改革开放以来,我国国民经济发展迅速,在社会主义现代化建设中,一幢幢高层建筑拔地而起,随着城区建设的发展对建筑功能提出了更高的要求,在高层建筑的兴建和地下空间的开发利用中,地下工程已由过去的一层发展到多层,开挖深度也由过去的4米左右发展到目前的10多米。从发展的趋势来看,无论是民用建筑还是市政工程,都有向地下空间和地上高空索取空间的趋势,产生了深基坑开挖及支护的问题,同时也带来了深基坑支护施工技术的变革,即由传统的自然放坡及护壁桩等支护方法向喷锚支护等先进施工技术的转换。2 传统基坑支护施工技术
基坑开挖是一个综合性的岩土工程问题,它涉及到土力学中的强度、稳定和变形问题。如果深基坑采用支挡结构,则还涉及到其结构的强度、刚度以及土与支档结构的共同作用等问题。要精确分析这一问题,是十分困难的。这不仅仅在于力学模型的复杂,更是由于水土力学参数具有较大的不确定性与离散性。因而现有的基坑支护系统计算方法,都具有明显的近似性。
就各个工程项目而言,其所在地区的工程地质、水文地质、施工条件、场地及基坑深度等方面存在差异,也就要求有不同的基坑支护施工方法来满足各个不同的工程项目。在安全、可靠的前提条件下,力求能够从实际出发,因地制宜地确定设计和施工方案,选取一个经济和合理的施工方法。
目前国内采用的基坑支护手段主要有桩、桩锚、内支撑、挡土墙、喷锚支护等几种方法。采用挡土墙的施工方法,要求施工现场有一定的放坡条件,且承载力低,故仅适用于基坑深度在5米以内的坑壁支护。而内支撑施工方法,由于其造价高、施工难度大,在应用与推广方面有一定局限性。目前成都地区深基坑支护主要有桩、桩锚、喷锚三种方法。在采用桩的形式进行施工过程中,土层介质被视为纯粹的外荷载,桩承担了全部的主动压力,而忽视了土层介质在被扰动前所具有的自承载力。同时,施工时需先成桩,待桩身砼达到一定的强度后,才能进行土方开挖,两者不能同时进行,因而势必造成施工周期过长。另外,桩基本身为悬臂式受力,在桩的上端部分会产生位移,由此容易造成基坑附近相邻建筑物产生开裂现象。桩锚系桩与锚共同作用,该方法虽然安全可靠,但造价高、工期长。而喷锚支护的最大特点是施工时基坑土方开挖与支护同时交叉进行,土方开挖工作完成后,支护也随后完成,施工进度快。同时,在施工中利用了基坑周边土介质的自承载力,并采用高压喷射特殊砼加钢筋挂网布置,基坑四周壁面被连为一整体,其安全性大为提高,是目前新近采用的一种安全有效的施工方法。3 喷锚支护技术
由于高层建筑及超高层建筑往往都位于城市闹市繁华区域及主要街道的两旁,市区人口密集、交通拥挤、建筑密度大。建设单位为节约土地,要求充分利用原有土地面积,充分利用地下空间,设置人防、车库、机房及消防等设施,基坑开挖深度深,施工场地狭小,护壁占地面积受到严重制约,一些传统的支挡方法已难以满足以上要求,比如基坑开挖线与周边相邻建筑很近时,其相邻间距尺寸小于挖孔护壁桩直径时,便无法采用挖孔桩作为支挡结构。同时,随着竞争机制加剧,业主对工程要求进度快、质量高、造价低,喷锚施工技术能较好地满足这些要求。
喷锚(网)支护是喷射混凝土、锚杆、钢筋网联合支护的简称。作为一种先进的支护(加固)技术,在高边坡和大跨度地下工程中,特别是在不良地质条件下,通过喷锚网作用,形成喷射混凝土、锚杆(索)、钢筋网与土体共同作用的主动支护体系,最大限度地利用边壁土体的自承能力,变土体荷载成为支护结构物的一部分,这是一种新型的支护作用机理,它取代了传统的桩、板、墙、撑或桩锚、板锚、墙锚、撑锚的支护方法。作为喷锚网支护技术,目前尚无成熟的理论及计算方法来进行设计计算,比较保守的计算方法是将喷锚网及锚杆作加固的土体,看到一重力式挡土墙,根据所配置的支护参数,进行支护体系的内部稳定性验算,用边坡滑体力矩平衡法进行外部稳定性验算。
喷锚(网)支护在受力和结构上,具有以下特点:
(1)喷锚网结构通过锚杆和压力灌注水泥砂浆使其与土体紧紧结合在一起,相互作用,形成了喷锚网复合体,是一种主动受力体系。它使被加固的土体整体化和结构化,显著地提高了被加固土体的稳定性和承载能力。
(2)喷锚网支护通过锚杆和钢筋网焊接连在一起,形成分布式多点铰接连续板结构。喷层具有足够的柔性,允许土体有一定的变形和位移。各节点受力可自行调节,从而重新调整结构受力状态,使结构受力处于最佳(应力分布均匀)状态,局部不会产生偶然过载。
(3)喷锚网结构联合作用,侧压力通过结构传递回稳定土层,将原产生的土体一部分变成支护结构,充分利用和加强土体自身的承载能力。
(4)喷射混凝土与土表面之间的高速喷射作用下产生嵌固效应,提高了喷射混凝土与土体表面的粘结力,对各种土质表面均有良好的适应能力,可防止雨水冲刷产生滑塌。
(5)基坑随挖随支护,快速作用,及时支护是喷锚网支护技术的显著特点,及时支护保证了开挖临空面后土体尽可能不出现卸荷应力重分布,不会产生微剪切滑移,不改变土体原位结构。
(6)具有很大的灵活性和可调性。根据地质情况的变化及监测结果,可随时调整支护参数,对软弱地质层进行补强,从而达到最佳支护。
(7)随基坑开挖逐次分层施工,不需单独占用场地,不占或少占单独作业时间,施工效率高,开挖完成后,喷锚网支护施工也同时完成,特别是对于施工场地狭小,堆放材料困难,有时邻建筑物,优越性就更明显。
(8)施工噪声低,振动小,无污染。
(9)费用比传统支护方法明显降低,工期也更短。4 喷锚支护施工工艺
在本人负责的四川省农业发展银行兴农大厦Ⅰ期及Ⅱ期工程深基坑护壁施工中,采用喷锚技术进行基坑边坡支护,基坑深度达9m,完成护壁面积3200m2,所用工期还不到2个月时间,质量安全可靠,受到甲方好评。施工工艺分述如下:
喷锚护壁中使用的锚杆,分为锚筋锚杆和钢管锚杆两种,分别适用不同的土质。当边坡土质为杂填土、粉土及粘土时,常采用钢筋锚杆;当边坡土质为砂及卵石层时,则用钢管锚杆。两者施工工艺及所用施工机械各不相同,具体如下:
(1)杂填土、粉土及粘土施工工艺流程
土方开挖(挖深1.8m左右)→钻锚杆孔→安放钢筋锚杆→锚孔内压力注浆→安装钢筋网→喷射砼(厚80～120mm)→土方开挖→
其特点是用土锚杆钻机在坑壁上钻孔,然后再放入钢筋锚杆(也可用钢管锚代替钢筋锚杆)。
(2)砂及卵石层施工工艺流程
土方开挖(挖深1.8m左右)→安装钢筋网→喷射砼(厚80～120mm)→打入钢管锚杆→压力注浆→土方开挖→
其特点是用潜孔锤直接将钢管锚杆打入坑壁。
护壁施工完成后,锚杆、钢筋网及喷射砼形成了一个整体,从而确保了坑壁的稳定。5 喷锚支护常用施工机械
由于基坑喷锚支护与土方开挖同时交叉进行,工作面在不断变化,因此,对施工机械设备的选择要考虑以下几个问题,机械设备移动方便,重量较轻,体积较小,易拆装,方便操作等。其施工机械设备主要包括空气压缩机、锚杆钻机、混凝土喷射机、砂浆搅拌机、砼搅拌机、注浆泵、张拉设备等,分述如下:
(1)空气压缩机
空气压缩机产生的压缩空气作为锚杆钻机(潜孔锤)和混凝土喷射机的动力。一般选用10～20m3／min排气量的空压机比较合适。一台空压机只能带动一台潜孔锤或混凝土喷射机。需带动两台以上时要配备贮气罐。
空压机的驱动机分为电动机和柴油机两种。考虑到用电常受限制,通常选用柴油机驱动的空压机。另外,考虑施工方便,常选用移动式的空压机。
空压机常用型号及主要技术参数见表1和表2。
表1 柴油驱动的空气压缩机主要技术参数THE CONSTRUCTION TECHNIQUE OF SPRAY CONCRETE-ANCHOR BAR OF DEEP FOUNDATION PIT WALL AND COMMON MACHINE EQUIPMENTS
项 目 型号
WHP700 XP900 P1050 VHP400 P600
排气量(m3／min）
20
25.5
29.7
11.5
17
排气压力（MPa） 1.2 0.86 0.7 1.2 0.7
驱动机型号 CAT3306柴油机 B／F6L913C柴油机
驱动机功率(kW） 209 131
驱动机转速(r／min） 1800 2500
重量(t） 4.1 3.0 2.7
外形尺寸（长×宽×高） 410 mm×1900 mm×1950 mm 4490 mm×1900 mm×1860 mm
表2 电动机驱动的空气压缩机主要技术参数
项 目 型号
P900E XP750E VHP600E L-10／7-Ⅱ ZL-10／8-Ⅰ ZJW-1418
排气量(m3／min）
25.5
21.5
17
10
10
14
排气压力（MPa） 0.7 0.86 1.2 0.7 0.8 0.8
驱动机型号 Y315-4电动机 XKY-55-6 Y280M-6
驱动机功率(kW） 160 55 55 115
驱动机转速(r／min） 1480 980 980 1500
重量(t） 4.3 1.8 1.7 3.6
外形尺寸（长×宽×高） 4100 mm×1900 mm×1950 mm 1644 mm×
961 mm×
1273 mm
1592 mm×
1840 mm×
1491 mm
2100 mm×
1150 mm×
2320 mm
(2)锚杆钻机：分为土锚杆钻机和潜孔锤两类。
①土锚杆钻机
该机适用于杂填土、粉土及粘土等成孔后不塌孔的土质。施工时直接在坑壁上钻孔,然后再将钢筋锚杆放入孔内。常用设备有KHYD75A型矿用电动岩石钻。主要技术参数如下：
主机重量： 76 kg
电机额定功率： 3 kW
电机额定转速： 1420 r／min
主轴转速： 240 r／min
钻孔直径： φ80～150 mm
推进力： 10 kN
主机外形尺寸： 720 mm×370 mm×430 mm
其它成孔设备还有MGJ-50型和YTM87型钻机,但价格较高,体积较大。
②潜孔锤
该机适用于砂及卵石层等难以成孔的土质。并用钢管作为锚杆,使用时以空压机作动力,利用其气动冲击器驱动锤头,使之连续打击钢管锚杆,将挤压成孔与锚杆安装同步完成。常用设备有钻神公司ZSTD-150型气动锚杆机。其主要技术参数如下：
钻孔直径：φ40～65 mm
钻孔深度：中密卵石层：6～8m
其它土层：10～20m
耗气量： 9～10 m3／min
机 重： 186 kg
外形尺寸：3508 mm×232 mm×285 mm
③砼喷射机
该机借助于空压机产生的压缩空气,将砼搅拌机搅拌均匀的砼材料喷射到护壁表面。常用设备有HPZ6型砼喷射机,主要技术参数如下：
生产能力： 6 m3／h
输料管内径：50 mm
喷料粒径： 小于25 mm
输送距离： 20～50 m
耗气量： 5-7 m3／h
电动机功率：3 kW
重 量： 920 kg
外形尺寸：1332 mm×774 mm×1110 mm
④注浆泵
注浆泵用于锚杆(孔)内加压灌注水泥砂浆,以改善土质情况,提高锚杆抗拔力。使用时砂浆中不得混有石子及其它杂物,且最大粒径不得大于5毫米。砂浆可用灰浆机进行搅拌。它分为挤压式和活塞式两种。抗压式注浆泵既可注浆,也可回浆,因而不易产生砂浆堵管现象,便于施工。活塞式注浆泵不能回浆,容易产生堵管现象,但加压效果更好一些,因而更适用于注浆量大的情况。其常用型号有UB系列和UBJ系列产品,主要技术参数见表3。
表3 注浆泵主要技术参数
参 数 型 号
UB3型 UBJ-2型
输送量 3 m3／h 2 m3／h
垂直输送距离 40 m 20 m
水平输送距离 150 m 80 m
工作压力 1.5 MPa 1.5 MPa
电动机功率 4 kW 2.2 kW
往复次数 150 次／min 150 次／min
主机重量 250 kg 270 kg
主机外形尺寸 1033 mm×474 mm
×890 mm
1300 mm×780 mm
×800 mm
⑤其它机械设备
砼搅拌机与灰浆机为常用建筑机械,可视工程量大小进行选择。
张拉设备使用张拉机,也可用卷扬机代替使用,其规格大小视所拉钢筋直径大小确定。
6 结语
综上所述,深基坑边坡喷锚支护方法在理论、设计、施工技术和监测方法上均为一项新的课题,是新近涌现出的一种基坑支护方法,它的最大优势在于土石方开挖与边坡支护同时交叉进行,无单独工期,可以缩短工期,并且适宜于场地狭窄的施工条件,与护壁桩相比,成本更低,是一种安全可靠的深基坑边坡支护方法,具有良好的社会效益与经济效益,正越来越受到人们的接受和推广。