課題2.3　基坑支護與降排水

在土方工程施工過程中,當開挖的基坑底面低于地下水位時,地下水會不斷滲入坑內,如果沒有采取降水措施,會惡化施工條件。為了保持基坑干燥,防止由于水的浸泡發(fā)生邊坡塌方和地基承載力下降,必須做好基坑的支護、排水、降水工作。

2.3.1　土壁支護

在開挖基坑或溝槽時,如果地質水文條件良好,場地周圍條件允許,可以采用放坡開挖,這種方式比較經濟。但是隨著高層建筑的發(fā)展,以及建筑物密集地區(qū)施工基坑的增多,常因場地的限制而不能采取放坡,或放坡導致土方量增大,或地下水滲入基坑導致土坡失穩(wěn)。此時,便可以采用土壁支護,以保證施工安全和順利進行,并減少對鄰近已有建筑物的不利影響?；又ёo應綜合考慮工程地質與水文地質條件、基礎類型、基坑開挖深度、降排水條件、周邊環(huán)境對基坑側壁位移的要求、基坑周邊荷載、施工季節(jié)、支護結構使用期限等因素。

1.溝槽的支撐

開挖較窄的溝槽多用橫撐式支撐。橫撐式支撐由擋土板、楞木和工具式橫撐組成,根據擋土板的不同,分為水平擋土板和垂直擋土板兩類,見表2.2。

采用橫撐式支撐時,應隨挖隨撐,支撐牢固。施工中應經常檢查,如有松動、變形等現象,應及時加固或更換。支撐的拆除應按回填順序依次進行,多層支撐應自下而上逐層拆除,隨拆隨填。

2.一般淺基坑的支撐方法

一般淺基坑的支撐方法可根據基坑的寬度、深度及大小采用不同形式,見表2.3。

2.3.2　深基坑支護

深基坑一般是指開挖深度超過5m(含5m)或地下室3層以上(含3層),或深度雖未超過5m,但地質條件和周圍環(huán)境及地下管線特別復雜的工程。深基坑支護是為保證地下結構施工及基坑周邊環(huán)境的安全,對深基坑側壁及周邊環(huán)境采用的支檔、加固與保護的措施。隨著高層建筑及地下空間的出現,深基坑工程規(guī)模不斷擴大。

2.3.2.1　鋼板樁支護

鋼板樁是一種支護結構,既可擋土又可擋水。當開挖的基坑較深,地下水位較高且有出現流砂的危險時,如未采用降低地下水位的措施,則可用板樁打入土中,使地下水在土中滲流的路線延長,降低水力坡度,從而防止流砂現象?？拷薪ㄖ镩_挖基坑時,為了防止和減少原建筑物下沉,也可打鋼板樁支護。板樁有鋼板樁、木板樁與鋼筋混凝土板樁數種。鋼板樁除用鋼量多之外,其他性能比別的板樁都優(yōu)越。鋼板樁在臨時工程中可多次重復使用。

1.鋼板樁分類

鋼板樁的種類很多,常見的有U形板樁與Z形板樁、H形板樁,如圖2.12所示。其中以U形應用最多,可用于5～10m深的基坑。

鋼板樁根據有無錨樁結構,分為無錨板樁(也稱懸臂式板樁)和有錨板樁兩類。無錨板樁用于較淺的基坑,依靠入土部分的土壓力來維持板樁的穩(wěn)定。有錨板樁,是在板樁墻后設柔性系桿(如鋼索、土錨桿等)或在板樁墻前設剛性支撐桿(如大型鋼、鋼管)加以固定,可用于開挖較深的基坑,該種板樁用得較多。板式支護結構如圖2.13所示。

2.鋼板樁施工

鋼板樁施工機具有沖擊式打樁機(包括自由落錘、柴油錘、蒸汽錘等)、振動打樁機(可用于打樁及拔樁),還有靜力壓樁機等。

鋼板樁的位置應設置在基礎最突出的邊緣外,留有支模、拆模的余地,便于基礎施工。在場地緊湊的情況下,也可利用鋼板做底板或承臺側模,但必須配以纖維板(或油毛氈)等隔離材料,以方便鋼板樁拔出。

鋼板樁的打入方法主要有單根樁打入法、屏風式打入法、圍檁打樁法。

(1)單根樁打入法。將板樁一根根地打入至設計標高。這種施工法速度快,樁架高度相對可低一些,但容易傾斜,當板樁打設要求精度較高、板樁長度較長(大于10m)時,不宜采用這種方法。

(2)屏風式打入法。將10～20根板樁成排插入導架內,使之成屏風狀,然后樁機來回施打,并使兩端先打到要求深度,再將中間部分的板樁順次打入。這種屏風施工法可防止板樁的傾斜與轉動,對要求閉合的圍護結構常用此法;缺點是施工速度比單樁施工法慢,且樁架較高。

(3)圍檁打樁法。分單層、雙層圍檁,是在地面上一定高度處離軸線一定距離,先筑起單層或雙層圍檁架,而后將鋼板樁依次在圍檁中全部插好,待四角封閉合攏后,再逐漸按階梯狀將鋼板樁逐塊打至設計標高。這種方法能保證鋼板樁墻的平面尺寸、垂直度和平整度,適用于精度要求高、數量不大的場合;缺點是施工復雜,施工速度慢,封閉合攏時需異形樁,如圖2.14所示。

2.3.2.2　排樁支護

基坑開挖較大、較深(大于6m),鄰近有建筑物,不能放坡時,可采用排樁支護。排樁支護可采用鉆孔灌注樁、人工挖孔樁、預制鋼筋混凝土板樁或鋼板樁等。

1.排樁支護的布置形式

(1)柱列式排樁支護。當邊坡土質較好、地下水位較低時,可利用土拱作用,以稀疏鉆孔灌注樁或挖孔樁支擋土坡,如圖2.15(a)所示。

(2)連續(xù)排樁支護。在軟土中一般不能形成土拱,支擋樁應該連續(xù)密排,如圖2.15(b)所示。密排的鉆孔樁可以互相搭接,或在樁身混凝土強度尚未形成時,在相鄰樁之間做一根素混凝土樹根樁把鉆孔樁排連起來,如圖2.15(c)所示。也可以采用鋼板樁支護、鋼筋混凝土板樁支護,如圖2.15(d)、圖2.15(e)所示。

(3)組合式排樁支護。在地下水位較高的軟土地區(qū),可采用鉆孔灌注樁排樁與水泥土樁防滲墻組合的形式,如圖2.15(f)所示。

2.排樁支護施工

(1)鋼筋混凝土擋土樁間距一般為1.0～2.0m,樁直徑為0.5～1.1m,埋深為基坑深的0.5～1.0倍。樁配筋由計算確定,一般主筋為?14～?32,當為構造配筋時,每根樁不少于8根,箍筋采用8@100～200。

(2)對于開挖深度不大于6m的基坑,在場地條件允許的情況下,采用重力式深層攪拌樁擋墻較為理想。當場地受限制時,也可先用?600密排懸臂鉆孔樁,樁與樁之間可用樹根樁封密,也可在灌注樁后注漿或打水泥攪拌樁做防水帷幕。

(3)對于開挖深度為6～10m的基坑,常采用?800～?1000的鉆孔樁,后面加深層攪拌樁或注漿防水,并設2～3道支撐,支撐道數視土質情況、周圍環(huán)境及圍護結構變形要求而定。

(4)對于開挖深度大于10m的基坑,以往常采用地下連續(xù)墻,設多層支撐,雖然安全可靠,但價格昂貴。近年來,上海常采用?800～?1000大直徑鉆孔樁代替地下連續(xù)墻,同樣采用深層攪拌樁防水、多道支撐或中心島施工法。這種支護結構已成功應用于開挖深度達到13m的基坑。

(5)排樁頂部應設鋼筋混凝土冠梁連接,冠梁寬度(水平方向)不宜小于樁徑,冠梁高度(豎直方向)不宜小于400mm,排樁與樁頂冠梁的混凝土強度宜大于C20;當冠梁作為連系梁時可按構造配筋。

(6)基坑開挖后,排樁的樁間土防護可采用鋼絲網混凝土護面、磚砌等處理方法,當樁間滲水時,應在護面設泄水孔。當基坑面在實際地下水位以上且土質較好、暴露時間較短時,可不對樁間土進行防護處理。

2.3.2.3　水泥土樁墻支護

水泥土樁墻支護是加固軟土地基的一種新方法,它是利用水泥、石灰等材料作為固化劑,通過深層攪拌機械,將軟土和固化劑(漿液或粉體)強制攪拌,利用固化劑和軟土之間所產生的一系列物理-化學反應,使軟土硬結成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的圍護結構。其適用于以下條件:①基坑側壁安全等級宜為二、三級;②水泥土墻施工范圍內地基承載力不宜大于150kPa;③基坑深度不宜大于6m;④基坑周圍具備水泥土墻的施工寬度;⑤深層攪拌法最適宜于各種成因的飽和軟黏土,包括淤泥、淤泥質土、黏土和粉質黏土等。

深層攪拌樁支護結構是由攪拌樁相互搭接而成,平面布置可采用壁狀體,如圖2.16所示。若壁狀的擋墻寬度不夠,可加大寬度,做成格柵狀支護結構,如圖2.17所示,即在支護結構寬度內,不需整個土體都進行攪拌加固,可按一定間距將土體加固成相互平行的縱向壁,再沿縱向按一定間距加固肋體,用肋體將縱向壁連接起來。這種擋土結構目前常采用雙頭攪拌機進行施工,一個頭攪拌的樁體直徑為700mm,兩個攪拌軸的距離為500mm,攪拌樁之間的搭接距離為200mm。

墻體寬度B和插入深度D應根據基坑深度、土質情況及其物理、力學性能、周圍環(huán)境、地面荷載等計算確定。在軟土地區(qū),當基坑開挖深度h不大于5m時,可按經驗取B為(0.6～0.8)h,尺寸以500mm進位,D為(0.8～1.2)h?；由疃纫话憧刂圃?m以內,過深則不經濟。根據使用要求和受力特性,攪拌樁擋土結構的豎向斷面形式如圖2.18所示。

水泥土樁墻工程主要施工機械采用深層攪拌機。目前,我國生產的深層攪拌機主要分為單軸攪拌機和雙軸攪拌機。水泥土樁墻工程施工工藝如圖2.19所示。深層攪拌樁施工可采用濕法(噴漿)及干法(噴粉)施工,施工時應優(yōu)先選用噴漿法雙軸型深層攪拌機。

(1)定位。樁架定位及保證垂直度。深層攪拌機樁架到達指定樁位、對中。當場地標高不符合設計要求或起伏不平時,應先進行開挖、整平。施工時樁位偏差應小于5cm,樁的垂直度誤差不超過1%。

(2)預攪下沉。待深層攪拌機的冷卻水循環(huán)正常后,啟動攪拌機的電動機,放松起重機的鋼線繩,使攪拌機沿導向架攪拌切土下沉,下沉速度可由電動機的電流表控制。工作電流不應大于70A。如果下沉速度太慢,可從輸漿系統(tǒng)補給清水以利鉆進。

(3)制備水泥漿。按設計要求的配合比拌制水泥漿,壓漿前將水泥漿倒入集料斗中。

(4)提升、噴漿并攪拌。深層攪拌機下沉到設計深度后,開啟灰漿泵將水泥漿壓入地基土中,并且邊噴漿、邊旋轉,同時嚴格按照設計確定的提升速度提升攪拌頭。

(5)重復攪拌或重復噴漿。攪拌頭提升至設計加固深度的頂面標高時,集料斗中的水泥漿應正好排空。為使軟土和水泥漿攪拌均勻,可再次將攪拌頭邊旋轉邊沉入土中,至設計加固深度后再將攪拌頭提升出地面。有時可采用復攪、復噴(即二次噴漿)方法。在第一次噴漿至頂面標高,噴完總量60%的漿量,將攪拌頭邊攪邊沉入土中,至設計深度后,再將攪拌頭邊提升邊攪拌,并噴完余下的40%的漿量。噴漿攪拌時攪拌頭的提升速度不應超過0.5m/min。

(6)移位。樁架移至下一樁位施工。下一樁位施工應在前樁水泥土尚未固化時進行。相鄰樁的搭接寬度不宜小于200mm。相鄰樁噴漿工藝的施工時間間隔不宜大于10h。施工開始和結束的頭尾搭接處,應采取加強措施,防止出現溝縫。

2.3.2.4　土層錨桿

土層錨桿簡稱土錨桿,是在地面或深開挖的地下室墻面或基坑立壁未開挖的土層鉆孔,達到設計深度后,或在擴大孔端部,形成球狀或其他形狀,在孔內放入鋼筋或其他抗拉材料,灌入水泥漿與土層結合成為抗拉強度高的錨桿。為了均勻分配傳到連續(xù)墻或柱列式灌注樁上的土壓力,減少墻、柱的水平位移和配筋,一端采用錨桿與墻、柱連接,另一端錨固土層在土層中,用以維持坑壁的穩(wěn)定。

錨桿由錨頭、拉桿和錨固體組成。錨頭由錨具、承壓板、橫梁和臺座組成;拉桿采用鋼筋、鋼絞線制成;錨固體是由水泥漿或水泥砂漿將拉桿與土體連接成一體的抗拔構件,如圖2.20所示。

錨桿代替內支撐,它設置在圍護墻背后,因而在基坑內有較大的空間,有利于挖土施工。錨桿施工機械及設備的作業(yè)空間不大,因此可適用于各種地形及場地。錨桿可采用預加拉力,以控制結構的變形量。施工時的噪聲和振動均很小。

適用于基坑側壁安全等級一、二、三級,一般黏土、砂土地基皆可應用,軟土、淤泥質土地基要進行實驗確認后應用,適用于難以采用支撐的大面積深基坑,不宜用于地下水多、含有化學腐蝕物的土層和松散軟弱土層。

1.土層錨桿的主要類型

土層錨桿的主要類型有:

(1)一般灌漿錨桿。鉆孔后放入受拉桿件,然后用砂漿泵將水泥漿或水泥砂漿注入孔內,經養(yǎng)護后即可承受拉力。

(2)高壓灌漿錨桿(又稱預壓錨桿)。其與一般灌漿錨桿的不同點是在灌漿階段對水泥砂漿施加一定的壓力,使水泥砂漿在壓力下壓入孔壁四周的裂縫并在壓力下固結,從而使錨桿具有較大的抗拔力。

(3)預應力錨桿。先對錨固段進行一次壓力灌漿,然后對錨桿施加預應力后錨固并在非錨固段進行不加壓二次灌漿,也可一次灌漿(加壓或不加壓)后施加預應力。這種錨桿可穿過松軟地層而錨固在穩(wěn)定土層中,并使結構物減小變形。我國目前大多采用預應力錨桿。

(4)擴孔錨桿。用特制的擴孔鉆頭擴大錨固段的鉆孔直徑,或用爆擴法擴大鉆孔端頭,從而形成擴大的錨固段或端頭,可有效提高錨桿的抗拔力。擴孔錨桿主要用在松軟地層中。

灌漿材料可使用水泥漿、水泥砂漿、樹脂材料、化學漿液等作為錨固材料。

土錨桿施工機械包括沖擊式鉆機、旋轉式鉆機及旋轉式沖擊鉆機等。沖擊式鉆機適用于砂石層地層。旋轉式鉆機可用于各種地層,它靠鉆具旋轉切削鉆進成孔,也可加套管成孔。

2.土層錨桿的施工程序

土層錨桿的施工程序分為以下幾步:鉆機就位→鉆孔→清孔→放置鋼筋(或鋼絞線)及灌漿管→壓力灌漿→養(yǎng)護→放置橫梁、臺座,張拉錨固。

(1)鉆孔。土層錨桿鉆孔用的鉆孔機械,按工作原理分為旋轉式鉆孔機、沖擊式鉆孔機和旋轉沖擊式鉆孔機三類。主要根據土質、鉆孔深度和地下水情況進行選擇。

錨桿孔壁要求平直,以便安放鋼拉桿和灌注水泥漿?？妆诓坏盟莺退蓜?否則影響鋼拉桿安放和土層錨桿的承載能力。鉆孔時不得使用膨潤土循環(huán)泥漿護壁,以免在孔壁上形成泥皮,降低錨固體與土壁間的摩阻力。

(2)安放拉桿。土層錨桿用的拉桿,常用的有鋼管、粗鋼筋、鋼絲束和鋼絞線。主要根據土層錨桿的承載能力和現有材料的情況來選擇。

(3)灌漿。灌漿的作用是形成錨固段,將錨桿錨固在土層中;防止鋼拉桿腐蝕;充填土層中的孔隙和裂縫。灌漿是土層錨桿施工中的一個重要工序,施工時應做好記錄。灌漿有一次灌漿法和二次灌漿法。一次灌漿法宜選用灰砂比0.5～1、水灰比0.38～0.45的水泥砂漿,或水灰比0.4～0.50的水泥漿;二次灌漿法中的二次高壓灌漿,宜用水灰比0.45～0.55的水泥漿。

(4)張拉和錨固。錨桿壓力灌漿后,待錨固段的強度大于15MPa并達到設計強度等級的75%后方可進行張拉。

錨桿宜張拉至設計荷載的0.9～1.0倍后,再按設計要求鎖定。錨桿張拉控制應力,不應超過拉桿強度標準值的75%。張拉所用設備與預應力結構張拉所用設備相同。

2.3.2.5　土釘墻支護結構

土釘墻支護是在基坑開挖過程中將較密排列的土釘(細長桿件)置于原位土體中,并在坡面上噴射鋼筋網混凝土面層。通過土釘、土體和噴射混凝土面層的共同工作,形成復合土體。土釘墻支護充分利用土層介質的自承力,形成自穩(wěn)結構,承擔較小的變形壓力,土釘承受主要拉力,噴射混凝土面層調節(jié)表面應力分布,體現整體作用。同時,由于土釘排列較密,通過高壓注漿擴散后使土體性能提高。土釘墻支護如圖2.21所示。

土釘墻支護是邊開挖邊支護,流水作業(yè),不占獨立工期,施工快捷;設備簡單,操作方便,施工所需場地小;材料用量和工程量小,經濟效果好;土體位移小,采用信息化施工,發(fā)現墻體變形過大或土質變化可及時修改、加固或補救,確保施工安全。適用于基坑側壁安全等級為二、三級非軟土場地,地下水位較低的黏土、砂土、粉土地基,土釘墻基坑深度不宜大于12m,當地下水位高于基坑底面時,應采取降水或截水措施。

1.土釘墻的基本構造

(1)土釘長度。一般對非飽和土,土釘長度L與開挖深度H之比值為0.6～1.2,密實砂土及干硬性黏土取小值。為減少變形,頂部土釘長度宜適當增加。非飽和土底部土釘長度可適當減少,但不宜小于0.5H。對于飽和軟土,由于土體抗剪能力很低,土釘內力因水壓作用而增加,設計時取L/H值大于1為宜。

(2)土釘間距。土釘間距的大小影響土體的整體作用效果,目前尚不能給出有足夠理論依據的定量指標。土釘的水平間距和垂直間距一般宜為1.2～2.0m。垂直間距依土層及計算確定,且與開挖深度相對應。上下插筋交錯排列,遇局部軟弱土層間距可小于1.0m。

(3)土釘直徑。最常用的土釘材料是變形鋼筋、圓鋼、鋼管及角鋼等。當采用鋼筋時,一般為?18～?32高強度帶肋鋼筋;當采用角鋼時,一般為└50×50×5角鋼;當采用鋼管時,一般為?50鋼管。

(4)土釘傾角。土釘垂直方向向下傾角一般在5°～20°,土釘傾角取決于注漿鉆孔工藝與土體分層特點等多種因素。研究表明,傾角越小,支護的變形越小,但注漿質量較難控制。傾角越大,支護的變形越大,但傾角大,有利于土釘插入下層較好的土層內。

(5)注漿材料。用水泥砂漿或水泥素漿,其強度等級不宜低于M10。水泥采用普通硅酸鹽水泥,水灰比為0.5～2.5,水泥砂漿配合比宜為0.5～1(質量比)。

(6)支護面層。土釘支護中的噴射混凝土面層不屬于主要擋土部件,在土體自重作用下主要是穩(wěn)定開挖面上的局部土體,防止其崩落和受到侵蝕。臨時性土釘支護的面層通常用50～150mm厚的鋼筋網噴射混凝土,混凝土強度等級不低于C20。鋼筋網常用?6～?8的鋼筋焊成15～30cm方格網片。永久性土釘墻支護面層厚度為150～250mm,設兩層鋼筋網,分兩次噴成。

2.土釘墻支護的施工

土釘墻支護的成功與否不僅與結構設計有關,而且在很大程度上取決于施工方法、施工工序和施工速度,設計與施工的緊密配合是土釘墻支護成功的重要環(huán)節(jié)。

土釘墻支護施工設備主要有鉆孔設備、混凝土噴射機及注漿泵。

土釘墻支護施工應按設計要求自上而下、分層分段進行。土釘墻施工工藝流程及技術要點如下:

(1)開挖、修坡。土方開挖用挖掘機作業(yè),挖掘機開挖應離預定邊坡線0.4m以上,以保證土方開挖少擾動邊坡壁的原狀土,一次開挖深度由設計確定,一般為1.0～2.0m,土質較差時應小于0.75m。正面寬度不宜過長,開挖后,用人工及時修整。邊坡坡度不宜大于10︰1。

(2)在開挖面上進行土釘施工。

1)成孔。按設計規(guī)定的孔徑、孔距及傾角成孔,孔徑宜為70～120mm。成孔方法有洛陽鏟成孔和機械成孔。成孔后及時將土釘(連同注漿管)送入孔中,沿土釘長度每隔2.0m設置一對中支架。

2)設置土釘。土釘的置入可分為鉆孔置入、打入或射入方式。最常用的是鉆孔注漿型土釘。鉆孔注漿土釘是先在土中成孔,置入變形鋼筋或鋼管,然后沿全長注漿填孔。打入土釘是用機械(振動沖擊鉆、液壓錘)將角鋼、鋼筋或鋼管打入土體。打入土釘不注漿,與土體接觸面積小,釘長受限制,所以布置較密。其優(yōu)點是不需預先鉆孔,施工較為快速。射入土釘是用高壓氣體作動力,將土釘射入土體。射入釘的土釘直徑和釘長受一定限制,但施工速度更快。注漿打入釘是將周圍帶孔、端部密閉的鋼管打入土體后,從管內注漿,并透過壁孔將漿體滲到周圍土體。

3)注漿。注漿時先高速低壓從孔底注漿,當水泥漿從孔口溢出后,再低速高壓從孔口注漿。水泥漿、水泥砂漿應拌和均勻,隨伴隨用,一次拌和的漿液應在初凝前用完。注漿前應將孔內的雜土清除干凈;注漿開始或中途停止超過30min時,應用水或稀水泥漿潤滑注漿泵及其管路;注漿時,注漿管應插至距孔底250～500mm處,孔口宜設置止?jié){塞及排氣管。

4)綁鋼筋網,焊接土釘頭。層與層之間的豎筋用對鉤連接,豎筋與橫筋之間用扎絲固定,土釘與加強鋼筋或墊板施焊。

5)噴射混凝土面層。

6)繼續(xù)向下開挖有限深度,并重復上述步驟。這里需要注意第一層土釘施工完畢后,等注漿材料達到設計強度的70%以上,方可進行下層土方開挖。按此循環(huán),直至坑底標高,最后設置坡頂及坡底排水裝置。

當土質較好時,也可采取如下順序:確定基坑開挖邊線→按線開挖工作面→修整邊坡→埋設噴射混凝土厚度控制標志→放土釘孔位線并做標志→成孔→安設土釘、注漿→綁扎鋼筋網,土釘與加強鋼筋或承壓板連接,設置鋼筋網墊塊→噴射混凝土→下一層施工。

2.3.2.6　逆作法支護

逆作法施工是以地面為起點,先建地下室的外墻和中間支撐樁,然后由上而下逐層建造梁、板或框架,利用它們做水平支撐系統(tǒng),進行下部地下工程的結構施工。這種地下室施工不同于傳統(tǒng)方法的先開挖土方到底,澆筑底板,然后自下而上逐層施工的方法,故稱為逆作法,如圖2.22所示。與傳統(tǒng)的施工方法相比,用逆作法施工多層地下室具有可節(jié)省支護結構的支撐,可以縮短工程施工的總工期,使基坑變形減小,相鄰建筑物等沉降少等優(yōu)點。逆作法施工可分為封閉式逆作法施工(又稱全逆作法施工)和開敞式逆作法施工(又稱半逆作法施工),具體選用哪種施工方法,需根據結構體系、基礎選型、建筑物周圍環(huán)境以及施工機具與施工經驗等因素確定。

在土方開挖之前,先澆筑地下連續(xù)墻,作為該建筑的基礎墻或基坑支護結構的圍護墻,同時在建筑物內部澆筑或打下中間支撐柱(又稱中支樁)。然后開挖土方至地下一層頂面底的標高處,澆筑該層的樓蓋結構(留有部分工作面),這樣已完成的地下一層頂面樓蓋結構即作為周圍地下連續(xù)墻的水平支撐。然后由上向下逐層開挖土方和澆筑各層地下結構,直至底板封底。同時,由于地面一層的樓面結構已完成,為上部結構施工創(chuàng)造了條件,這樣可以同時向上逐層進行地上結構的施工。

開敞式逆作法即在地面以下,從地面開始向地下室底面施工。地下部分施工方法與封閉式逆作法相同,只是不同時施工地上部分。

2.3.3　基坑降水排水

2.3.3.1　降水方法、類別及適用條件

基坑的排水降水方法很多,一般常用的有明式排水法和井點降水法兩類。

(1)明式排水法是在基坑開挖過程中,在坑底設置集水井,并沿坑底的周圍或中央開挖排水溝,使水流入集水井內,然后用水泵抽出坑外。明式排水法包括普通明溝排水法和分層明溝排水法。

(2)井點降水法是在基坑的周圍埋下深于基坑底的井點或管井,以總管連接抽水,使地下水位下降形成一個降落漏斗,并降低到坑底以下0.5～1.0m,從而保證可在干燥無水的狀態(tài)下挖土,不但可防止流砂、基坑邊坡失穩(wěn)等問題,而且便于施工。井點降水方法的種類有單層輕型井點、多層輕型井點、噴射井點、電滲井點、管井井點、深井井點等。

井點降水法可根據土的種類,透水層位置、厚度,土的滲透系數,水的補給源,井點布置形式,要求降水深度,鄰近建筑,管線情況,工程特點,場地及設備條件以及施工技術水平等情況比較,作出經濟和節(jié)能的選擇,選用一種或兩種,或井點降水與明溝排水綜合使用,可參照表2.4。

一般來講,當土質情況良好、土的降水深度不大時,可采用單層輕型井點;當降水深度超過6m,且土層垂直滲透系數較小時,宜用二級輕型井點或多層輕型井點,或在坑中另布置井點,以分別降低上層土及下層土的水位。當土的滲透系數小于0.1m/d時,可在一側增加電極,改用電滲井點降水;如土質較差,降水深度較大,采用多層輕型井點設備增多,土方量增大,經濟效率低,采用噴射井點較為適宜;如果降水深度不大,土的滲透系數大,涌水量大,降水時間長,可選用管井井點;如果降水很深,涌水量大,土層復雜多變,降水時間很長,此時宜選用深井井點,最為有效而經濟。當各種井點降水方法影響鄰近建筑物產生不均勻沉降和使用安全,應采用回灌井點或在基坑有建筑物一側采用旋噴樁加固土壤和防滲,對側壁和坑底進行加固處理。

2.3.3.2　基坑明式排水法

1.普通明溝排水法

普通明溝排水法是采用截、疏、抽的方法進行排水,即在開挖基坑時,沿坑底周圍或中央開挖排水溝,再在溝底設置集水井,使基坑內的水經排水溝流入集水井內,然后用水泵抽出坑外,如圖2.23和圖2.24所示。

根據地下水量、基坑平面形狀及水泵的抽水能力,每隔30～40m設置一個集水井。集水井的截面一般為0.6m×0.6m～0.8m×0.8m,其深度隨著挖土的加深而加深,并保持低于挖土面0.8～1.0m,井壁可用竹籠、磚圈、木枋或鋼筋籠等作簡易加固;當基坑挖至設計標高后,井底應低于坑底1～2m,并鋪設0.3m碎石濾水層,以免由于抽水時間較長而將泥砂抽出,并防止井底的土被攪動。一般基坑排水溝深0.3～0.6m,底寬應不小于0.3m,排水溝的邊坡為1.1～1.5m,溝底設有0.2%～0.5%的縱坡,其深度隨著挖土的加深而加深,并保持水流的暢通?；铀闹艿呐潘疁霞凹仨氃O置在基礎范圍以外以及地下水流的上游。

集水坑排水所用機具主要為離心泵、潛水泵和軟軸泵。選用水泵類型時,一般取水泵的排水量為基坑涌水量的1.5～2.0倍。

2.分層明溝排水法

基坑較深,開挖土層由多種土壤組成。中部夾有透水性強的砂類土壤時,為避免上層地下水沖刷下部邊坡,造成塌方,可在基坑邊坡上設置2～3層明溝及相應的集水井,分層阻截土層中的地下水,如圖2.25所示。這樣一層一層地加深排水溝和集水井,逐步達到設計要求的基坑斷面和坑底標高,其排水溝與集水井的設置及基本構造基本與普通明溝排水法相同。

2.3.3.3　人工降水

1.輕型井點

輕型井點降低地下水位是沿基坑周圍以一定的間距埋入井點管(下端為濾管),在地面上用水平鋪設的集水總管將各井點管連接起來,在一定位置設置離心泵和水力噴射器。離心泵驅動工作水,當水流通過噴嘴時形成局部真空,地下水在真空吸力的作用下經濾管進入井管,然后經集水總管排出,從而降低了水位。

(1)設備。

輕型井點系統(tǒng)由井點管、連接管、集水總管及抽水設備等組成,如圖2.26所示。

1)井點管。井點管多用無縫鋼管,長度一般為5～7m,用直徑為38～55mm的鋼管。井點管的下端裝有濾管和管尖,其構造如圖2.27所示。濾管直徑常與井點管直徑相同,長度為1.0～1.7m,管壁上鉆有直徑為12～18mm的星棋狀排列濾孔。管壁外包兩層濾網,內層為細濾網,采用30～50孔/cm的黃銅絲布或生絲布,外層為粗濾網,采用8～10孔/cm的鐵絲布或尼龍絲布。常用的濾網類型有方織網、斜織網和平織網。一般在細砂中適宜采用平織網,中砂中宜采用斜織網,粗砂、礫石中則用方織網。為避免濾孔淤塞,在管壁與濾網間用鐵絲繞成螺旋形隔開,濾網外面再圍一層8號粗鐵絲保護網。濾管下端放一個錐形鑄鐵頭以利井管插埋。井點管的上端用彎管接頭與總管相連。

2)連接管與集水總管。連接管用膠皮管、塑料透明管或鋼管彎頭制成,直徑為38～55mm。每個連接管均宜裝設閥門,以便檢修井點。集水總管一般用直徑為100～127mm的鋼管分布連接,每節(jié)長約4m,其上裝有與井點管相連接的短接頭,間距0.8m或1.6m或2.2m。

3)抽水設備?，F在多使用射流泵井點,如圖1.28所示。射流泵采用離心泵驅動工作水運轉,當水流通過噴嘴時,由于截面收縮,流速突然增大而在周圍產生真空,把地下水吸出,而水箱內的水呈一個大氣壓的天然狀態(tài)。射流泵能產生較高真空度,但排氣量小,稍有漏氣則真空度易下降,因此它帶動的井點管根數較少。但它耗電少、重量輕、體積小、機動靈活。

(2)布置。

輕型井點系統(tǒng)的布置,應根據基坑平面形狀及尺寸、基坑的深度、土質、地下水位及流向、降水深度等因素確定。設計時主要考慮平面和高程兩個方面。

當基坑或溝槽寬度小于6m,降水深度不超過5m時,可采用單排井點,將井點管布置在地下水流的上游一側,兩端延伸長度不小于坑槽寬度,如圖2.29所示;反之,則應采用雙排井點,位于地下水流上游一排井點管的間距應小些,下游一排井點管的間距可大些。當基坑面積較大時,則應采用環(huán)形井點,如圖2.30所示。井點管距離基坑壁不應小于1～1.5m,間距一般為0.8～1.6m。

(3)施工工藝。

井點施工工藝包括以下步驟:定位放線→鋪設總管→沖孔→安裝井點管→添砂礫濾料、黏土封口→用彎聯管接通井點管與總管→安裝抽水設備并與總管接通→安裝集水箱和排水管→真空泵排氣→離心水泵抽水→測量觀測井中地下水位變化。

1)準備工作。根據工程情況與地質條件,確定降水方案,進行輕型井點的設計計算。根據設計準備所需的井點設備、動力裝置、井點管、濾管、集水總管及必要的材料。施工現場準備工作包括排挖水溝、泵站的處理等。對于在抽水影響半徑范圍內的建筑物及地下管線應設置監(jiān)測標點,并準備好防止沉降的措施。

2)井點管的埋設。井點管的埋設一般用水沖法進行,并分為沖孔與埋管填料兩個過程。沖孔時先用起重設備將直徑為50～70mm的沖管吊起,并插在井點埋設位置上,然后開動高壓水泵(一般壓力為0.6～1.2MPa),將土沖松,如圖2.31(a)所示。沖孔時沖管應垂直插入土中,并做上下左右擺動,以加速土體松動,邊沖邊沉。沖孔直徑一般為250～300mm,以保證井管周圍有一定厚度的砂濾層。沖孔深度宜比濾管底深0.5～1.0m,以防沖管拔出時,部分土顆粒沉淀于孔底而觸及濾管底部。

在埋設井點時,沖孔是一個重要的環(huán)節(jié),沖水壓力不宜過大或過小。當沖孔達到設計深度時,須盡快減低水壓。

井孔沖成后,應立即拔出沖管,插入井點管,并在井點管與孔壁之間迅速填灌砂濾層,以防孔壁塌土,如圖2.31(b)所示。砂濾層一般選用干凈粗砂,填灌均勻,并填至濾管頂上部1.0～1.5m,以保證水流通暢。井點填好砂濾料后,須用黏土封好井點管與孔壁間的上部空間,以防漏氣。

3)連接與試抽。將井點管、集水總管與水泵連接起來,形成完整的井點系統(tǒng)。安裝完畢,需進行試抽,以檢查是否有漏氣現象。開始正式抽水后,一般不宜停抽,時抽時停,濾網易堵塞,也易抽出土顆粒,使水混濁,并引起附近建筑物由于土顆粒流失而沉降開裂。正常的降水是細水長流、出水澄清。

4)井點運轉與監(jiān)測。井點運行后要連續(xù)工作,應準備雙電源以保證連續(xù)抽水。真空度能判斷井點系統(tǒng)是否運行良好,一般應不低于55.3～66.7kPa。如真空度不夠,通常是由于管路漏氣,應及時修復。如果通過檢查發(fā)現淤塞的井點管太多,嚴重影響降水效果時,應逐個用高壓水反沖洗或拔出重新埋設。

井點運行過程中應加強監(jiān)測,井點監(jiān)測項目包括流量觀測、地下水位觀測、沉降觀測三方面。

流量觀測可用流量表或堰箱。若發(fā)現流量過大而水位降低緩慢甚至降不下去時,可考慮改用流量較大的水泵;若流量較小而水位降低較快則可改用小型水泵以免離心泵無水發(fā)熱,并可節(jié)約電力。

地下水位觀測井的位置和間距可按設計需要布置,可用井點管作為觀測井。在開始抽水時,每隔4～8h測1次,以觀測整個系統(tǒng)的降水效果。3d后降水達到預定標高前,每日觀測1～2次。地下水位降到預定標高后,可數日或一周測1次,但若遇下雨,須加密觀測。

在抽水影響范圍內的建筑物和地下管線,應進行沉降觀測。觀測次數一般每天1次,在異常情況下須加密觀測,每天不少于2次。

2.噴射井點

當基坑開挖所需降水深度超過8m時,一層輕型井點就難以收到預期的降水效果,這時如果場地許可,可以采用兩層甚至多層輕型井點增加降水深度,達到設計要求。但是這樣會增加基坑土方施工工程量,增加降水設備用量并延長工期,也擴大了井點降水的影響范圍而對環(huán)境保護不利。因此,當降水深度超過8m時,宜采用噴射井點。

(1)噴射井點設備。

根據工作流體的不同,噴射井點可分為噴水井點和噴氣井點兩種。兩者的工作原理是相同的。噴射井點系統(tǒng)主要由噴射井點管、高壓水泵(或空氣壓縮機)和管路系統(tǒng)組成,如圖2.32所示。

1)噴射井點管。噴射井點管由內管和外管組成,在內管的下端裝有噴射揚水器與濾管相連,如圖2.33所示。當噴射井點工作時,由地面高壓離心水泵供應的高壓工作水經過內外管之間的環(huán)形空間直達底端,在此處工作流體由特制內管的兩側進水孔至噴嘴噴出,在噴嘴處由于斷面突然收縮變小,使工作流體具有極高的流速,在噴口附近造成負壓,將地下水經過濾管吸入,吸入的地下水在混合室與工作水混合,然后進入擴散室,水流在強大壓力的作用下把地下水同工作水一同揚升出地面,經排水管道系統(tǒng)排至集水池或水箱,一部分用低壓泵排走;另一部分供高壓水泵壓入井管外管內作為工作水流。如此循環(huán)作業(yè),將地下水不斷從井點管中抽走,使地下水逐漸下降,達到設計要求的降水深度。

2)高壓水泵。高壓水泵一般可采用流量為50～80m3/h、壓力為0.7～0.8MPa的多級高壓水泵,每套約能帶動20～30根井管。

3)管路系統(tǒng)。管路系統(tǒng)包括進水、排水總管(直徑150mm,每套長度60m)、接頭、閥門、水表、溢流管、調壓管等管件、零件及儀表。

噴射井點用作深層降水,應用在滲透系數在0.1～20m/s的粉土、極細砂和粉砂中較為適用。在較粗的砂粒中,由于出水量較大,循環(huán)水流不經濟,這時宜采用深井泵。一般一級噴射井點可降低地下水位8～20m,甚至高于20m。

(2)噴射井點設計。

噴射井點在設計時其管路布置和剖面布置與輕型井點基本相同。基坑面積較大時,采用環(huán)形布置,如圖2.33所示;基坑寬度小于10m時采用單排線型布置;大于10m時作雙排布置。噴射井管間距一般為3～6m。當采用環(huán)形布置時,進出口(道路)處的井點間距可擴大為5～7m。每套井點的總管數應控制在30根左右。

(3)噴射井點施工工藝及要點。

噴射井點施工工藝為:泵房設置→安裝進、排水總管→水沖或鉆孔成井→安裝噴射井點管、填濾管→接通進、排水總管,并與高壓水泵或空氣壓縮機接通→將各井點管的外管管口與排水管接通,并通過循環(huán)水箱→啟動高壓水泵或空氣壓縮機抽水→離心水泵排除循環(huán)水箱中多余的水→測量觀測井中地下水位變化。

噴射井點的施工要點如下。

1)噴射井點管埋設方法與輕型井點相同,其成孔直徑為400～600mm。為保證埋設質量,宜用套管法沖孔加水及壓縮空氣排泥,當套管內含泥量經測定小于5%時,下井管及灌砂,然后再拔套管。對于10m以上的噴射井點管,宜用吊車下管。下井管時,水泵應先開始運轉,以便每下好一根井點管立即與總管接通,然后及時進行單根試抽排泥,讓井管內出來的泥漿從水溝排出。

2)全部井點管埋設完畢后,再接通回水總管全面試抽,然后使工作水循環(huán),進行正式工作。各套進水總管均應用閥門隔開,各套回水管應分開。

3)為防止噴射器損壞,安裝前應對噴射井管逐根沖洗,開泵壓力要小些(不大于0.3MPa),以后再將其逐步開足。如果發(fā)現井點管周圍有翻砂、冒水現象,應立即關閉井管檢修。

4)工作水應保持清潔,試抽2d后,應更換清水,以后視水質污濁程度定期更換清水,以減輕對噴嘴及水泵葉輪的磨損。

(4)噴射井點的運轉和保養(yǎng)。

噴射井點比較復雜,在井點安裝完成后,必須及時試抽,及時發(fā)現和消除漏氣和“死井”。在其運轉期間,需進行監(jiān)測以了解裝置性能,及時觀測地下水位變化;測定井點抽水量,通過地下水量的變化,分析降水效果及降水過程中出現的問題;測定井點管真空度,檢查井點工作是否正常。此外,還可通過聽、摸、看等方法來檢查:

聽——有上水聲是好井點,無聲則可能井點已被堵塞;

摸——手摸管壁感到振動,另外,冬天熱而夏天涼為好井點,反之則為壞井點;

看——夏天濕、冬天干的井點為好井點。

3.電滲井點

在滲透系數小于0.1m/d的黏土或淤泥中降低地下水位時,比較有效的方法是電滲井點排水。

電滲井點排水的原理如圖2.34所示,以井點管作負極,以打入的鋼筋或鋼管作正極,當通以直流電后,土顆粒即自負極向正極移動,水則自正極向負極移動而被集中排出。土顆粒的移動稱電泳現象,水的移動稱電滲現象,故名電滲井點。

電滲井點的施工要點如下:

(1)電滲井點埋設程序,一般是先埋設輕型井點或噴射井點管,預留出布置電滲井點陽極的位置,待輕型井點或噴射井點降水不能滿足降水要求時,再埋設電滲陽極,以改善降水效果。陽極埋設可用75mm旋葉式電鉆鉆孔埋設,鉆進時加水和高壓空氣循環(huán)排泥,陽極就位后,利用下一鉆孔排出泥漿倒灌填孔,使陽極與土接觸良好,減少電阻,以利電滲。如深度不大,可用錘擊法打入。陽極埋設必須垂直,嚴禁與相鄰陰極相碰,以免造成短路,損壞設備。

(2)通電時,工作電壓不宜大于60V,電壓梯度可采用50V/m,土中通電的電流密度宜為0.5～1.0A/m2。為避免大部分電流從土表面通過,降低電滲效果,通電前應清除井點管與陽極間地面上的導電物質,使地面保持干燥,如涂一層瀝青絕緣效果更好。

(3)通電時,為消除由于電解作用產生的氣體積聚于電極附近,使土體電阻增大,而加大電能的消耗,宜采用間隔通電法,每通電22h,停電2h,然后再通電,依此類推。

(4)在降水過程中,應對電壓、電流密度、耗電量及觀測孔水位等進行量測記錄。

4.深井井點

深井井點降水的工作原理是利用深井進行重力集水,在井內用長軸深井泵或井內用潛水泵進行排水以達到降水或降低承壓水壓力的目的。深井井點適用于滲透系數較大(K≥200m/d)、涌水量大、降水較深(可達50m)的砂土、砂質粉土,及用其他井點降水不易解決的深層降水。深井井點的降水深度不受吸程限制,由水泵揚程決定,在要求水位降低大于5m,或要求降低承壓水壓力時,排水效果好。井距大,對施工平面布置干擾小。

(1)深井井點設備。深井井點系統(tǒng)由深井、井管和深井泵(或潛水泵)組成,如圖2.35所示。

(2)深井井點布置。對于采用坑外降水的方法,深井井點的布置根據基坑的平面形狀及所需降水深度,沿基坑四周呈環(huán)形或直線型布置,井點一般沿工程基坑周圍離開邊坡上緣0.5～1.5m布置,井距一般為30m左右。當采用坑內降水時,同樣可按棋盤狀點狀方式布置,如圖2.36所示,根據單井涌水量、降水深度及影響半徑等確定井距,在坑內呈棋盤形點狀布置。一般井距為10～30m。井點宜深入到透水層6～9m,通常還應比所應降水深度深6～8m。

(3)深井井點施工程序及要點:

1)井位放樣、定位。

2)做井口,安放護筒。井管直徑應大于深井泵最大外徑50mm,鉆孔孔徑應大于井管直徑300mm以上。安放護筒以防孔口塌方,并為鉆孔起到導向作用。做好泥漿溝與泥漿坑。

3)鉆機就位、鉆孔。深井的成孔方法可采用沖擊鉆、回轉鉆、潛水電鉆等,用泥漿護壁或清水護壁法成孔。清孔后回填井底砂墊層。

4)吊放深井管與填濾料。井管應安放垂直,過濾部分應放在含水層范圍內。井管與土壁間填充粒徑大于濾網孔徑的砂濾料。填濾料要一次連續(xù)完成,從底填到井口下1m左右,上部采用黏土封口。

5)洗井。若水較混濁,含有泥砂、雜物會增加泵的磨損,減少壽命或使泵堵塞,可用空壓機或舊的深井泵來洗井,使抽出的井水清潔后,再安裝新泵。

6)安裝抽水設備及控制電路。安裝前應先檢查井管內徑、垂直度是否符合要求。安放深井泵時,用麻繩吊入濾水層部位,并安放平穩(wěn),然后接電動機電纜及控制電路。

7)試抽水。深井泵在運轉前,應用清水預潤(清水通入泵座潤滑水孔,以保證軸與軸承的預潤)。檢查電氣裝置及各種機械裝置,測量深井的靜、動水位。達到要求后,即可試抽,一切滿足要求后,再轉入正常抽水。

8)降水完畢拆除水泵、拔井管、封井。降水完畢,即可拆除水泵,用起重設備拔除井管。拔出井管所留的孔洞用砂礫填實。

5.降水對環(huán)境的影響及防治措施

井點降水時,井點管周圍含水層的水不斷流向濾管。在無承壓水等環(huán)境條件下,經過一段時間之后,在井點周圍形成漏斗狀的彎曲水面,即“降水漏斗”曲線。經過幾天或幾周后,降水漏斗漸趨穩(wěn)定。降水漏斗范圍內的地下水位下降后,就必然會造成地基固結沉降。由于降水漏斗不是平面,因而產生的沉降也是不均勻的。在實際工程中,由于井點管濾網和砂濾層結構不良,把土層中的細顆粒同地下水一同抽出,就會使地基不均勻沉降加劇,造成附近建筑物及地下管線不同程度的損壞。

在基坑降水開挖中,為了防止鄰近建筑物受影響,可采用以下措施:

(1)井點降水時應減緩降水速度,均勻出水,勿使土粒帶出。降水時要隨時注意抽出的地下水是否混濁。抽出的水中帶走細顆粒,不但會增加周圍地面的沉降,而且會使井管堵塞、井點失效。為此,應選用合適的濾網與回填的砂濾料。

(2)井點應連續(xù)運轉,盡量避免間歇和反復抽水,以減小在降水期間引起的地面沉降量。

(3)降水場地外側設置擋水帷幕,減小降水影響范圍。降水場地外側設置一圈擋水帷幕,切斷“降水漏斗”曲線的外側延伸部分,減小降水影響范圍。一般擋水帷幕底面應在降落后的水位線2m以下。常用的擋水帷幕可采用地下連續(xù)墻、深層水泥土攪拌樁等。

(4)設置回灌水系統(tǒng),保護鄰近建筑物與地下管線?；毓嗨到y(tǒng)包括回灌井、回灌溝。

6.基坑外地面排水

基坑(槽)形成以后,地下水滲透流量相應增大,基坑邊坡和底部的動水壓力加大,容易引起管涌或流土,造成塌坡和基坑底隆起的嚴重后果。因此,在整個基礎工程施工期間,應進行周密的排水系統(tǒng)的布置、滲透流量的計算和排水設備的選擇,并注意觀察基坑邊坡和基坑底面的變化,保證基坑工作順利進行。基坑排水主要包括基坑外地面排水和坑內排水。

地面水的排除一般采用排水溝、截水溝、擋水土壩等措施。應盡量利用自然地形來設置排水溝,使水直接排至場外,或流向低洼處再用水泵抽走。主排水溝最好設置在施工區(qū)域的邊緣或道路的兩旁,其橫斷面和縱向坡度應根據最大流量確定。一般排水溝的橫斷面不小于0.5m×0.5m,縱向坡度一般不小于3︰1000。平坦地區(qū),如排水困難,其縱向坡度不應小于2︰1000,沼澤地區(qū)坡度可減至1︰1000。場地平整過程中,要注意使排水溝保持暢通。

山區(qū)的場地平整施工,應在較高一面的山坡上開挖截水溝。在低洼地區(qū)施工時,除開挖排水溝外,必要時應修筑擋水土壩,以阻擋雨水的流入。