[分享]岩土混合土层的深基坑设计及施工关键技术

发表于2020-10-24     100人浏览     1人跟帖     总热度:215  

岩土混合土层的深基坑设计及施工关键技术

摘要:某核电厂虹吸井(CC井)基坑工程为设计施工总承包模式。该基坑涉及土层为岩土混合土层,基坑设计需考虑作为盾构施工工作井的工况条件。因该工程在已建厂区施工,故基坑的设计与施工还需考虑与相邻基坑施工的相互协调性。通过不同基坑支护形式的比选,最终采取了兼顾安全性及经济性的基坑设计方案,并针对基坑施工中的重点控制工序作了针对性的探讨,旨在为类似工程设计与施工提供借鉴。
关键词:岩土混合;基坑;设计与施工;围护方案

1 工程概况

某核电站排水虹吸井(CC井)工程为半全埋置式地下结构,地下部分埋深约20 m,地面出露高度0.5 m。CC井地基为微风化岩,局部软土区域采取开挖换填为块石混凝土的方式进行处理,以保证地基的均匀性。自CC井到闸门井的排水隧洞采用盾构法施工,CC井兼作盾构始发井,其尺寸为40.5 m×39.3 m,最大开挖深度20 m。
本工程基坑自上而下涉及的地层主要为:①人工填土层、③黏土层、⑤2淤泥质黏土、⑥粉质黏土、 2微风化二长浅粒岩。CC井基础底面为 2层,属均质弹性地基。
前期设计及施工方案论证过程,主要存在以下重点:
1)场地内存在多个项目同时施工,因此建设方规定了基坑开挖最大范围,需在此范围内采取合适的基坑围护支护工艺,与相邻标段相协调。
2)CC井作为盾构始发井,需要考虑基坑围护设计与盾构施工的协调。
3)按核电厂设计原则,CC井基础必须坐落在天然岩层地基上。由于本工程岩层沿基坑南北向斜向分布,造成基坑南侧(盾构出洞侧)局部挖深较深,施工中应针对该处基坑的开挖采取特别措施,确保基坑安全。

2 基坑设计方案比选

2.1 初步方案的提出

在初步设计方案中,CC井基坑采取了围护锚桩+局部混凝土角撑的形式,主要设计原则为[1-4]
1)考虑到基坑北侧与相邻标段排水箱涵基坑相衔接,且岩层埋深较浅,为此,该侧基坑采用岩层爆破放坡的开挖方式,边坡按1∶0.25一坡到底,便于爆破出渣施工的工作面展开(图1)。
岩土混合土层的深基坑设计及施工关键技术_1
图1 北侧基坑围护剖面示意
2)基坑东西两侧开挖范围上部在土层内、下部在基岩内区域,上部土层采取分层开挖、分层支护。该区域围护结构采用φ1 000 mm@1 500 mm吊脚灌注桩+1~4道高压旋喷土锚形式,便于土方开挖的便捷作业。土锚竖向间距3.1 m,水平间距为1.5 m(3.0 m),灌注桩桩底进入微风化岩不小于0.6 m(中风化岩不小于1.6 m)。下部岩层爆破区域留岩宽度大于2 m,以保证围护嵌固稳定。岩体内放坡开挖,坡比1∶0.25。围护桩后采用2排高压旋喷桩止水至岩面(图2)。
岩土混合土层的深基坑设计及施工关键技术_2
图2 东西侧基坑围护剖面
3)基坑近南侧开挖范围全部在土层内,土方分层开挖、分层支护。围护结构采用φ1 200 mm@1 500 mm灌注桩+5道高压旋喷土锚,土锚竖向间距3.1 m,水平间距1.5 m,桩底进入微风化岩至少0.6 m(中风化岩至少1.6 m),围护桩后采用2排高压旋喷桩止水至岩面(图3)。
岩土混合土层的深基坑设计及施工关键技术_3
图3 近南侧基坑围护剖面
4)基坑南侧为排水隧洞盾构出洞位置。结合施工范围红线及盾构施工的埋深要求,表层采用一级放坡卸土至+2.5 m。深层围护采用φ1 200 mm@1 500 mm灌注桩+4道支撑。为尽量与基坑东西侧挖土顺序相协调,上2道支撑采取高压旋喷土锚,土锚竖向间距为3.1 m,水平间距为1.5 m。中心标高同东、西两侧第1、第2道土锚。土锚设为水平锚杆,主要是为了避免与盾构隧道在空间上的交叉。下2道支撑采取钢筋混凝土角撑形式,主要是考虑基坑下部盾构隧道占据空间较大,锚杆无法搭设。围护桩后采用2排高压旋喷桩止水至岩面。盾构出洞加固采用高压旋喷桩满堂加固(图4)。
岩土混合土层的深基坑设计及施工关键技术_4
图4 南侧基坑围护剖面
本方案的优点为:充分利用基坑北侧相邻的箱涵施工段作为出渣通道,基坑总体采用敞开式开挖,便于爆破和出渣作业;土方开挖量相对较节省;施工可满足整体工程进度要求。
但同时该方案也带来如下问题[5-7]
1)基坑南侧由于底部为盾构出洞位置,难以设置锚杆体系,采用了混凝土角撑支撑形式。受结构空间限制,在盾构出洞前需将混凝土支撑体系凿除并进行换撑,施工较繁琐。
2)混凝土角撑层高较小,对挖土工况不利,且南侧因基岩面较深,需进行深挖换填处理,施工空间狭小,问题更加突出。
3)由于混凝土角撑跨度大,需在中部设置格构立柱,但格构柱位于岩层爆破开挖区。由于基坑为分层开挖,爆破作业时上部混凝土支撑体系已形成,爆破施工不可避免地会对格构柱产生振动影响,这成为基坑施工中的一个安全隐患。

2.2 优化方案的提出

综合以上因素,主要对基坑南侧围护形式进行了进一步优化,主要设计原则为合理利用场地内允许的开挖范围,将南侧改为3级放坡开挖形式。底部采取重力坝挡土(图5)。
岩土混合土层的深基坑设计及施工关键技术_5
图5 优化后南侧基坑围护剖面
为协调基坑施工与盾构出洞之间的关系,规定了盾构出洞前的结构施工顺序:
1)土方开挖至CC井底板标高后,施工CC井主体结构底板及外墙。
2)盾构出洞之前,结构内部未施工空腔处采用钢筋混凝土支撑进行临时换撑。
3)对工作井外墙外进行土体回填加固处理,满足盾构出洞地基强度及止水要求。
对盾构出洞工况,基坑也进行了必要的处理(图6)。
岩土混合土层的深基坑设计及施工关键技术_6
图6 盾构出洞工况基坑剖面示意
方案调整后的优点为:取消了基坑南侧原混凝土支撑形式,调整为分级放坡开挖方式,使该区域土方开挖与整体基坑土方开挖更加协调。取消了中间格构柱,便于基坑范围内岩层爆破施工的进行。同时,也更加有利于基坑南侧局部深坑的处理。虽增加了部分土方开挖量,但综合总体施工效率来看,施工效果优于初步方案。

3 基坑南侧局部深坑开挖施工针对性措施

按核电厂设计原则,CC井基础必须坐落在天然岩层地基上。本工程岩层沿基坑南北向斜向分布,且实际岩层分布线与勘察结果略有差异,造成基坑南侧(盾构出洞侧)局部挖深较深。本工程经优化后最终确定在南侧采用放坡开挖+底部重力坝挡土的方案。靠近重力坝范围的局部超挖,对南侧基坑的稳定会产生较大影响。
考虑到实际基岩埋深情况的不均匀性,为避免大范围超挖对边坡构成较大影响,实际施工中采取分块支撑、抽条开挖的形式(图7)。
岩土混合土层的深基坑设计及施工关键技术_7
图7 南侧基坑围护结构优化后开挖工况示意
第1阶段:根据现场实际情况,对三角区北侧4~5 m区域已外露的基岩区域进行清理,沿基岩清理出一块东西向的长条形区域,对该区域先进行素混凝土换填,作为支撑受力带;将三角区处重力坝凸出侧进行削平整理。
第2阶段:在完成上述工作后,在图示区域安装钢支撑,钢支撑采用φ0.5 m钢管,设置8道,间距5 m;该支撑为可拆卸钢结构;围檩采取40#工字钢。
第3阶段:在第2阶段支撑安装完成且北侧回填素混凝土达到设计强度后,首先对①分区进行开挖换填素混凝土,待换填混凝土达到设计强度,再对②分区进行开挖换填,最后对③分区进行换填。
开挖换填过程中,加强对南侧放坡区域的监测及应急措施处理。如果监测数据超过报警值,应该立即采取应急措施,如增加支撑数量、减小分块开挖宽度、砂包回填等。
按上述步骤进行抽条开挖后,整个基坑南侧的位移量控制在了合理范围内,整体基坑稳定,未受影响。

4 结语

基坑的设计方案应充分考虑与后续施工的顺畅性,针对复杂土层条件下的基坑,应进行多种施工工艺的可行性比较,从而优化选择。在设计施工总承包模式下,可有效地推动前期设计方案与后续施工方案之间的有效互动,以便于整体工程的顺利实施。
参考文献
[1]冯勇,薛强,侍克斌.复杂环境下卵石和基岩地基的深基坑支护设计与施工[J].建筑科学,2008,24(3):73-74,85.
[2]赵文强.上软下硬复合地层条件下深基坑支护设计探析[J].隧道建设,2014,34(2):153-157.
[3]朱志华,刘涛,单红仙.土岩结合条件下深基坑支护方式研究[J].岩土力学,2011,32(S1):619-623.
[4]吴燕开,牛斌.土岩组合地层深基坑支护技术实例探讨[J].山东科技大学学报(自然科学版),2013,32(4):34-39.
[5]王达威.土岩结合条件下的深基坑支护方式分析[J].化工中间体,2015,11(8):3-4.
[6]张同波,李翠翠.复杂地质条件下地下工程施工技术的研究与应用[J].施工技术,2009(1):58-62.
[7]陈沙,王贻荪.复杂土层深基坑挡土桩受力分析[J].工程建设与设计,2000(1):15-17.

来源: 建筑施工编辑部
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 发表于2020-10-26   |  只看该作者       筑龙币+10

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基坑设计过程清晰,图片也很不错

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