巖土工程師備考資料:基坑圍護(1)


80年代末,開發利用地下空間,建設多層地下室、地下鐵道、地下商業街等各種地下建筑,成為上海城市建設的新趨勢之一。在建筑物稠密的城市中心,深基坑的開挖成為巖土工程的一個重要課題。基坑圍護體系,是一個土體、支護結構相互共同作用的有機體,由于周圍建筑物及地下管道等因素的制約,對支護結構的安全性有了更高的要求。不僅要能保證基坑的穩定性及坑內作業的安全、方便,而且要使坑底和坑外的土體位移控制在一定范圍內,確保鄰近建筑物及市政設施正常使用。
90年代初,由于設計、施工不當,發生了多起深基坑工程事故。僅1992~1994年,就發生了30余項,造成巨大的經濟損失和不良后果。浦東地區良豐大廈攪拌樁壩體的圓弧式整體滑動;齊魯大廈攪拌樁壩體的傾覆破壞;良友大廈由于鄰近供銷大廈打工程樁使圍護結構產生超大水平位移,導致工程樁的大位移及斷裂;服飾中心由于支撐施工未按設計要求,導致支撐失穩,圍護結構產生“踢腳”破壞等。特別嚴重的是廣東路、福建路處的昌都大廈,深基坑地下連續墻圍護,在開挖到基底深度13米,第三道支撐未及支護時,突然在廣東路一側發生坍落,折斷了2條電力電纜,1條煤氣管,1輛重車跌落坑內,估計造成的損失達上億元,形成上海建筑史上少見的大事故。這些事故引起了上海市政府和工程界的高度重視。1993年,市建委批準上海市勘察設計協會巖土工程委員會負責編寫上海市標準《基坑工程設計規程》,對基坑工程的設計和施工,提出了更嚴格的要求。
重力式攪拌樁擋墻
在軟粘土地基中開挖深度為5~7米左右的基坑,應用深層攪拌法形成的水泥土樁擋墻,可以較充分利用水泥土的強度,并可利用水泥土防滲性能,同時作為防滲帷幕。因此,具有較好的經濟效益和社會效益。水泥土重力式擋墻一般做成格柵形式,按重力式擋墻計算。廣泛用于開挖深度7米以內的深基坑圍護結構、管道溝支護結構、河道支護結構、地下人行道等。
80~90年代,水泥土攪拌樁支擋結構得到了廣泛應用和進一步發展,已有數百項工程采用這一新技術。由于施工時無振動、無噪音、無污染、開挖基坑一般不需要井點降水,也不需要支撐和拉錨,基坑內整潔干燥,有利文明施工。基坑周圍地基變形小,對周圍環境影響小,因此受到普遍歡迎。
1981年,寶鋼緯三路P-5污水處理站是上海地區利用深層攪拌法作為擋土結構的先導。1983年,上海市人防科研所、同濟大學地下工程系等單位在市科委的支持下,提出了“水泥土攪拌樁側向支護應用技術研究”的課題,結合四平路地下車庫深基坑開挖進行試驗研究。該基坑的實際開挖面積為86米×49米,開挖深度5.75米,局部深度6.75米。經過對水泥攪拌樁的物理力學特性、影響水泥土抗壓強度的各種因素(水泥摻入比、水泥標號、齡期及養護條件等),對水泥土的無側限抗壓強度、抗剪強度、滲透系數等進行了試驗研究,獲得了許多第一手資料,經過實際開挖,順利完成了研究任務。得出結論為:在場地容許下,開挖深度不大于7.0米的深基坑,在滿足支護體和機械操作所需要的場地面積條件下,不論何種土質條件,只要精心設計(包括支護結構設計和材料配合比設計),嚴格施工,確保施工質量,采用水泥土攪拌樁進行邊坡支護都是可以取得成功的。
1983年,上海人防科研所等單位對11個工程進行統計表明,基坑圍護技術的社會經濟效益十分明顯。上海市機電貿易大廈地下室基坑面積為3440平方米,實際開挖深度為7.0米,原已打了一排鋼筋混凝土板樁,化了100多萬元,尚需支撐、拉錨、二級井點降水,施工作業有困難。其南邊的金山閣酒家距基坑最近處只有3米左右,邊坡位移必須嚴格控制,后經研究,改用水泥土攪拌樁加固邊坡,取消支撐、拉錨和井點降水,不僅邊坡穩定可靠,確保了周圍建筑物和地下重要管線的安全,而且節約工程費用30%以上,縮短工期1個多月。
上海市保險公司綜合樓雙層地下室基坑,面積1500平方米,實際開挖深度7米。原計劃采用鋼板樁加井點降水方案,因其周圍有5層磚混結構居民住宅和4層廠房建筑物,實施原方案有困難。后改用水泥土攪拌樁邊坡支護,取得成功,節約成本30%左右,縮短綜合工期2個月。
90年代以來,隨著工程實踐經驗的積累,水泥土擋土技術的發展和提高很快。除格柵狀結構外,又發展了其他形式或更為節約的結構方案。1990年,在江蘇路排管工程中,第一次應用拱形水泥土支護結構,該工程開挖深度9米,槽寬4.6米,總長度120米,采用變斷面水泥拱壁,并在拱腳處設置兩道支撐。拱形水泥土支護結構的造價,低于其他結構形式。以上海合流污水治理工程為例,開挖6.5米深、寬12米的箱涵槽,采用拱形結構的造價,僅為鋼筋混凝土排樁的一半。
上海地鐵新龍華站整個洞口引道長60米、開挖深度3.1~5.21米的槽段,設計用水泥土攪拌樁支護坑壁。由于土質很差,常用的水泥土攪拌樁支護難以滿足要求,為此在槽底增設加固攪拌樁。每隔3.75米打設1條與擋墻垂直的加固樁,加固樁僅在開挖深度下噴漿,兩端與擋墻相接,形成能支撐兩側墻體的橫撐。
水泥攪拌樁和鋼板樁復合,水泥攪拌樁與鉆孔灌注樁復合,都是以水泥攪拌樁阻水,鋼板樁或鉆孔灌注樁擋土的結構。上海國際購物中心的基坑支護,就是采用水泥攪拌樁和鋼板樁復合形式。水泥攪拌樁和鉆孔灌注樁的復合形式,則是一種常用的支護結構,開挖深度10米以內的基坑,使用十分普遍。
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