深基坑支护新技术发展与展望

作者:未知

  摘  要:本文总结了深基坑的特点、深基坑支护新技术、新方法和新工艺。重点分析了复合土钉墙、新型地下连续墙、浆囊袋锚杆支护及咬合桩支护等深基坑支护新技术的特点、适用范围及应用,并对实时信息监测与智能化施工、支护结构和联合支护体系的开发等深基坑支護新技术的发展和研究方向进行了展望。本文的分析结果可为从事深基坑支护技术的研究、设计及施工相关人员提供指导和参考。
  关键词:深基坑  复合土钉墙  新型地下连续墙  浆囊袋锚杆  咬合桩
  Abstract: This paper summarizes the characteristics of deep foundation pit, new technology, new method and new technology of deep foundation pit support. The characteristics, application scope and application of new technologies of deep foundation pit support, such as composite soil nailing wall, new underground continuous wall, slurry bag bolt support and interlocking pile support are analyzed emphatically, and the development and research direction of new technologies of deep foundation pit support, such as real-time information monitoring and intelligent construction, support structure and development of combined support system, are forecasted. The analysis results of this paper can provide guidance and reference for those who are engaged in the research, design and construction of deep foundation pit support technology.
  Key Words: Deep foundation pit;  Composite soil nail wall;  New underground diaphragm wall;  Slurry bag bolt; Occlusal pile
  随着我国基础设施建设的快速发展和城市化步伐的加快,工程建设规模在日益扩大,对地下空间的大力开发与利用在社会经济发展中提高到重要的战略地位[1]。深基坑支护结构直接关系到整个建筑工程的安全与质量,对其结构进行优化分析在深基坑工程建设施工中非常关键。由于土地资源的急缺,地下空间开发利用的规模不断扩大,基坑不断向“深、大、近”发展,对基坑支护技术的要求也越来越高,只有对基坑侧壁、上部和周边环境进行保护、加固和支撑,才能确保地下工程施工和周边环境的安全,深基坑开挖与支护引起了建筑工程领域专家、学者及施工技术人员的高度关注,新的支护围挡加固结构和新工法也随之不断涌现。
  1  深基坑支护新技术发展现状
  在地下工程建设中深基坑支护关键技术是一个很有发展潜力的研究课题之一,工程规模的不断增加、各地地质水文条件巨大差别、工程环境的多变复杂为深基坑工程提供了一个宽广的舞台。随着大量学者对深基坑工程的广泛关注,深基坑支护技术有了一定的发展和突破,在工程建设中涌现出了大量的支护新技术。深基坑支护新技术一般是为了弥补传统支护技术的缺点与不足,利用传统各支护型式的优点对传统的支护结构进行优化改进或几种结构进行组合,扩大其适用范围,使其适应不同的施工环境,达到安全、适用、经济和绿色环保等综合性指标最佳的目的。
  随着对基坑安全、经济性等综合性指标要求的提高,在实际工程中,单一的支护形式逐渐被联合支护新技术所取代。目前在深基坑工程中使用的新技术主要有复合土钉墙、新型地下连续墙、浆囊泡锚杆、咬合桩以及各种联合支护型式,联合支护型式主要有桩锚与土钉墙联合、桩撑与土钉墙联合和土钉墙、锚杆和地下连续墙三者联合等几种联合结构等。
  (1)复合土钉墙支护。
  复合土钉墙支护技术是在土钉墙基础上发展起来的一种新型深基坑支护技术,具有技术先进、施工便捷、经济合理、综合性能比较突出等优点。该技术主要体现在两方面,一是将新材料、新工艺运用于传统土钉墙中,二是将桩或预应力锚杆等与土钉墙结合起来形成基坑复合支护技术,以充分发挥土钉墙和桩、锚杆等单独结构各自的优点,突破传统土钉墙不适用的工程。由于土钉墙对变形控制比较差,而桩锚或桩撑支护体系的支挡能力比较强,但大截面的钢筋混凝土桩相对不太经济,将相对经济支挡能力强的深层搅拌水泥土桩、高压旋喷水泥土桩、微型桩等与传统的土钉墙结合起来,可以达到安全、经济、适用等综合性能更好。复合土钉墙支护结构适用范围很广,可适用于各种地层和各种安全等级的基坑,已成为深度不超过18m的深基坑中使用率最高的支护结构[2],但需要关注的是:在基坑开挖降水过程中需采用合适的降水措施和速度,以防止不合适的水力坡降的地下水渗流引起基坑失稳,设计时应综合考虑地质水文条件、环境因素以及降水形成的水力坡降等。
  (2)新型地下连续墙。
  地下连续墙可同时承担挡土、防渗、止水等多种功能,自身刚度较大,适用于多种土质情况和各种环境,尤其在建筑物密集地区(已有距离建筑物基础外约20 cm的地下连续墙的成功案列)和超深基坑工程支护中。为了满足深基坑工程建设的需求、紧跟时代步伐,地下连续墙支护技术发展迅速,主要体现在四方面。①连续墙结构中成功地应用玻璃纤维筋(GFRP筋)等新材料,因玻璃纤维筋具有质轻、便于切割施工和强耐腐蚀等优点,而成功替代钢筋;②地下连续墙的施工中涌现了大量的新工法,如CRM工法、TRD工法、CMW工法等;③在SMW工法的基础上施工中成功运用了新的智能化动态监测系统,能准确实时捕获桩(墙)身的应力应变,把控工程安全信息;④非常成功地将支挡桩或锚杆与地下连续墙进行联合形成了桩锚地下连续墙,如“旋喷水泥土桩+SMW新工法地下连续墙”的联合技术、“扩体锚杆+地下连续墙”的联合支护技术,工程实践证明这些联合支护型式可很好地运用到膨胀土深基坑支护中。“SMW工法地下连续墙+高压旋喷水泥土桩”联合支护技术用于软弱地层、周围环境受限制条件下的基坑工程中,可以很好解决周边环境受限制条件下侧向抗力不足的问题[3];“SMW工法地下连续墙+预应力锚杆”联合支护型式的支护能力强及止水性好,这种将支挡与止水结构合二为一大大降低了基坑围护成本;SMW新工法与扩孔锚杆联合支挡型式在高透水性的地基中适用性很强,特别适用于施工工期紧张的深基坑工程[4]。   (3)浆囊袋锚杆支护技术。
  浆囊袋锚杆是在软土的锚固技术工程实践中创新研发的一种新型锚杆,这种新型锚杆采用了常规锚杆的施工方法,通过在锚杆的锚固段外侧设置一柔性的土工膜袋来改变锚杆锚固体的形状及锚固体的直径,达到改善锚杆在淤泥及淤泥质土等软弱土体中的锚固性能,特别适用于淤泥及淤泥质土等软弱土体中的加固,此新技术已广泛地应用于深基坑支护工程中。浆囊袋注浆锚杆需要在锚杆主筋外侧设置一柔性注浆袋,柔性注浆袋一般用抗拉强度较高而韧性很好软塑料膜或土工膜材料制成,通过在锚杆钢筋的外侧设置注浆袋,可以取得两大功效,首先是扩大锚固体直径和改变锚固体形状,由于软土基坑中土体的压缩性比较高,在钻进成孔后,采用压力注浆工艺,利用浆液的压力来挤压土体,从而可形成大直径土层锚杆,一般直径可达到25cm以上;同时在柔性注浆袋的端部和中间设置几个等间距的约束带来封闭袋口和约束袋的变形,可通过浆液的高压将传统锚杆柱状锚固体变成“糖葫芦”串形,从而大大提高锚杆的抗拔力,改善了锚固体的工作性               能[5];其次,通过设置浆囊袋,能有效保证浆液在膜袋内扩散,不会漏浆,锚固体的质量更可靠;同时可通过注浆量很准确地分析锚固体的平均直径,使设计结果更可靠。
  (4)咬合桩支护。
  咬合桩支护是为了弥补排桩支挡桩间容易产生水土流失的不足,将钢筋混凝土桩与素混凝土桩进行咬合实现基坑支挡与止水两种功能[6]。咬合桩一般为素混凝土桩和钢筋混凝土桩间隔布置,通过施工切割相交部分实现咬合,施工时采取先施工超缓凝的素混凝土桩,后施工钢筋混凝土桩,在素混凝土桩初凝之前完成钢筋混凝土桩的施工,钢筋混凝土桩施工时应切割掉先施工的素混凝土桩的咬合部分,相邻桩就紧密搭接形成密布的桩支护结构及止水帷幕。咬合桩实际上就是改进的排桩,弥补了排桩的止水性能的不足,充分发挥了排桩支护结构的沉降及水平位移较小的优点,已广泛运用在高层构筑物、地铁、道路下穿线等深基坑工程支护中,在饱和含水地层中可采用全套管的跟进施工使桩顺利穿越,同时有效防止孔内流砂、涌泥等问题,尤其适用于无法采用锚杆支护的基坑和淤泥、地下水富集等止水困难的基坑支护。
  2  深基坑支护发展趋势及研究方向
  城市建设的快速发展为深基坑支护结构的研究与优化提供了一个广阔的舞台,也引起了相关人士的广泛关注,深基坑支护技术处于快速发展中,其发展趋势主要反映在以下四个方向。
  (1)发展信息监测与智能化施工技术。
  基坑支护结构设计时,由于勘测的局限引起土体强度参数的不准确、支护结构的静态设计理论本身缺陷、基坑施工的动态化过程等影响,往往使得设计的支护结构内力、变形与工程实际相差较大,导致基坑工程事故频发,所以,基坑的施工应遵循“边施工、边观察”的原则,实施动态监测监控、动态设计。只要有实时监测信息,就可根据监测信息进行科学抉择,实时调整施工作业速度与进度,即实现信息化施工,以确保施工安全和经济安全;目前已有在SMW工法桩中置入了大量传感器成功地实施了实时监测的先例,但深基坑支护施工时能实施实时监测的系统还有待进一步发展,亟需研发深基坑工程施工中能实施实时监测的新设备、新技术以及建立以监测信息反馈为主导的动态化设计系统。
  (2)联合支护体系开发应用。
  在基坑工程中,单一的支护结构已经很难实现复杂的深基坑工程的技术、经济、环保等综合性控制目标,为实现较好的综合性控制目标,必然将两种或两种以上的支挡结构联合起来,如“锚杆+土钉墙”、“锚杆+地下连续墙”、“土钉墙+地下连续墙”、“预应力锚杆+桩+土钉墙”三者联合等。联合支护技术首先是弥补单一支护结构的不足,充分发挥每种支护结构的优点,扩大其适用范围;其次,联合支护还可实现支护结构的多重功能,如支挡与止水两重功能、临时支护与永久结构功能。在选择联合支护结构时,应综合考虑各支护结构各自的特点、地质水文条件、场地等优化组合,从而获得最好的技术和社会经济综合指标。
  (3)研究新型支护结构的计算理论。
  在深基坑工程的逐步发展中,研发了大量的联合支护方案和新型支护结构,如:组合拱帷幕、双(多)排桩、钢筋混凝土多孔板、旋喷桩锚、锚杆复合土钉墙等,新型支护结构与土体间的作用机理更为复杂,如果采用现有的设计计算理论得到的结果可能与实际情况相去甚远,为了使设计结果更接近实际情况,进行新型支护结构的作用机理及设计计算方法的研究就非常必要。
  (4)优化深基坑支护结构设计。
  在进行深基坑支护设计时,既要考量保证深基坑的施工安全和基坑周边环境的正常使用的技术指标,也要考量经济指标,即需兼顾经济与技术,因此,基坑支护结构的优化设计非常必要和緊迫,在选择支护结构时,应充分利用各种支护方法各自的特点,综合考虑深基坑工程的地质、水文、场地周围环境条件等选用支护结构,优化设计方案,从而获得技术、经济、社会等综合指标较优的支护体系。因此,进行深基坑支护结构的优化必将成为深基坑支护技术领域里很有潜力的研究方向之一。
  3  结语
  (1)深基坑工程是与众多因素相关的技术要求高和综合性强的工程,在深基坑支护中,土体加强以土钉为主,挡土以桩、墙为主,止水以地下连续墙为主,为提高支撑稳定能力以撑、锚为主,为解决锚杆土质较差的不适用及锚杆对基坑外邻近建筑及管线的影响,可以采用内支撑,为了解决内支撑的材料浪费及占用基坑内的有限空间对施工带来的不便,可以采用双排桩、“桩墙合一”等技术,为解决单一支护方法难以获得安全、经济、环保等综合性控制指标较佳,需要联合多种支护结构,采取两种或两种以上支护结构的组合支护技术。
  (2)为满足建设对地下空间的加速增长,基坑工程为各界专家、学者及施工技术人员提供了一个宽广的舞台,在深基坑工程中,对支护结构进行优化,发展新型的联合支护体系、完善新型支护结构的设计计算理论以及发展信息化监测与智能化施工,必将成为深基坑工程的主要研发方向。
  参考文献
  [1] 孙超,郭浩天.深基坑支护新技术现状及展望[J].建筑科学与工程学报,2018,35(1):104-117.
  [2] 付文光,杨志银,刘俊岩,等.复合土钉墙的若干理论问题、兼论《复合土钉墙支护技术规程》[J].岩石力学与工程学报,2012,31(11):2291-2304.
  [3] 彭敏.SMW工法在黄土地区深基坑支护中的创新应用[J].工程建设与设计,2015(S1):71-74.
  [4] 秦鹏飞.基坑工程支护新技术及应用研究[J].地质与勘探,2017,53(2):350-354.
  [5] 刘坤鹏,管泽英.饱和粉细砂土基坑开挖支护技术[J].隧道建设,2006,26(4):61-67.
  [6] 韩秋实,黄涛.国内深基坑支护技术发展综述[J].华东公路,2014,205(1):89-92.
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