正文 第二章 建築基礎土方工程(下)(1 / 3)

由於逆作法施工穩定、節省材料與工期,並解決了施工場地不足的問題,在城市中不僅用於高層建築地下室,還用作地下車站施工,效果很好。唯一的要求在於提高施工技術,組織各工種統一步調,密切協作,才能保證質量。下麵簡要地介紹地下連續牆、柱列式灌注樁、錨杆、土釘牆等先進支護技術施工要點。

1.地下連續牆(簡稱連續牆)

地下連續牆直接在地下利用大型機械挖槽,然後澆灌成鋼筋混凝土牆體。壁厚400~1200mm,挖掘深度一般為30~40m,最多達120m。開始用於防滲,逐漸發展到地下室擋土,目前已將擋土與地下室牆合一。其優點是結構整體性好、剛度大,壁厚超過600mm即可防滲,可在狹窄地區不用放坡完成各種形狀的地下擋土牆。可做成直線的,也可做成加肋的,或做成牆柱合一的形式。施工無噪聲。挖深愈大,其優越性愈顯著。缺點是需用專用機械,成本較高。

施工機械主要有旋轉切削多頭鑽、導板抓鬥、衝擊鑽等。對土質較軟、深度在15m左右時可用普通導板抓鬥。對密實的砂層或含礫石土可選用多頭鑽或加重型液壓導板抓鬥。衝擊鑽主要用於卵石層或岩層。在挖槽過程中為保證槽壁不塌,需采取兩條措施:第一,泥漿護壁。泥漿由膨潤土和水拌和而成,比重控製在1.1~1.2。利用泥漿比重防止地下水流入槽內及平衡槽壁壓力,還兼有使土渣懸浮易於排出的作用。第二,槽長不能過長,過長可能發生槽壁坍塌。每次施工槽長一般控製在5~8m,采用分段挖槽、分頭澆灌、逐段連續施工工序。先完成1、2、3段連續牆,再施工4、5段。接頭施工要求較嚴,要保證不漏水,並滿足鋼筋搭接長度,否則連續牆的整體作用就不能實現。施工中不同的施工單位各有其處理方法。

鋼筋片綁紮後,根據其重量采取成片下入槽內或分段下落至某一高度後陸續下入槽內。混凝土灌注采用套管法,先下套管,管端部有球塞,在管內灌入坍落度為150~200mm的混凝土,徐徐拔管,混凝土在自重下排出球塞,沉入槽底,排開泥漿,不需振搗,即可達到需要的密實度。

2.柱列式灌注樁

柱列式灌注樁是以直徑為800~1200mm的鋼筋混凝土灌注樁為立柱,配合土錨杆或橫向支撐以減少樁身彎矩的擋土結構。它的優點是可使用鑽孔機械,按通常灌注樁施工方法施工。在地下水位較低時還可用人工挖孔,施工簡便,造價較低,無噪聲;其缺點是整體性能較差,無防水能力。因此必須在樁頂做斷麵較大的圈梁,以增強其整體性。采用降水,或用水泥攪拌樁,組成具有一定強度的防滲牆。采用土錨杆或橫向支撐時還需加縱向環梁,一般用工字鋼。其尺寸需通過計算確定。待地下室施工完成後可以拆除。

柱列灌注樁的淨距一般為200~500mm,根據土的抗剪強度及開挖深度確定。

目前采用柱列式灌注樁作為地下基坑支護的施工方法較為普遍。一是因施工簡便易行,二是它適合2~3層地下室施工要求,從綜合指標分析,可能是最佳方案。

在國外還有柱列式H型鋼樁擋土結構。在型鋼之間插入木擋板作為擋土,完工後拔出,但重複使用率較低,造價較高。H型鋼樁最大的優點是便於逆作法施工,室內梁板鋼筋與擋土樁的連接問題可通過焊接解決。

3.土錨杆

土層錨杆,簡稱土錨杆,是在地麵或深開挖的地下室牆麵或基坑立壁未開挖的土層鑽孔,達到設計深度後,在孔內放入鋼筋或其他抗拉材料,灌入水泥漿使土層結合成為抗拉力強的錨杆。為了均勻分配傳到連續牆或柱列式灌注樁上的土壓力,減少牆、柱的水平位移和配筋,一端采用錨杆與牆、柱連接,另一端錨固在土層中,用以維持坑壁的穩定。它由三部分組成:頭部連接、拉杆、錨固體。

施工機械有:衝擊式鑽機、旋轉式鑽機及旋轉式衝擊鑽機等。衝擊式鑽機適用於砂石層地層,旋轉式鑽機可用於各種地層。它靠鑽具旋轉切削鑽進成孔,也可加套管成孔。

錨杆承受拉力,一般采用螺紋鋼、鋼絞線等強度高、延伸率大、疲勞強度高的材料。永久性錨杆尚需進行防腐處理。

土錨杆的施工程序為:鑽孔→安放拉杆→灌漿→養護→安裝錨頭一張拉錨固和挖土。施工過程中,首先要掌握打孔質量,包括位置、斜度及深度。當錨杆達到預定位置後,開始加壓灌漿。通常采用水泥漿和水泥砂漿,水泥砂漿比為1:1~1:0.5。基坑錨杆壓漿隻有在錨固段進行。利用壓漿塞封住段口,並在壓力下使錨固段錨杆與土之間砂漿凝固,養護7天後即可進行張拉實驗,確認達到設計壓力後才最後固定。

在淤泥質軟粘土中,錨杆砂漿穩固能力很差,一般不采用錨杆來解決邊坡穩定問題,而用內撐支擋。支擋結構種類很多,最重要的設計原則是保證支護結構的穩定性,要考慮足夠的安全度。

錨杆與支撐兩者的作用相同。錨杆便於施工開挖,但造價較高;支撐便於監測,易於控製,施工開挖較困難。決定的因素還是開挖深度、土質強弱、周圍有無建築或管道等。

4.土釘牆

土釘加固技術是在土體內嵌入一定長度和分布密度的土釘體。與土共同作用,用以彌補土體自身強度的不足。它不僅提高了土體整體剛度,增加邊坡的穩定性,使基坑開挖的坡麵保持穩定,而且彌補了土體的抗拉和抗剪強度低的弱點,通過相互作用,土體自身結構強度的潛力得到充分發揮,顯著提高了整體穩定性。

土釘牆適用於地下水低於土坡開挖段或經過降水措施後使地下水位低於開挖層的情況。為了保證土釘牆的施工,土層在分階段開挖時,應能保持自身穩定。為此,土釘適用於有一定粘結性的雜填土、粘性土、黃土類土及含有30%以上粘土顆粒的砂土邊坡。此外,當采用噴射混凝土麵層或坡麵淺層注漿等穩定坡麵措施,能夠保證每一邊坡台階的自身穩定時,也可采用土釘支護體係作為穩定砂土邊坡的方法。

當然,土釘技術在應用上也有其一定的局限性:土釘牆施工時一般要先開挖土層1~2m深,在噴射混凝土和安裝土釘前需要在無支護情況下穩定幾個小時,因此土體必須要有一定的“粘聚力”,否則需先進行灌漿處理,使造價增加和施工複雜。另外,土釘牆施工時要求坡麵無水滲出。若地下水從坡麵滲出,則開挖後坡麵會出現局部坍滑,這樣就不可能形成一層噴射混凝土麵。

土釘牆的施工操作程序如下:

(1)施工準備:

1)了解工程質量要求和施工監測內容與要求,如基坑支護尺寸的允許偏差,支護坡頂的允許最大變形,對臨近建築物、道路、管線等環境安全影響的允許程度;

2)土釘支護宜在排除地下水的條件下進行施工。應采取恰當的降排水措施排除地表水、地下水,以避免土體處於飽和狀態,有效減小或消除作用於麵層上的靜水壓力;

3)確定基坑開挖線、軸線定位點、水準基點、變形觀測點等,並妥善保護;

4)製定基坑支護施工組織設計,周密安排好支護施工與基坑土方開挖、出土等工序的關係,使支護與開挖密切配合,力爭達到連續快速施工;

5)選用材料:主要包括土釘鋼筋、水泥、砂、外加劑等。水泥應優先選用普通矽酸鹽水泥,砂選用中粗砂,幹淨的圓礫,粒徑2~4mm,外加劑等;

6)施工機具準備:鑽孔機具、空氣壓縮機、混凝土噴射機、灌漿泵、混凝土攪拌機等。

(2)土釘牆支護結構施工工藝:

1)開挖工作麵。土釘牆開挖應分段分層進行,分層開挖深度主要取決於與暴露坡麵的“直立”能力。基坑開挖和土釘牆施工應按設計要求自上而下分段分層進行。考慮到土釘施工設備,分層開挖至少要6m寬。開挖長度取決於交叉施工期間能保持坡麵穩定的坡麵麵積。當要求變形小時,開挖可按兩段長度分先後施工,縱向長度一般為10m。

在機械開挖後,應輔以人工修整坡麵,坡麵平整度允許偏差為±20mm,在坡麵噴射混凝土支護之前,坡麵虛土應予以清除。

2)噴射混凝土。通常為了防止土體鬆弛和崩解,必須盡快做第一層噴射混凝土,厚度不宜小於40~50mm。所用的混凝土水泥最少含量為400kg/m3,並建議每100m2設置一個控製“格”或“盒”,以控製現場混凝土的澆築質量。當不允許產生裂縫時,加強養護特別重要。

3)設置土釘。土釘施工包括定位、成孔、設置鋼筋、注漿等工序。鑽孔工藝和方法與土層條件、施工單位的設備和經驗有關。

4)鋪設鋼筋網。鋼筋網應在噴射第一層混凝土後鋪設,鋼筋與第一層噴射混凝土的間隙不小於20mm。采用雙層鋼筋網時,第二層鋼筋網應在第一層鋼筋網被覆蓋後鋪設,另外鋼筋網與土釘應連接牢固。

5)設置排水係統。施工時應提前沿坡頂挖設排水溝排除地表水,並在第一段開挖噴射混凝土期間可用混凝土做排水溝覆麵。

(四)基坑開挖應注意的問題

(1)對基坑周圍情況的調查應當認真進行,如果有不允許任何沉降及水平位移的要求時,例如地鐵車站大廳、地下室重要設備設施等,必須滿足側向位移控製設計要求,對橫向支撐或錨杆的安裝質量要嚴格把關。錨杆的張拉不能太緊,抽檢數量不能太少。橫向支撐必須裝設檢測設備,逐日記錄,發現問題及時補救。

(2)進行鄰近房屋沉降觀測及水平位移觀測,目的在於及早發現異常情況,分析原因,及時采取措施。

(3)大麵積基坑開挖時間較長,容易引起邊坡失穩。許多邊坡在經過相當長的時間後突然滑動,與土的抗剪強度隨時間逐漸衰減的特性有關,加上場區排水不良,都對邊坡穩定不利。此外,基坑邊緣堆料及棄土未及時清理,均會造成基坑失穩事故。

(4)基坑麵積過大時,對底板混凝土采取分段邊挖邊澆築。它不僅避免了基坑暴露期過長、基土易被浸濕或曝曬等質量問題,還解決了厚大體積混凝土澆灌技術上的困難,對穩定基坑作用更大,它等於增加了一道橫撐,消除了土隆起的可能性。

(5)在基坑施工過程中以及基礎施工完成前,降水工作不能停止。

(6)隨時觀察挖土與地裂之間的關係。當發現挖土不淨或挖後隆起現象,必須停止挖土。如果出現地裂,可以判定邊坡的穩定已達到極限平衡狀態,這時應當檢查降水是否達到預定位置,有無地下承壓水及管湧,支護樁是否傾斜,支撐是否有彎曲等問題。如果屬於深層滑動,多屬坑底下淤泥被動土壓力不足,可用深層攪拌或旋噴法加固基坑下土層。如果屬於支撐撓曲,有壓曲的可能,則應及時加固支撐,或增加牆後拉錨措施。如果發現低承壓水,則可實行深層降水,但應考慮對周圍建築和公共設施的影響,否則宜采用早強水泥砂漿封底方法。作為施工部門,上述方法所需設備材料應及早準備好。當來不及供應處理時,最簡單而有效的方法是立即回填反壓,未處理完畢,任何情況下,不允許繼續挖土。

四、施工排水

在土方開挖過程中,當基坑(槽)底麵位於地下水位以下時,土的含水層被切斷,地下水會不斷地滲入基坑。雨季施工時,地麵水也會流入基坑,為了保證施工的正常進行,施工排水常采用明溝排水法、流砂現象及其防治和人工降低地下水位法。

(一)明溝排水法

明溝排水法是在基坑(槽)開挖過程中,當基底挖至地下水位以下時,沿基坑四周挖一定坡度的排水溝,設集水井,使地下水沿溝流入井內,然後用水泵抽走。抽水工作應持續到基礎工程施工完畢進行回填土時才能停止。在建築工地上,基坑排水用的水泵主要有:離心泵、潛水泵和軟軸水泵等。

集水井應該設置在基坑範圍以外,地下水流的上遊。根據地下水流量、基坑平麵形狀及水泵的性能,集水井每隔20~40m設置一個,集水井的寬度一般為0.6~0.8m,深度保持低於挖土麵0.8~1.0m,挖至設計標高後,井底應低於坑底1~2m,並鋪設碎石濾水層,以免在抽水時,將泥砂抽出,並防止井底土被擾動。排水溝一般設置在基坑周圍或基槽的一側或兩側。水溝截麵應考慮基坑排水及鄰近建築物的影響,一般排水溝深度為0.5~0.8m,最小0.4m,寬度等於或大於0.4m,水溝的邊坡為1:1~1:0.5,排水溝應有2‰~5‰的最小縱向坡度,使水流不致阻滯而淤塞。

排水溝和集水井應隨挖土加深而加深,以保持水流暢通。明溝排水法設備簡單,使用廣泛。但當地下水位較高湧水量較大或土質為細砂或粉砂,易產生流砂,邊坡塌方及管湧等現象,影響正常施工,甚至會引起附近建築下沉,此時應采用人工降低地下水位。

(二)流砂現象及其防治

當基底挖至地下水位以下時,有時坑底土會成流動狀態,隨地下水湧入基坑,這種現象稱為流砂現象。發生流砂現象時,土完全喪失承載力,工人難以立足,土邊挖邊冒,難以達到設計深度,流砂嚴重時會引起基坑邊坡塌方,附近建築物因地基被掏空而下沉、傾斜,甚至倒塌。因此,流砂現象如果不能控製將對土方施工和附近建築物產生很大的危害。

流砂現象產生的原凶是由於地下水的水力坡度大,即動水壓力大,而且動水壓力的方向與土的重力方向相反,土懸浮於水中,並隨地下水一起流動。動水壓力指的是流動中水對土產生的作用力,這個力的大小與水位差成正比,與水流的路徑成反比,與水流的方向相同。因此,防治流砂現象的主要途徑是使動水壓力方向朝下和平衡或減小動水壓力,其防治措施主要有:

(1)選擇在全年最低水位季節施工。因為地下水位低,坑裏坑外水位差小,所以動水壓力減小,也就不易產生流砂現象,至少可以減輕流砂現象。

(2)拋大石塊。往坑底拋大石塊,可增加土體的壓重,減小或平衡動水壓力。采用此法時應組織土方的搶挖,使挖土速度大於冒砂速度,挖至標高後應立即鋪草袋等並拋大石塊把砂壓住。

(3)打鋼板樁。沿基坑外側打入超過基底以下深度的鋼板樁,可以增加水流的路徑,減小動水壓力,同時可以改變水流的方向,使之向下從而達到防治流砂的目的,但施工成本較高。

(4)采用化學壓力注漿或高壓水泥注漿,固結基坑周圍粉砂使之形成防滲帷幕。

(5)人工降低地下水位。使地下水位降低至基坑底下0.5m以下,使地下水流方向朝下,增大土粒間的壓力,凶而也就可以有效地製服了流砂現象。此法運用廣泛。

(三)人工降低地下水位

人工降水法(井點降水法),就是在基坑開挖前,預先在基坑四周埋設一定數量的濾水管(井),利用抽水設備連續不斷地抽水,使地下水位降至基底以下,直至基礎施工完畢為止。凶此,在基坑土方開挖過程中保持幹燥,從根本上消除了流砂現象,改善了工作條件。同時,由於土層水分排除後,還能使土密實,增加地基土的承載能力。在基坑開挖時,土方邊坡也可陡些,從而減少了挖方量。

人工降水法有:輕型井點、噴射井點、電滲井點、管井井點及滲井井點等。施工時可根據土層的滲透性,要求降低水位的深度、設備條件及經濟比較等因素確定,必要時應組織專家論證其可行性。在實際工程中,一般輕型井點應用廣泛,下麵介紹這類井點。

1.輕型井點的主要設備

輕型井點的設備包括管路係統和抽水設備兩部分。

(1)管路係統包括:濾管、井點管、彎聯管及總管等。

濾管為進水口。采用長度1.0~1.5m,直徑為38~55mm的無縫鋼管,管壁鑽有直徑為12~18mm梅花形的濾孔。管壁外包兩層濾網,內層為細濾網,采用3~5孔/mm2黃銅絲布或生絲布,外層為粗濾網,采用0.8~1孔/mm2的鐵絲絲布或尼龍布。為使水流暢通,在管壁與濾網間用鐵絲或塑料管隔開,濾網外麵再綁一層粗鐵絲保護網,濾管下端為一鑄鐵塞頭,濾管上端與井點管連接。

井點管為直徑38~51mm,長5~7m的鋼管。井點管上端通過彎聯管與總管連接。集水總管為直徑100~127mm的鋼管,每段長4m,其上裝有間距0.8m或1.2m的短接頭,並用皮管或塑料管與井點管連接。

(2)抽水設備是由真空泵、離心泵和集水箱(又叫水氣分離器)等組成。工作時先開動真空泵,集水箱內部形成一定程度的真空,使地下水及空氣受真空吸力的作用沿總管進入集水箱。當集水箱內的水達到一定高度時,開動離心水泵將集水箱內水排出。

2.輕型井點的布置

輕型井點的布置應根據基坑大小與深度、土質、地下水位高低與流向、降水深度與要求及設備條件等確定。

(1)平麵布置。包括確定井點布置形式、總管的長度、井點管數量、水泵數量及位置等。根據基坑(槽)形狀,輕型井點可采用單排布置、雙排布置及環狀布置。單排布置適用於基坑(槽)寬度小於6m,且降水深度不超過5m的情況。井點布置在地下水流向的上遊一側,其兩端的延伸長度一般不宜小於坑(槽)的寬度;雙排布置適用於基坑(槽)大於6m或土質不良的情況;環形布置適用於基坑麵積較大的情況。

井點管距離基坑壁一般不小於1.0m,井點管的間距應根據土質、降水深度、工程性質等確定,通常為0.8m、1.2m、1.6m或2.0m。