硬岩地层深基坑非爆开挖及板肋式锚杆挡墙施工技术浅谈

发表时间:2019/5/8   来源:《防护工程》2019年第2期   作者:刁国君
[导读] 本工程深基坑所采取的一系列综合控制措施是有效的、成功的,这为今后国内、外类似大型超深、超大硬岩基坑开挖施工提供了经验。

中铁隧道局集团路桥工程有限公司  天津  300000
  摘要:重庆轨道交通五号线巴山站深基坑位于砂岩地层,地下水主要为大气降水及城市地下排水管线渗漏补给。针对本工程地质情况,基坑开挖采用非爆开挖,围护结构采用板肋式锚杆挡墙,本文介绍了该深基坑开挖、板肋式锚杆挡墙施工技术和措施。
  关键词:硬岩;深基坑开挖;板肋式锚杆挡墙
  
  
  1工程概况
  1.1设计概况
  巴山站线沿石新路呈东北~西南向布置位于重庆市九龙坡区石新路正下方,为地下二/三层平行双岛车站。巴山站为全线越行站,采用双岛四线的形式,车站起讫里程DK31+595.821~DK32+026.821,总长431m,基坑开挖宽度13.2~37.5m,开挖深度为16.4~34.6m,围护结构采用肋板锚杆挡墙,挡墙顶部设500×600mm的冠梁。详见图1、图2。
  车站和站前配线段基坑下部采用板肋式锚杆挡墙支护,挡板厚度200mm,肋柱截面尺寸400×600mm,设置在迎土面侧,挡墙(肋柱)嵌入基坑底以下1m,挡墙顶设冠梁、挡墙底部设基础连系梁。肋柱(锚杆)水平间距2.5m,锚杆竖向间距2.5m,第一层锚杆距离冠梁顶面1.5m,锚杆采用砂浆锚杆,钻孔直径130mm。挡墙及肋柱混凝土等级为C30,砂浆等级M30,锚杆为3Φ28,沿肋柱布置。详见图3、图4。
  
  图4  板肋式锚杆挡墙断面图
  1.2地质岩性
  地层由上而下依次可分为:杂填土层厚度为1.5m~5.45m;砂质泥岩厚度为1.2m~5.4m;底部均为砂岩。
  砂质泥岩:紫褐色、紫红色为主,泥质结构,薄层状构造。表层强风化带一般厚度0.90~1.10m,强风化岩芯呈碎块状,风化裂隙发育,岩体质量等级为Ⅴ级;中风化岩芯呈柱状,岩体较完整,统计岩石室内饱和抗压强度为5.3Mpa。
  砂岩:灰色,中粒结构,薄~中厚层状构造,泥钙质胶结。主要矿物成分有:石英、长石等。砂岩强风化层厚度 0.70~2.20m,强风化岩芯多呈黄灰色,碎块状、短柱状,岩体基本质量等级为Ⅴ级;中风化岩芯呈柱状,岩体较完整,统计岩石室内饱和抗压强度为25.5MPa。
  
  图5  巴山站标准断面地质横断面图
  2施工顺序安排
  施工准备→横向分三部分进行开挖,从深往浅方向从中间拉马道开挖→纵向分段、竖向分层开挖两侧土石方→板肋式锚杆挡墙分段分层逆作法施作→下一层土石方开挖→板肋式锚杆挡墙施作→开挖至基坑底,板肋式锚杆挡墙施作完成→主体结构施工。
  3施工方案
  该基坑开挖面积大,深度较深,由于基坑内无内支撑,基坑从地面至基坑底采用拉马道方式,开挖至首段基坑底后再后退式开挖。由于周边环境复杂,无法采用爆破施工,砂岩饱和抗压强度达到25.5Mpa,采用机械切割+静力破碎进行开挖。
  根据基坑工程地质情况,车站基坑按照围护结构板肋式锚杆挡墙施工工艺采用分层分段开挖,肋板墙按照设计图纸划分功能区域及变形缝按照25m/段划分。开挖过程中考虑两侧预留钢筋,砂质泥岩和岩层地质层开挖长度不得大于27m,每层开挖深度考虑预留钢筋长度不得大于3.5m。在基坑开挖过程中同步施工围护结构,围护结构按照跳段法开挖和施工。总体按“先中间再两边”的顺序进行开挖,每层开挖至设计锚杆底下1.5m时,及时按设计做好围护结构支护,确保围护结构稳定。按照先中间后两边的开挖方法施工,最大程度上增加临空面,两侧预留的台阶高度不得大于2m。
  4深基坑开挖技术
  4.1机械切割
  切割机锯缝按照纵横向切割,采用分台阶、分段、分层切割。切割机锯缝首先将基坑中间纵向切割形成可供碴土车、混凝土罐车、材料运输车等施工马道,宽度为9m~12m,马道两侧设置500*500mm排水沟。然后由马道两侧同步向外进行纵向切割锯缝,基坑纵向锯缝间距为0.5m,每隔25m按照肋板墙施工缝横向切割。基坑横向分为三个施工断面,先中间后两边。中间为施工马道9m~12m,两侧作业面宽度约为13m。每个施工断面按照0.5m深度进行切割,靠近基坑两侧的台阶跳段进行切割开挖,每段长度不大于27m。
  (1)场地平整,先采用履带式反铲挖掘机将岩石表面的覆盖土层进行挖除清理、汽车运输。对高出临时道路的强风化层及孤石采用反铲破碎器进行破碎,然后在岩石面上大致找平作为机械切割的工作平台。
  (2)岩石切割机就位,切割机为轨道式机械,轨道安装时需用枕木及木尖垫平保证双向水平状态,再将两条轨道固定在岩石上,沿基坑纵向和横向位置安装切割机轨道,机械下方垫平稳固确保机械的平稳性。机械安装完成后进行通电试机,试机确保安全有效后,进入正式切割作业。
  (3)岩石切割机进行切割,先纵向后横向的方法进行缓慢锯缝,然后根据岩体硬度按0.5~1米/分钟切割速度进行切割,切割完成后使岩体与周边分离。
  (4)按照上述工序有序组织施工,机械与人工循环工作面争取最合理的速度直至开挖3m后进行围护结构肋板墙施工,肋板墙混凝土强度达到80%后方可进行下一层切割开挖,依次循环至设计基坑底标高。
  4.2静力破碎
  静力破碎主要采用液压劈裂机,利用液压对岩石进行胀裂开,在最狭窄的孔中向外能够释放出极大的分裂力。液压劈裂机由泵站和液压棒两大部分组成,工作时由泵站输出的高压油驱动油缸,产生巨大推力,驱动液压棒组中的楔块向外伸出,将反向楔块向两边撑开,即可使被分裂物体分裂。
  具体施工工序如下:施工准备→钻孔→液压棒安装→岩体胀裂→液压棒吊出→炮锤式挖掘机破除。
  首先,采用专业钻机在指定位置进行钻孔,钻孔直径为0.2m,钻孔深度为1m,钻孔间距按照1m布设。
  其次,将直径为0.15m,长度为0.75m的液压劈裂机的液压棒插入孔中,中间液压棒通过液压泵站传输的压力作用由内向外释放出极大的能量,将被岩石按照预定的方向和部位进行胀裂。
  5板肋式锚杆挡墙施工技术
  5.1施工工艺流程
  板肋式锚杆挡墙施工工艺流程如图6所示。
  
  图6  板肋式锚杆挡墙施工工艺流程图
  5.2施工方法
  5.2.1施工准备
  板肋式锚杆挡墙主要由肋柱、板墙及锚杆组成。肋柱常规采用破碎机直接破除或人工开挖,若采用破碎锤直接破除,则肋柱处的开挖尺寸往往过大,肋柱槽成型不标准,且开挖所需时间较长,又增加了土石方开挖和混凝土工程量;若采用人工开挖,肋柱槽成型质量较好,但需大量人工、风镐设备,且开挖时间较长,以1根2.5m高的肋柱为例,人工开挖需2个人耗时近20小时。为确保肋柱施工质量、安全和快速等方面,特开发研制一种移动式立面硬岩切割机,采用动力电源,设置两片锯片,每层每根肋柱采用一次切割的方式,然后用破碎锤进行开挖,每根肋柱切割破除的时间约为40分钟。板墙及锚杆采用常规做法。
  根据设计图纸中外嵌肋柱式锚杆板挡墙的具体尺寸要求,研制符合设计尺寸要求的移动式立面硬岩切槽机,如图5-02所示。
  
  图7  研制移动式立面硬岩切槽机
  5.2.2肋柱切割破除
  (1)初次定位
  采用破碎锤进行石方开挖,开挖过程中分层分段,分层开挖高度注意钢筋连接长度,分段按不大于相邻变形缝间距,相邻两个开挖面需跳段施工。每段开挖至板墙开挖面后,对开挖面进行修整,不得欠挖。
  开挖至板墙开挖面后,移动切割机至拟施工部位进行初次定位,定位时,切割机垂直于开挖面,锯片与肋柱开挖线基本重合。
  (2)调整
  先通过调平支腿将工作平台调整至大致水平,再通过微调将工作平台调整水平,随后根据肋柱位置对工作平台进行左右调整至施工位置,再通过对工作平台进行前后调整,锯片尽量贴近开挖面。
  (3)切割
  启动切割控制柜,将锯片起升至施工缝位置,手动控制切割结构锯片至切割深度,启动变频自动升降锯片机构,手动深度控制手盘保持切割深度,锯割最低点。一般深入开挖平台不少于30cm,与下一层切割形成搭接,避免下一层切割时形成切割死角。切割完成后采用破碎锤进行肋柱石方开挖。
  5.2.3锚杆施工
  (1)钻孔
  采用潜孔钻机在肋柱位置进行锚杆孔打设,打设前调整钻孔角度,无误后进行钻孔,根据钻杆控制钻孔深度,孔深超过锚杆设计长度不小于0.5m,钻孔完成后进行清孔。
  (2)锚杆安装
  将制作好的锚杆组进行安装,安装过程中注意控制锚杆角度,避免在安装过程中因角度偏差过大造成安装困难,在锚杆安装过程中预留注浆管。锚杆接头采用直螺纹套筒连接,接头错开35d,在连接时将已安装的锚杆进行临时固定,然后进行连接,并用扭力扳手校核连接质量。
  (3)锚杆注浆
  锚杆注浆采用M30水泥砂浆,从孔底往孔口注浆,注浆压力0.3~0.5Mpa,采用普通硅酸盐水泥配置,砂浆锚杆固体与岩石间极限粘结力不小于500Kpa。孔口0.5m范围内采用1:3水泥砂浆封闭。灌浆过程中,应随进注意排气孔不被堵塞,待灌满浆,抽出灌浆管,封闭排气孔及灌浆孔。浆体硬化后不能充满锚固体时,应进行补浆。
  5.2.4钢筋绑扎
  (1)肋柱钢筋绑扎
  锚杆安装完成后进行肋柱钢筋绑扎,然后将锚杆端部与肋柱主筋进行临时固定,待挡板钢筋安装后,再将锚杆与肋柱钢筋主筋焊接。
  (2)板墙钢筋安装
  在板墙钢筋安装前先将上一组竖向钢筋人工进行调整,采用吊线方式进行定位筋安放,然后进行板墙钢筋安装,先进行竖向钢筋安装,与上一组连接采用焊接,然后进行水平筋安装,搭接处进行焊接,然后安装保护层垫块。
  5.2.5模板安装
  肋板墙混凝土浇筑模板采用定制钢模板,面板厚度3mm,宽度1.25m,高2.8m,模板拼装为防止浇注砼时漏浆,板缝,板缝间嵌一层泡沫条,使其缝严密,一次关模高度2.5m。模板间隔设置浇筑窗口,竖向设置50mm*100mm方木对模板进行加固,间距0.5m;横向设置双拼φ48钢管与拉杆连接,间距0.8m;底部设置一根100mm*100mm方木加固,每间隔2m设置一组斜撑钢管加固,每组3根。模板下方采用土方进行垫实,施工下一组时挖除,便于钢筋连接。
  
  图9  模板支撑体系断面图
  5.2.6混凝土浇筑
  肋板墙混凝土浇筑可采用汽车泵、塔吊及溜槽等方式结合进行浇筑,分层浇筑,浇筑从一端向另一端进行。肋板墙的混凝土振捣采用插入式振动器,在灌注口插入振捣,模板外侧主要采用橡胶锤或者具有弹性物体敲打模板进行振捣。
  混凝土浇筑完成后,对施工缝进行凿毛,凿毛成斜面,便于逆作法混凝土浇筑在施工缝处的密实。
  
  图10  施工缝处凿毛处理示意图
  4结语
  本工程施工过程中,期间未发生任何危及基坑安全及周边环境事故,这都归于开挖前期的调研准备工作及开挖过程中设备的选型、设备的研制、工法的创新、严格合理的施工控制是分不开的。实践证明,本工程深基坑所采取的一系列综合控制措施是有效的、成功的,这为今后国内、外类似大型超深、超大硬岩基坑开挖施工提供了经验。
  参考文献:
  [1]《建筑边坡工程技术规程》(GB50330-2013)《Technical regulations for building slope engineering》(GB50330-2013)
  [2]《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)
  《Technical regulations for foundation pit support》(JGJ 120-2012)
  [3]《铁路工程地基处理技术规程》(TB10106-2010)
  《Railway engineering foundation treatment technical regulations》(TB10106-2010)
  [4]《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204-2015)
  《Concrete structure engineering construction quality acceptance specification》(GB50204-2015)

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