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软土地质条件下的地下围护结构设计施工

摘 要：介绍软土、软土地质条件下地下结构施工时的支护设计以及施工方法
关键词：软土 地下围护结构 设计 施工
1.前 言
软土地质条件下的地下结构施工一直是施工中的一个难题，随着施工工艺的发展和工程理论的逐步完善，这一领域也取得了大量的成果，但是，由于工程地质条件的复杂多变，土力学模型参数与显示场地条件也存在着一定的差异，在一定程度上也影响到施工方案的确定和实施。本文根据宁波钢铁地下结构的施工实践，着重对沿海滩涂地质条件下的地下围护结构设计与施工予以初步探讨。
2. 沿海滩涂地质土体的特点
沿海滩涂地质大多属于沉积粘土，与河滩、古河道等区域土质结构形成相似，颜色一般较深而暗，呈褐色或者暗黄色，在完整的剖面中没有原生的颗粒结核体，大多含有钙质结构体或贝壳等，结构性差，用手扰动原状土时，极易便软，塑性较低的土还有振动析水的现象。由于环境地下水位较高，土体含水率较大，流动性较高，稳定性较低。同时，由于土质为沉积粘土，透水性较差，地下降水施工十分困难
流变性是沿海滩涂地质土体的重要工程特征，主要表现为：
1）蠕变特性，即土体在恒定荷载作用下，其应变随时间的延长而增加，变形过大时甚至会出现破会。
2）应力松弛特征，即土体在一定的应力条件下，土中抵抗变形的阻力将随时间的延续而减弱。
3）长期强度低，即土体在静载作用下，其强度随时间的延长而降低。
3.支护结构类型
软土基坑（槽）边坡支护一般采用木桩、钢板桩、地下连续墙、水泥搅拌桩、沉管灌注桩、钻孔灌注桩等施工方法
4. 沿海滩涂地质土体条件下围护结构的设计
4.1工程概况：在宁波沿海地区的地下结构施工中，我们也遇到了许多类似地质情况。该地区属于沿海滩涂地质土，自然地面海拔高度约在2－4m左右，地下水位距离自然地面约在0.5m左右。土质多属流变性淤泥质土，土体稳定角约在2.0o－6.0o，而且我公司承建的电缆隧道工程主体基底距离的表面深度在6－9m，使得土方施工极为困难。我们组织工程技术人员进行考察研究，制定了较为可行的施工技术方案，并在施工中加以逐步完善和改进，在工期极为紧张，其他单位塌方倒桩频频发生的情况下，十分圆满的完成了施工任务，得到业主和监理单位的肯定。
4.2支护设计
宁波地区属于沿海滩涂地质条件，地下淤泥质土厚度达40m，且流变性极大，根据当地的地下结构围护施工做法，需在四周先进行支护桩施工，然后才可以进行主体结构施工。
4.2.1．地基土压力计算
土压力计算力学模型的选取是深基坑支护设计的关键，根据地质勘察资料，地下土质属于淤泥质黏土，透水性较低，力学模型选取不排水力学模型参数。
根据武汉地质勘察院工程地质勘查取样报告,选取不排水剪切力学参数，相关的土层土质力学参数如下:
第一层：γ=18.2kn/m3 С=25.7kpa Ф= 6.0o Н=1.67m
第二层: γ=17.8kn/m3 С=10.2kpa Ф=2.9o Н=15.38m
第三层: γ=18.87kn/m3 С=18.2kpa Ф=3.7o Н=10.56m
第四层: γ=17.88kn/m3 С=36.2kpa Ф=5.1o Н=4.25m
施工附加荷载: ρ=20kn/m2
4.2.2各土层土压力系数:
1)主动土压力系数: Ka=tg2(45o-Ф/2)
Ka1=0.81 Ka11/2=0.9 Ka2=0.90 Ka21/2=0.95
Ka3=0.88 Ka31/2 =0.94 Ka4=0.83 Ka41/2 =0.91
2)被动土压力系数: Kp=tg2(45o+Ф/2)
Kp2=1.10 Kp21/2 =1.05 Kp3=1.14 Kp31/2 =1.07
Kp4=1.19 Kp41/2 =1.09
4.2.3各层土压力
1）主动土压力
Pa1u=-15.31kn H0 =1670mm. Pa2u=25.97kn Pa2d=119.37 kn
2）被动土压力:
Ppn=(q+ΣγiHi)kpn+2CnKpn1/2
Pp2u=21.42kn Pp2d=208.41kn Pp3u=233.74kn
Pp3d=447.87kn Pp4u=505.98kn Pp4d=556.83kn
4.2.4桩整体长度计算：
1)对AC梁C点求矩：
Ta（6.15+5）=423.67*(2.122+5)+244.88*(5-1.667)
Ta=343.36kn Tc=325.19kn
支护桩锚固长度t:
325.19*(4.55+t)=232.74*t2/2+202.57*(1.517+t)+(447.87-232.74)*t2/18 t=3.54m
取安全系数1.5,支护桩总长为:
l=0.67+5.83+5.0+1.5*(4.55+3.54)=23.64m 取l=30m
（见附图－1）
4.2.5结构内力计算
方案一:沉管灌注桩
1）支护桩
最大弯距Mmax=96.8kn*m/m
支护桩采用￠426@600，桩身C25，
主筋选用10￠18（配筋截面2500mm2）.
2）压顶梁
以等跨连续梁计算，计算参数：
压顶梁截面b*h=500*700mm, 砼C30，h0=765mm,
fcm=16.5N/mm2重要系数γ0=1.2，计算跨度L0=10m，钢筋为Ⅱ级筋fy=310N/mm2 ,q=68.2kn*m/m
Mmax=1/12*q*L0268.2*102=568kn*m/m
受压高度X =h0－〔h0－2*Mmax*γ0/(fcm*b)〕0.5=96mm
As=fcm*b*X/fy=16.5*600*96/310=3065mm2
主筋选用7￠22，（As=3436mm2）。
3）支撑梁计算
支撑梁上的活动荷载取5kn/m，安装偏心引起的弯距N*1/1000，支撑修正系数取1.3，砼C30，b*h=500*600mm,L=5.6m
轴力N=1.3*q*L0=1.3*68.2*10=886N
弯距M=0.125*（b*h*25+5）*L2+N*L/1000=53.9kn/m
As=500*600*0.4c/310=1200mm2 主筋选用3￠25（As=1472mm2）.
方案二：钻孔灌注桩
（1）支护桩
最大弯距Mmax=191kn*m/m
支护桩采用￠700900,桩身砼C25
主筋选用10￠18（配筋截面2500mm）。
（2）压顶梁
以等跨连续梁计算，计算参数：
压顶梁截面b*h=600*1000mm,砼C30,h0=965mm,fcm=16.5N/mm2
重要系数γ0=1.2，计算跨度L0=7m，钢筋为Ⅱ级筋fy=310N/mm2，
q=95.7kn*m/m
Mmax=1/12*q*L02=1/12*95.7*72=390kn*m/m
受压高度X=h0－[h0－2*Mmax*γ0/(fcm*b)]0.5=50.3mm
As=fcm*b*X/fy=16.5*600*50.3/310=1606mm2
主筋选用5φ22，（As=1900mm2）
（3）支撑横梁计算
支撑梁上的活动荷载取5kn/m，安装偏心引起的弯距取N*1/1000，支撑修正系数取1.3，砼C30，b*h*=600*600mm,L=5.6m
轴力N=1.3*q*L0=1.3*152.1*7=1384.11N
弯距M=0.125*（b*h*25+5）*L2+N*L/1000=28.76kn/m
As=600*600*0.4c/310=1440mm2 主筋选用4φ22，（As=1518mm2）.
方案三：钻孔灌注桩
（1）支护桩
最大弯距Mmax=351kn*m/m
支护桩采用φ8001000，桩身砼C25，
主筋选用12φ18（配筋截面4363 m m）。
（2）压顶梁
以等跨连续梁计算，计算参数：
压顶梁截面b*h=600*1000mm，砼C30,h0=965mm,fcm=16.5N/mm2
重要系数γ0=1.2，计算跨度L0=7m，钢筋为Ⅱ级筋fy=310N/mm2， q=129kn*m/m
Mmax=1/12*q*L02=1/12*129*72=526kn*m/m
受压高度X=h0－[h0－2*Mmax*γ0/(fcm*b)]0.5=68mm
As=fcm*b*X/fy=16.5*600*68/310=2171mm2
主筋选用6φ22，（As=2280mm2）。
（3）支撑横梁计算
支撑梁上的活动荷载取5kn/m，安装偏心引起的弯距取N*1/1000，支撑修正系数取1.3，砼C30，b*h*=600*700mm,L=5.6m
轴力N=1.3*q*L0=1.3*181.7*7=16531N
弯距M=0.125*（b*h*25+5）*L2+N*L/1000=69.98kn/m
As=600*700*0.4c/0=1680mm2 主筋选用4φ25，（As=1964mm2）
方案四、钢板桩搅拌桩支护
在石灰通廊工程施工中，我们采用了钢板桩结合水泥搅拌桩的支护工艺。
(1)．该土质属于饱和淤泥质软土，呈软塑－流塑状态，具高孔隙度，高压缩性，均为工程性质较差的地基土。地下水位稳定标高位0.6m。
土层物理力学性质参数表
序号
土层层号
土层名称
粘聚力C kpa
内摩擦角
ø º
重度Y (kn/m3)
深度H (m)
1
①
杂填土

20.0
1.2
2
②
粘土
19.3
13
18.7
1.2
3
③
淤泥质粘土
10
9
17.6
25
4
④
水泥搅拌土
20
15
19
3.5
注：表内数值均为平均值
(2)支护设计方案选择
经过与业主及监理共同研究决定采用钢板桩结合水泥搅拌桩支护方案，施工时进行边坡卸载（详见石灰上料通廊施工方案2006.7.20）。卸载后，支护结构边坡土体为淤泥质粘土，支撑深度为2300mm,施工附加荷载按照20kn/m3计算。
(3)支护设计计算
1)土体力学参数：
③淤泥质粘土
重度＝17.6 kn/m3 粘聚力C＝10 kpa 内摩擦角ø＝9º
深度H =2.3m 施工附加荷载 Þ＝20kn/m2
④水泥搅拌土
重度＝19kn/m3 粘聚力C＝20kpa 内摩擦角ø＝15 º
深度H =3.5m 施工附加荷载 q＝20kn/m2
2)土压力系数计算
Ka=Tg2 (45º-ø/2)
Ka= Tg2 (45º-9º/2)=0.6795
Ka1/2=0.8293
Ku=tg2(45º+ø/2)
Ku=tg2(45º+15º/2)=1.6983
Ku1/2=1.3032
3)土压力计算
主动土压力Pa=(q+YH)BKa-2CnKa1/2B
PaA=20×0.3×0.6795-2×10×0.8293×0.3=0.9kn
PaB=(20 +17.6×2.3)×0.3×0.6795-2×10×0.8293×0.3=7.4kn
PaD=(20 +17.6×2.3+17.6×3.5)×0.3×0.6795-2×10×0.8293×0.3=20kn
被动土压力PU=YHBKu+2CnKp1/2B
PuB=2×20.0×1.3032×0.3=15.64kn
PuD=19.0×3.5×0.3×1.6983＋2×20.0×1.3032×0.3=49.52kn
4)剪力零点C：
支护槽钢位于支撑面C点土剪力为
Qc＝7.59-15.64=-8.24kn<0 即剪力零点为点C。
零点C为基坑底面。
5)TA反力计算
对AC梁C、A点求矩
TC2.3=7.59(1.368+0.248)-0.11×0.083
TA2.3=7.59×0.684-0.11×(2.3-0.083)
TA=2.13kn TC＝5.33kn
6)支护桩锚固长度t
5.33(3.5+t)=49.52 t2/2+15.13(1.589+ t)+(22.12-8.24) t2/18
t=97.4mm
钢板桩长度L=2.3+3.5+0.0974=5.8974m
采用6m长钢板桩，满足要求.
7)[30钢板桩支撑计算
B=30cm Iy=217.9cm4 Wy=35.7cm3 Iy=393.2cm4
RA=10.4kn RB=14.5kn
Mmax=3.65kn-m
强度验算:
Ómax=Mmax/Wy=3.65×103×103/40.2×103=90.7n/mm2<235 n/mm2
刚度验算:
fmax=7.59×1.616[(0.6842+2×0.684×1.616)3/3] 1/2/9×2.05×105×217.9=7.8mm
满足支护使用要求。
稳定性验算：
近似按照T形截面计算，翼缘受拉，稳定系数为øb＝1.0
Ómax=Mmax/øbWy=1.0×3.65×103×103/40.2×103=90.7n/mm2<235 n/mm2
满足要求。
8)支撑梁验算
水平支撑间隔3000mm
支撑梁荷载:
q=2.13/0.3=7.1kn/m
[30×2槽钢 Wy＝900cm3 IY=460×104mm4
RA=10.65kn Rc=21.3KN
Mmax=0.07ql2=17.89kn/m
强度验算：
Ómax=Mmax/Wy=17.89×103×103/900×103=19.8n/mm2<235 n/mm2
刚度验算：
fmax＝0.521ql4/100EI=0.1mm
满足支护使用要求
稳定性验算：
近似按照T形截面计算，翼缘受拉，稳定系数为øb＝1.0
Ómax=Mmax/øbWy=1.0×17.89×103×103/900×103=19.8n/mm2<235 n/mm2
满足要求。
9)水平支撑验算
水平支撑采用Ø159钢管间距3000mm
水平支撑梁端部压力Nmax＝21.3kn
Ómax=Nmax/S=10n/mm2<235 n/mm2
支撑梁承压稳定长细比£=3900/50=78
允许压力Nex=1270kn>21.3kn
满足使用要求
（见附图－）
5.沿海滩涂地质土体条件下围护结构的施工
5.1支护桩施工
根据现场的地质条件,支护桩施工前需进行换填粘土,换填深度到地下粘土层，其目的是为了支护桩能够顺利施工,并利用换填粘土在桩施工时受到挤压后,在支护桩间形成隔水层,有利于主体结构的施工。
5.1.1沉管灌注桩支护
（1）沉管灌注
必须严格按DBJ02—12细则及宁波市基坑施工暂行规定施工。
沉管桩施工必须采用跳三打一，相邻桩或成桩时间须间隔48h以上。由于密桩挤土可能对坑外取土后在成桩的方式以减轻不良影响。
沉管桩施工时由于基土可能将已放置的邻桩桩尖挤移位，应复核桩尖中心偏位不大于50mm后方可沉管，以确保桩间距。
围护桩垂直度偏差不得大于0.5%。
5.1.2钻孔灌注桩支护
（1）钻孔灌注桩
支护桩应严格按照《GBJ10—1—90》、《JGJ94—94》规范施工，但相邻桩施工间隔时间应大于24小时。
打桩施工顺序为跳打法，要求打一跳一。
桩位偏差不得超过50mm，否则会影响相邻桩及压顶梁施工。
5.1.3基坑内深层水泥搅拌桩加固
深层搅拌桩，应遵照《DBJ08—40—94》及《DBJ10—1—90》规范施工，固化剂为425#普硅水，掺入量为土重的15%，水灰比0.45～0.55，外掺剂木钙掺量为水泥量的0.2%。
水泥搅拌桩采用双头，桩间搭接200mm。
施工工艺：第一次下沉至设计标高，喷浆搅拌提升；第二次全程复搅，提升速度控制在0.5m/min以内。
搅拌桩应均匀、持续，无颈缩和断层，严禁在提升过程中断浆，特殊情况造成断浆应重新接桩，接桩部位水泥掺入量应增大，搅拌桩垂直度偏差不大于1%。
相邻桩施工间隙时间不得大于24小时，如出现不可避免的超时搭接，必须增加水泥的掺入量。
为确保水泥搅拌桩成桩质量，施工前应查明并清除浅层地下障碍物。
（3）压顶梁、支撑梁
压顶梁、支撑梁须按《GB50204—92混泥土结构工程施工及验收规范》要求施工。
压顶梁、支撑梁顶面标高与设计误差不得大于50mm。各梁轴线弯曲矢高不大于30mm。
压顶梁、支撑梁应一次性浇筑，尽量不留施工缝。
压顶梁、支撑梁浇筑后，须待其强度达到设计强度的80%以上方可继续开挖。
必须作好压顶梁外侧排水系统，防止杂填土中水流入坑内。
5.2土方施工
按照设计要求,基槽开挖时,边坡超载荷载为20kn/m2,挖掘机坑边作业会使坑上施工荷载大大超出设计允许值,从而增加了主动土压力,致使支护桩及边坡稳定受到极大威胁,并且设计要求支护桩边坡6.000m范围内不允许堆载;
为此，我们采取沿电缆隧道纵向后退挖土,挖土机需要在环梁上行走.为了保证支护的稳定性,防止挖土机损坏环梁,能为挖土机创造可靠的工作面,在环梁、支撑梁混凝土强度达到80%设计强度后,在支撑环梁上支设路基板，然后进行土方开挖(见附图) 。挖土机在支撑梁上作业,不单可以提高挖土效率,还可以增加基坑内被动土压力,有利于边坡稳定.同时，可以降低支撑梁的弯曲变形，增强结构稳定性。
5.2.1土方开挖
土方施工前必须查明基槽(坑)周围在建和已建工程的结构类型,埋深及结构现状,包括路基及相邻管线情况，以及场地周围和邻近地
在分层开挖基槽时，在支撑环梁上铺设路基板(每台挖机3块),反铲挖掘机在路基板上沿水池支撑长度方向后退作业挖土。
土方开挖时,一定要均衡开挖,防止土体荷载突变,造成边坡失稳.
5.2.2基坑排水：
基坑开挖时应保持一定的坡向(3%)，并进行人工修整，填以300mm厚卵石,便于积水汇集抽送。每隔10m须设置集水坑，以排污泵排放。
为减少基坑涌水量,保证基底及边坡稳定,特采取以下措施:
(1)基坑挖土后,随时清理支护桩泥土,并立即进行塘砟回填垫层施工,有利于土体及支撑结构稳定;
(2)基坑底部土质为淤泥质土,承载力较低,稳定性较差,不便于垫层混凝土施工,所以在人工清理基底时,随即进行人工水泥土施工,提高地基稳定性,减少地基土扰动.
(3)根据施工经验,集水坑部位可能会出现基坑涌泥现象,使得混凝土垫层施工出现困难,采取水玻璃注浆法,或者竹片垫层法处理;
支护桩
支护梁
挖掘机
挖掘机垫板

挖土方案示意图
5.2.3基坑监测
支护工程施工及基坑开挖应尽可能的降低对周围的不良影响，达到安全开挖。设计计算往往受实际情况的限制而不一定完全符合实际情况，因此必须采取监测措施，用监测信息反馈来调整处理施工中的突发情况。
支护结构水平位移监测及垂直位移监测
在压顶梁、板面上设置若干监测点（距离约为20000）。用经纬仪在开挖期间每日监测。
5.2.4报警值 ：
原则上应执行国家规范强制性条文：即围护结构变形及坑外土体位移不得大于开挖深度的1/200或位移日速率不大于3mm/d。对于本坑则为挡墙水平位移或坑外土体位移不大于20-35mm。
据宁波市大量经验，要达到强制性条件要求可能会使围护费用大幅度上升。故本基坑监测报警值参照上海基坑工程设计规程表12.2.2.3的规定报警值确定为：
顶最大位移40mm或位移日速率连续三天大于4mm/d。
深层土体最大位移50mm或位移日速率连续三天大于5 mm/d。
坑处地面下沉达30mm时。
支撑体系发现宽度大于3mm的裂缝。
5.2.5基坑开挖应急措施：
当发现以下现象时，应采取应急措施
挡墙水平位移大40mm，或变形速率达4 mm/d。
坑处地面下沉达30mm时。
坑内严重涌土时。
支护结构严重开裂变形，有破坏性迹象时
拟采用应急措施:
①边坡出现裂缝，滑移前兆,立即停止挖土施工，撤出坑（槽）内施工人员及机械,向坑（槽）内抛以毛石或者及时回填土石方，以增加被动土方压力，并及时设水平对撑。
②护壁出现大量渗水涌水时, 一般情况下用速凝水泥团封堵。个别涌水量大的应查明原因，采取插管引流或处理涌水来源等措施。，及时抽排。
③支撑失稳
注意刚性支撑的制作质量，减少轴压偏心。挖土时出现结构裂缝时，应及时增设型钢水平支撑，加以补强。施工机械严禁直接在支撑上行走、作业。
5.2.6基坑安全施工措施
根据宁波地区气象预测,在近期会出现台风和大量降水过程.势必会出现开挖基坑大量积水,所以,施工期间必须做好防范措施基坑开挖时，在四周设置挡水坝，以防雨水灌入基坑内,维护好现场道路，在雨季铺垫炉渣或砂石，两侧设排水沟，保证施工道路畅通。.
如出现大风及大量降水情况,应及时抽排基坑集水,对部分已开挖基坑可以采取及时回填的方法,以避免支护桩变形和基坑边坡失稳.
随时观察基坑边坡情况,发现异常及时通知坑内作业人员和坑边机械及操作人员撤出,并采取应急措施.
确认施工区域地表和地下水的分布、水位标高、距基坑距离及补给、排水关系、对基坑开挖的影响程度。
根据基坑周围的道路、车流及载重情况，适时调整，保证坑边的地表超载不得超过边稳定安全系数（设计值为20KN/m2），注意现场观测，发现边坡失稳先兆（如产生地面裂缝）时立即停工，及时处理，待附合要求时方可继续施工。
加强施工监测，支护工程施工及基坑开挖应尽可能的降低对周围的不良影响，达到安全开挖。设计计算往往受实际情况的限制而不
一定完全符合实际情况，因此必须采取监测措施，用监测信息反馈来调整处理施工中的突发情况。
支护结构水平位移监测及垂直位移监测
在压顶梁、板面上设置若干监测点（距离约为20000）。在开挖期间每日监测。
做好应急预案措施，边坡出现裂缝，滑移前兆,立即停止挖土施工，撤出坑（槽）内施工人员及机械,向坑（槽）内抛以毛石或者及时回填土石方，以增加被动土方压力，并及时设水平对撑。
护壁出现大量渗水涌水时, 一般情况下用速凝水泥团封堵。个别涌水量大的应查明原因，采取插管引流或处理涌水来源等措施。，及时抽排。
注意刚性支撑的制作质量，减少轴压偏心。挖土时出现结构裂缝时，应及时增设型钢或原木水平支撑，加以补强。施工机械严禁在支撑上行走、作业。

总 结
在挖土施工过程中，大部分支撑结构都出现了不同程度的破坏，支撑梁出现3－6mm的竖向裂缝，给施工带来了很大的不安定因素，我们按照紧急预案及时采取措施，保证了支撑结构的安全和施工生产的顺利进行，同时为以后类似工程的施工取得了宝贵的经验。

参考文献：
地基与基础工程施工质量验收规范（GB50202-2002）
建筑地基处理技术规范（JGJ0108-2001）
建筑基坑支护技术规范（JGJ120-99）
建筑桩基技术规范（JGJ94－94）
深基坑工程常见事故/建筑开发.1997.6/沈保汉著