深基坑圍護(hù)新技術(shù)——“凍結(jié)排樁法”

    信息化施工潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋南汊橋采用跨徑1490m雙塔單跨雙鉸鋼箱梁懸索橋方案，是我國(guó)目前跨徑最大的橋梁，位居世界第三。懸索橋兩根主纜6.8萬(wàn)噸拉力通過錨碇及重力式嵌巖基礎(chǔ)傳至地基。南錨碇基礎(chǔ)尺寸為70.5m×52.5m×29m（長(zhǎng)×寬×深），為特大型嵌巖深基坑工程。設(shè)計(jì)方案經(jīng)過初步設(shè)計(jì)階段、技術(shù)設(shè)計(jì)階段和帶案招標(biāo)設(shè)計(jì)階段等對(duì)沉井、地下連續(xù)墻、凍結(jié)、地下連續(xù)墻加凍結(jié)、排樁加凍結(jié)基礎(chǔ)方案的反復(fù)論證和比較，最終確定在國(guó)內(nèi)首次采用 “凍結(jié)排樁基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案”。
 1、工程地質(zhì)及水文情況
 1.1工程地質(zhì)狀況南錨碇位于鎮(zhèn)江岸農(nóng)田內(nèi)，距江邊大堤540m，距達(dá)標(biāo)大堤270m。地處下?lián)P子板塊前陸褶皺沖斷區(qū)寧鎮(zhèn)沖斷帶。錨區(qū)地面高程+3.0m（黃海高程系統(tǒng)，以下同），，第四系覆蓋層主要以軟塑淤泥質(zhì)亞粘土、亞粘土與粉砂互層為主，底層為3～5m粉細(xì)砂，總厚27.80～29.40m�；鶐r的巖性為二長(zhǎng)風(fēng)化花崗巖，層面總體上較為平緩，標(biāo)高在-24.80～-26.40m之間，但全風(fēng)化層和強(qiáng)風(fēng)化層分布不均勻。在基坑西側(cè)巖石呈碎裂結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育。
 1.2水文條件南錨碇場(chǎng)區(qū)地下水位為+1.8～+2.2m，由于區(qū)域斷裂構(gòu)造的疊加影響及長(zhǎng)江漫灘沖刷沉積，賦存兩大含水層組——第四系孔隙微承壓含水層組及基巖裂隙微承壓含水層組，其滲透系數(shù)分別為2.0m/d和0.006～0.4 m/d，兩個(gè)含水層與長(zhǎng)江水系均有不同程度的水力聯(lián)系。
 2、凍結(jié)排樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工
 2.1基本原理 深大基坑工程施工關(guān)鍵技術(shù)是解決封水和擋土問題。南錨碇凍結(jié)排樁圍護(hù)體系是以含水地層凍結(jié)形成的凍結(jié)帷幕為基坑的封水結(jié)構(gòu)，以排樁及內(nèi)支撐系統(tǒng)為抵抗水土壓力的承力結(jié)構(gòu)，將二者的優(yōu)勢(shì)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成一種新的圍護(hù)技術(shù)，較好地解決了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌巖及封水問題。
 2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
 2.2.1排樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沿基坑四周布置140φ150cm@170cm(172.5cm)鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)35m，嵌巖6m�；�坑內(nèi)設(shè)7道鋼筋混凝土水平支撐，并由29根鋼格構(gòu)作為水平支撐的支承立柱。
 2.2.2凍結(jié)帷幕設(shè)計(jì)凍結(jié)帷幕布置在排樁外側(cè)，設(shè)計(jì)采用單排凍結(jié)孔凍結(jié)封水，與排樁插花布置，間距1.70m（1.725m），距離排樁中心線1.4m。凍結(jié)孔數(shù)量為144個(gè)，孔深40m，凍結(jié)帷幕入巖11m。為了保護(hù)凍結(jié)帷幕不會(huì)因地下水繞流沖刷融化，同時(shí)增加封水深度減少基底的涌水量和揚(yáng)壓力，沿基坑一周共設(shè)置74個(gè)注漿孔，在凍結(jié)前，對(duì)深度37～45m范圍內(nèi)的基巖裂隙進(jìn)行地面預(yù)注漿封堵。含水地層經(jīng)凍結(jié)后產(chǎn)生凍脹，當(dāng)這種凍脹受到約束時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生凍脹力。為了降低凍脹力對(duì)排樁結(jié)構(gòu)不利影響，設(shè)計(jì)采取在凍結(jié)帷幕外側(cè)覆蓋層土體內(nèi)設(shè)置288φ25cm卸壓孔。為了有效地釋放凍脹力，卸壓孔內(nèi)注滿優(yōu)質(zhì)泥漿。以防孔壁坍塌。 
 2.3施工工藝
 2.3.1工藝流程
 2.3.2預(yù)注漿施工 ① 注漿工藝根據(jù)錨碇場(chǎng)區(qū)地質(zhì)水文條件，施工采用下行式注漿方案。施工設(shè)備主要有地質(zhì)鉆機(jī)、注漿機(jī)和制漿機(jī)。注漿施工順序?yàn)椋恒@機(jī)就位 固管段鉆進(jìn)施工 下鋼套管、固管 第一段高取芯 清孔 壓水試驗(yàn) 漿液配制 注漿 養(yǎng)護(hù) 第二段高取芯、注漿 ②注漿相關(guān)參數(shù)㈠注漿深度：-34.0米～-42.0米，注漿段高為8.0米，分兩個(gè)段高，每段4m。㈡注漿壓力：注漿的終壓為靜水壓力的1.5~4倍，即0.6~1.8MPa之間。㈢注漿擴(kuò)散半徑：2.5~4m。㈣注漿材料：p.o32.5普硅水泥+40°Be水玻璃。㈤漿液配比：水泥漿液配比（水灰比）2：1、1.5：1、1.25：1、1：1、0.8：1、0.7：1、0.6：1七種，根據(jù)注漿鉆孔時(shí)的吸水量確定漿液濃度，如吸水量小，說明可注性差，選擇稀漿高壓注漿；反之亦然。  2.3.2 排樁施工排樁采用跳鉆成孔施工工藝。根據(jù)排樁設(shè)計(jì)凈距20cm（22.5cm）要求，施工重點(diǎn)控制成孔質(zhì)量，主要是垂直度（1/200）和孔徑（擴(kuò)孔系數(shù)1.05）控制，其施工要點(diǎn)： ① 選擇鉆機(jī)剛度較大，導(dǎo)向性好地反循環(huán)鉆機(jī)鉆孔，優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土化學(xué)泥漿護(hù)壁。 ② 安裝鉆機(jī)時(shí)要使鉆盤、底座水平，起重滑輪中心、鉆桿中心和護(hù)筒中心“三點(diǎn)一線”。 ③ 采取配重-減壓鉆進(jìn)工藝，俗稱“吊著打”，控制鉆孔垂直度；根據(jù)土質(zhì)變化，合理選擇鉆頭及鉆進(jìn)參數(shù)，覆蓋層用刮刀鉆頭中速鉆進(jìn)，基巖用滾刀鉆頭低速鉆進(jìn)。 ④ 采用JJC-1A檢測(cè)儀測(cè)量孔徑、孔斜等指標(biāo)，一般在成孔過程中檢測(cè)一次，終孔驗(yàn)收檢測(cè)一次，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)解決。 ⑤ 鉆進(jìn)、清孔過程中，保持孔內(nèi)外水頭差。施工高峰時(shí)有19臺(tái)鉆機(jī)同時(shí)進(jìn)行鉆孔，65天完成140根鉆孔灌注排樁，樁身質(zhì)量用超聲波脈沖檢測(cè)法逐根進(jìn)行檢測(cè)，全部為A類樁。
 2.3.3 凍結(jié)帷幕施工 ① 凍結(jié)孔、卸壓孔施工在鹽水溫度、凍結(jié)管直徑相同的凍結(jié)條件下，凍結(jié)帷幕的形成時(shí)間與凍結(jié)孔開孔間距、鉆孔偏斜率有關(guān)，間距越大，凍結(jié)帷幕的形成時(shí)間就越長(zhǎng)。為了達(dá)到凍結(jié)帷幕形成時(shí)間、厚度基本一致，必須按照設(shè)計(jì)孔位進(jìn)行精確放樣，并嚴(yán)格控制鉆孔偏斜率，施工要求第四系覆蓋層偏斜率≯0.3%，基巖層≯0.5%。成孔后采用燈光或陀螺儀對(duì)鉆孔進(jìn)行測(cè)斜并繪制鉆孔偏斜平面圖，鉆孔超出規(guī)定偏斜要求需進(jìn)行糾偏或回填土重鉆等方法處理。卸壓孔施工時(shí)使用優(yōu)質(zhì)粘土粉、纖維素、面堿、聚丙烯酰胺等材料配置鉆進(jìn)泥漿和充填泥漿。為保持孔口穩(wěn)定，防止雜物落入孔內(nèi)使泄壓孔失效，在其周邊砌筑溝槽和孔口加蓋等措施進(jìn)行保護(hù)。 ② 凍結(jié)管安裝與試壓凍結(jié)管采用規(guī)格為Φ127×6mm低碳鋼無(wú)縫鋼管，內(nèi)供液管采用Φ50×5mm聚乙烯塑料管。凍結(jié)管下放到位后，進(jìn)行壓力試驗(yàn)，初壓力1.0~1.5MPa，經(jīng)30分鐘觀察，降壓≯0.05MPa，再延長(zhǎng)15分鐘壓力不降為合格。 ③ 積極凍結(jié)和積極凍結(jié)期積極凍結(jié)期是指凍結(jié)器開始循環(huán)低溫鹽水，土層降溫、凍結(jié)交圈、凍結(jié)壁達(dá)到設(shè)計(jì)厚度和溫度的過程。積極凍結(jié)所用的時(shí)間為積極凍結(jié)期。積極凍結(jié)技術(shù)指標(biāo)：鹽水溫度-28~-29℃；單孔不平衡溫度0.5℃；單孔流量5m3/h；凍土發(fā)展半徑20mm/d；積極凍結(jié)期計(jì)劃65d。凍結(jié)壁發(fā)展半徑、速度及交圈情況是根據(jù)埋設(shè)在地層內(nèi)不同位置、不同深度的溫度傳感器測(cè)得的溫度場(chǎng)進(jìn)行初步判定。最終判定凍結(jié)帷幕是否交圈是在坑內(nèi)進(jìn)行降水，觀測(cè)坑內(nèi)外水位變化情況。 圖6 凍結(jié)帷幕形成示意圖 ④維護(hù)凍結(jié)確定凍結(jié)帷幕形成并達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，即可進(jìn)入維護(hù)凍結(jié)階段。其主要目的是補(bǔ)充凍結(jié)帷幕隨時(shí)間損失的能量，控制凍結(jié)帷幕厚度不再繼續(xù)增長(zhǎng)或削弱，保證其在基坑開挖及回填階段達(dá)到有效封水。維護(hù)凍結(jié)期間，通過對(duì)凍結(jié)帷幕溫度的監(jiān)控確定鹽水溫度、流量等參數(shù)。 
 2.3.4 基坑開挖及支護(hù)基坑深度達(dá)29m，開挖方量近10萬(wàn)方。水平支撐為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，共7層；土方開挖分8層進(jìn)行，支撐采用“逆做法”，開挖一層澆筑一道支撐。由于凍土存在蠕變效應(yīng)，排樁暴露時(shí)間愈短愈好，盡可能減少支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形。對(duì)此，施工中采取以下措施： ① 規(guī)定排樁暴露時(shí)間不大于48h。 ② 每層開挖及支撐施工分三個(gè)區(qū)，即一個(gè)對(duì)策、兩個(gè)角撐，施工順序先對(duì)撐后角撐，開挖、支撐施工形成流水作業(yè)。 ③ 在淤泥質(zhì)亞粘土地層采用真空深井降水效果不佳，第三、四層輔以淺層輕型井點(diǎn)降水改善基坑作業(yè)環(huán)境，加快施工速度。 ④ 加大施工投入， 尤其增加土方開挖及提升設(shè)備。 ⑤ 加強(qiáng)信息化施工的管理，進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，動(dòng)態(tài)施工。
    2.3.5 基坑封底及混凝土回填基礎(chǔ)設(shè)計(jì)封底厚度2.0m，混凝土總方量為6700m3。為了減小基底涌水等施工風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)縮短基巖的暴露時(shí)間，封底混凝土分8個(gè)區(qū)域進(jìn)行澆筑，即一個(gè)區(qū)域開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，快速進(jìn)行清底并設(shè)置排水設(shè)施，然后立模進(jìn)行混凝土澆筑，直至整個(gè)封底混凝土澆筑完成。填芯按照大體積混凝土施工工藝要求，采取分層分塊進(jìn)行施工，層厚1.5~2.0m不等。
    2.4信息化施工監(jiān)測(cè)南錨碇基礎(chǔ)工程是國(guó)內(nèi)外首例采用凍結(jié)排樁支護(hù)方案的工程。實(shí)型監(jiān)測(cè)成為提供設(shè)計(jì)依據(jù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠度評(píng)價(jià)不可缺少的手段，同時(shí)為本項(xiàng)目的科研提供了真實(shí)可靠的資料，為該方案進(jìn)一步在理論上得以升華，為今后的類似工程提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。2 排樁側(cè)向變形 1次/天 每隔0.5m高度采集一次數(shù)據(jù) 2次/周 1次/周 3 坑外土體地表及深層土體水平位移 1次/3天 砼澆筑1/2前 1次/周 砼澆筑1/2后 4 支撐立柱頂面垂直及水平位移 1次/天 底板澆筑前 5 排樁鋼筋應(yīng)力 1次/天 底板澆筑前 6 排樁樁身應(yīng)變 1次/天 底板澆筑前 7 水平支撐軸力 1次/天 底板澆筑前 8 凍結(jié)帷幕溫度 4h/次 積極凍結(jié) 8h/次 維護(hù)凍結(jié) 9 凍脹力 2次/天 積極凍結(jié) 1次/天 基坑開挖 10 坑內(nèi)地下水位 1次/天 底板澆筑前 11 坑外地下水位 1次/天 底板澆筑前 基坑布設(shè)的所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)按照上述監(jiān)測(cè)方法和頻率，每天可以提供1500個(gè)左右的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并及時(shí)反饋信息，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，及時(shí)修改完善設(shè)計(jì)，正確指導(dǎo)施工。在基坑開挖第三層時(shí)，根據(jù)當(dāng)時(shí)監(jiān)測(cè)到第一道水平支撐Z1-1處的軸力為1050T，超過設(shè)計(jì)報(bào)警值；排樁的位移亦大于設(shè)計(jì)計(jì)算值的信息后，經(jīng)過業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計(jì)單位和施工單位現(xiàn)場(chǎng)分析，然后請(qǐng)科研單位進(jìn)行正、反演分析，認(rèn)為主要是凍脹力過大引起的，隨即采取以下措施，取得了較好的效果，基坑順利見巖并成功封底。 ① 恢復(fù)原設(shè)計(jì)7道水平支撐，加密支撐間距，加大支撐截面尺寸，并對(duì)第二道支撐進(jìn)行加強(qiáng)處理； ② 在原卸壓孔位外側(cè)施工卸壓槽，釋放凍脹力。 ③ 調(diào)節(jié)鹽水溫度，使各監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度維持在平衡狀態(tài)，控制凍結(jié)壁厚度不再擴(kuò)展，從而不引起新的凍脹力的產(chǎn)生。 ④ 增加施工投入，調(diào)整施工工藝，加快施工速度，減少墻體暴露時(shí)間。 注：Z1-1、Z2-1分別代表基坑第一、二道支撐軸力監(jiān)測(cè)值。圖7 支撐軸力監(jiān)測(cè)變化曲線（僅示1#監(jiān)測(cè)斷面） 注：排樁向坑內(nèi)位移為“—”，向坑外位移為“+”。
 3、結(jié)束語(yǔ)深基坑“凍結(jié)排樁”圍護(hù)新技術(shù)在潤(rùn)揚(yáng)大橋南錨碇基礎(chǔ)工程中應(yīng)用取得圓滿成功，是我國(guó)巖土工程基礎(chǔ)施工法的一個(gè)技術(shù)創(chuàng)新。該方法使結(jié)構(gòu)物深基礎(chǔ)嵌巖問題變得簡(jiǎn)單易行，這是地下連續(xù)墻、沉井等施工方法難以逾越的。通過工程實(shí)踐，仍有一些需要解決的技術(shù)難題，例如如何有效地控制凍結(jié)墻體厚度；如何降低凍脹力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響；研究新的卸壓手段等。