建筑科学研究院地基所编制的基坑支护设计软件RSD(V3.0)计算。

典型剖面如图4所示,锚杆标高位于现状回填土平台等高处。

支护结构变形及内力计算可得:桩身最大水平位移为8.5mm,桩顶最大水平位移为5.2mm,桩身最大正弯矩为437.7k N·m。整体抗滑稳定安全系数为1.32。

化粪池处支护结构剖面如图5所示,为躲避和保护化粪池,锚杆标高设置在现状回填土平台标高下1.5m处。

支护结构变形及内力计算可得:桩身最大水平位移为32.9mm,桩顶最大水平位移为32.9mm,桩身最大正弯矩为87.4k N·m。整体抗滑稳定安全系数为1.34。

高压旋喷桩的施工采用二重管工艺,施工参数为:浆液压力28~32MPa;气压力0.2~0.4MPa;水泥浆水灰比1∶1~1∶1.2;喷射管提升速度80~120mm/min。

为保证旋喷桩的截水效果,旋喷桩施工严格按照设计参数控制,喷射管分段提升时,保证搭接长度≥100mm。为防止钻杆提升引起浆液下沉降低桩顶标高,停止喷浆面高于桩设计顶标高≥500mm。高压喷射注浆完毕后,应迅速拔出喷射管,并在孔内回灌浆液。泥炭(质)土分布范围为地下3~5m,为保证该范围内的旋喷桩质量,该标高范围内采用2次喷浆。

高压旋喷桩施工完毕后,为保证H型钢的顺利振入,及时进行H型钢的振入施工。施工过程中,考虑施工操作面上部有高压电缆,H型钢分2段振入,桩段间采用焊接方式连接,在第1段H型钢振入至顶部高于施工面约0.5m时停止振入,进行H型钢焊接对接施工。

为避免塌孔对周边环境及建筑物的影响,锚杆施工采用套管跟进成孔、二次压力注浆工艺,同时采用隔孔跳打的施工控制措施。部分锚杆会进入到临近建筑物基础下方,为避免锚杆施工对建筑物下的水泥土桩造成破坏,根据锚杆与水泥土桩位置关系适当调整锚杆的施工角度。

基坑二次开挖过程中,对基坑支护结构及临近建(构)筑物进行施工监测。施工过程中,及时对监测数据进行分析,以了解和掌握基坑开挖过程中支护结构及临近建(构)筑物的状态,当监测数据异常时,立即分析原因并采取相应措施,确保基坑及临近建(构)筑物的安全。

基坑临近建筑物沉降观测点平面布置如图6所示,每幢楼布置9个沉降观测点。建筑沉降观测自基坑首次开挖开始,至基坑二次开挖基槽回填后、建筑沉降稳定为止。整个建筑沉降观测周期内,50号楼绝对沉降相对较大,结合50号楼沉降观测数据分析基坑二次开挖过程中建筑物的沉降发展和变化情况。

50号楼9个观测点的沉降曲线如图7所示。基坑二次开挖自8月中旬开始,至12月初基坑回填。

根据9个观测点的沉降数据,可计算出50号楼在整个观测期间的平均沉降为0.87mm,最大沉降点B7的沉降值为1.09mm。其中,基坑二次开挖至基槽回填过程中50号楼的平均沉降为0.04mm,沉降最大点B1的沉降值为0.11mm。

从50号楼的沉降数据结果来看,基坑二次开挖过程中建筑物平均沉降的增量及差异沉降均不大,说明基坑加固方案是有效的。

基坑支护结构水平位移曲线如图8所示,沿基坑上口共布置7个观测点,即M1~M7。

根据基坑水平位移观测结果,基坑二次开挖过程中,水平位移最大的观测点为M4,为7mm,水平位移最小的观测点为M7,为2mm。与支护结构水平位移计算值相比较,实测值均小于计算值。

支护结构水平位移观测结果表明,采用的基坑加固方案有效控制了二次开挖过程中基坑的变形。

针对某由于泥炭(质)土流失引起的基坑事故工程,在事故原因分析的基础上,采用高压旋喷桩内插H型钢技术,对事故基坑进行加固。该基坑加固工程的成功实施,可以得出以下认识。

1)特殊工程性质土的基坑工程设计,应重视土的工程特性并从土的工程特性出发,结合对基坑周边环境条件的保护要求,制定有针对性、安全可靠的设计方案。

2)高压旋喷桩有较好的截水、止水性能,H型钢则具有较高的强度和刚度,将两者相结合形成的基坑支护结构形式,对于具有类似工程地质及水文地质条件的基坑支护工程具有参考价值。