特大圆形深基坑施工技术.pdf

第 1 卷第 1 期 2 0 0 5年 0 2月 地 下 空 间 与 工 程 学 报 C h i n e s e J o u r n a l o f Un d e r g r o u n d S p a c e a n d En g i n e e r i n g Vo 1 1 F e b 2 0 0 5 文章 编号：1 6 7 3 0 8 3 6 2 0 0 5)0 1 0 1 2 5 0 4 特大圆形深基坑施工技术 阮 文 军，何 超 然(1 同济大学地下建筑与工程系，上海2 0 0 0 9 2；2 长春工程学院，长春1 3 0 0 2 1；3 中港二航 局 阳逻长 江公 路大桥项 目部，武汉4 3 0 0 8 2)摘 要：武汉 阳逻长 江公路 大桥 南锚碇特 大深基 坑是 目前 国 内最 大的 圆形 深基 坑。采用 了圆形地连墙和 变厚度 内衬做 支护 结构，采用墙下 灌浆 帷幕和墙 外 自凝灰 浆防渗 墙作 为 封水 系统。采 用由砂桩和 坑 内外降水井组成 的排 水 系统进行 降水减压。基坑采用“岛式开挖”，按 照“对称、分 区、平衡、限 时”的原则进行开挖。采用 了信 息化 施工工 艺，用基 坑支护结构 的 内力反 演 分析 和 变形 多步滚动预测成果判 断和预测基坑 的安全性。上述技 术措 施确保 了基坑 施工 的 安 全。关键词：特大圆形深基坑；支护；地下连续墙；帷幕灌浆；自凝灰浆防渗墙 中图分类号：T U 4 7 3 2 文献标 识码：B Br a c i ng Te c hni q ue o f a S up e r Ro u nd Pi t Ex c a v a t i o n RUA N We n-j u n HE C h a o g a l l (1 D e p t o fG e o c h n i c a l E n g i n e e r i n gT o n i U n i v e m y S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 P R C h i n a；(2 1 l Z u h a n Y a n g l u o Y a n g t z e g i g le r H ig h w a y B r i d g e E n g i n e e r i n g D e p a n m e mt C H E Ct Wu h a n 4 3 0 0 8 2 t P R C h n a)Ab s t r a c t：T h e s o u t h an c h o r a g e o f W u h a n Ya n g l u o Yan g t z e R i v e r Hi g h w a y Br i d g e i s the l a r g e s t an d d e e p e s t r o un d P i t b e i n g b u i l t i n C h i n a A r i n g d i a p h r a g m wa l l a c c o mp a n i e d wi th v a r i e d t h i c k n e s s i n n e r c o n c r e t e l i l 1 i n g a c t e d a s the b rac i n g s y s t e m a g rou t i ng c u r t a i n be n e a th the d i a p hra g m wa l l a l o n g w i th a s e lf s e t t i n g c e me m s l u r r y w a t e r ti g h t wa l l a r o u n d the p i t c o mp o s e d a wa t e r r e s is t a n t s y s t e m。a n d s a n d d r a i n s a n d d e w a t e rin g we l l s f u n c ti o n e d a s a d r a i n e s y s t e m”I s l a n d e x c a v a ti o n”i s c o n d u c t e d a c c o r d i n g t o s u c h p r i n c i p l e s a s s y m m e t r y z o n i n g e q u i l i b ri u m and ti m e l i m i t 沁 I n f o r m a ti o n g u i d e d e x c a v a t i o n t e c h n i q u e w a s u s e d tha t i s t o j u d g e and p r e d i c t the s a f e t y of the e x c a v a ti o n with c o n v e r s e d e n d o g e n e ti c f o r c e s an d po l yp h a s e p r e d i c t e d d e fl e c ti o n of the b r a c i n g s y s t e m Th e s e t e c h n i qu e s g u a r an t e ed the s a f e ty of the e x c a v a t i o n Ke y wo r d s：s u p e r rou n d f o un d a ti o n P i t e x c a v a ti o n；b r a c i n g；dia p hra g m w a l l；g r o u t i ng c u r t a i n；sel f-set t i ng c e me n t s l u r r y wa t e r-ti g h t w a l l 1 工 程 概 况 武汉 阳逻 长江公 路大 桥是一 座双 塔单 跨悬索 桥，是武汉 市绕城公 路跨 越长 江 的重 要通 道，也是 京珠、沪蓉 国道 主干线 的控制 工程。其南锚碇 圆形 基坑 开挖深 度 达 4 5 m，内径 7 0 m，是 目前 国 内最 大 的圆形深 基 坑。基 坑 采用 厚 1 5 m 的 圆形 地 连 墙 加上厚 度为 1 5 m 2 5 m的钢筋 混凝 土内衬 共 同 支护，外围用 自凝灰浆挡水帷幕封水。见图 1。2工程地质和水文地质条件 南锚碇位 于长江南 岸 I级 阶地，地层 为：(1)人工填 土：厚 0 30 5 m，较松散。收稿 日期：2 0 0 4 1 1-1 5(修 改 稿)作 者简 介：阮文军(1 9 6 9 一)，男，辽 宁建平 人。现 为长 春 工程 学 院 副教 授，同济大 学土 木 工程 博 士后。主要 研 究基 坑 支 护 和注 浆理论 与 工艺。维普资讯 1 2 6 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 1 卷 I tt il l 内 村f _、1 -2 0 0 0 0 图 1 基坑剖 面 图和俯 视 图 F i g 1 P r o fi l e a n d t o p v i e w o f t h e e x c a v a ti o n (2)第 四系全新统 冲积层，自上而下分为以下 长 E 大 堤 匕 武F 一 惠 亚层：粘性 土层；淤 泥质 土层；亚粘 土夹亚砂 土与粉 砂层；粉砂 层；细砂 层；中砂层；圆 砾石层。其 中，层 总厚度 1 1 7 42 2 3 0 m，粘性土、亚 粘土多为软塑及流塑状，粉砂层极松 散；层厚度 4 9 71 8 8 1 m，松 散 中密状；层 及 以 下总厚度 1 9 5 43 3 8 0 m，中密 密 实状。全、强 风化泥质砂岩、砾岩、砂砾岩，层厚 3 0 09 8 0 m。亚砂土、亚粘土属弱透水相对 隔水层；粉砂、细 砂及 圆砾为 强透 水层；砂岩、砾 岩为 微 透水一 不透 水层。基岩裂 隙水有一定承压性。3地 下连 续墙 施 工【J【J 地连墙施 工场 地 长 2 0 0 m，宽 1 3 0 m，总 占地 面 积为 2 6 0 0 0 I I l2。施工 总平面 布置见 图 2。地连 墙导 墙及液压铣施 工平台均采用 C 2 5钢筋混凝 土，导墙 断面为“L，型，平面形状为折线。，-r 谨 矗 _ 曩t i：I l 一 附I _ _ f 雌 It1|叫 l三 薹 。-J l =lI：劓 。：一-l：工 圃 一 麓 _ 吊车 递：旦 工 i=I tIt一 台 一=l LI r 一 一；i 道 iv,rail：=i 工 木哪i l 1 鲁 路 台 j 一 -木 蠢 t 一 l I J 7。l-_【_ ，。膏 棚 说明。l、围中尺寸单位，2、麓工平台高程t 2 2 图 2 基 坑总平 面 布置 图 F i g 2 L a y o u t o ft h e e x c a v a ti o n 3 1 上部 覆盖层土体 加固 南锚 碇地下连 续墙 具有墙 体深、厚度 大、需嵌 岩等技术特点，为确保其施 工质量、安全和进度，在 地连墙主体工程开工之前，用深层搅 拌法对覆盖层 上部的粘性土 和亚 粘土夹 砂土进 行 了加 固。搅 拌 桩布置在地连墙轴线两侧。3 2地下连续墙 施工 地连墙轴 线 直径 为 7 1 5 m，周长 2 2 4 5 1 m。划 分为 5 0个 槽 段，I、期槽段 各 2 5个。其 中 工期 槽 长 6 6 8 m，三铣 成槽；期槽 长 2 8 m，一铣成槽。3 2 1 主要成槽设 备 维普资讯 2 0 0 5 年 第 1 期 阮文军，等：特 大 圆形深 基 坑施 工技术 1 2 7 主要使用 H F 1 2 0 0 0液压铣和 K L 1 5 0 0机械 抓 斗，采用铣削法和铣削法成槽。达到设计深度后 用 超声波测井仪进行测孔。3 2 2 墙段连接方法 槽段 连接采用“铣接法”，工期槽 与 期 槽形成 锯齿形搭 接。3 2 3 地连墙稳定液及 除渣工艺 采用膨润土泥浆护壁。成槽过程 中，利用 液压 铣底部 的泥浆泵抽 吸槽 底泥 浆并 经输浆 管路 送 至 地 面泥浆净化 系统 进行 除砂。3 2 4 钢筋笼工程 钢筋笼 的水平 断 面为多 边形。钢 筋采 用 闪光 对焊、单面搭 接焊。工期、期 槽上下节 钢筋 笼在 下笼 时采用挤压套筒连接。3 2 5 混凝 土材 料 地连墙 混凝 土强 度 标 号 C 3 5，抗 渗 等 级 S 1 2。墙 体终凝后 在墙 体预埋 管 内进行跨孔声波测试。4 墙下帷幕灌浆 J 地连墙墙下帷幕灌浆采用墙 内预埋 管灌浆、墙 下基岩段钻孔 灌浆 的方 法。在岩 石 比较破 碎 的地 段，采用 自上而下分段卡塞纯压式灌 浆。在基岩较 完整的地段，采用 自下而 上分段 卡塞纯压式灌浆。4 1帷幕灌浆布置 帷幕灌浆布置 为两环，环距 1 2 0 0 ra m；外环 与 内 环上 的孔距分 别 为 2 0 7 5 m和 2 0 m。帷 幕 注浆 孔 的平 面布置见图 3。图 3 帷幕 注浆 孔平 面布 置 图(单 位：衄)F i g 3 L a y o u t o f g r o u t i n g h o l e s 4 2施 工 工 艺 按 先 内环、后外环 的顺序 进行 注浆施工。各环 均按 照先 导孔一 工序孔 一 序 孔一 检查 孔 的顺序 进行钻灌。采用水灰 比为 0 7的稳 定浆 液。分三 段加 压 灌浆。为确保灌浆质量，灌浆过程使用了灌浆数据采 集与监控 系统控制 注浆过程。终孔段岩石透水率 q 1 L u，则终 孔；否则 应继 续加深一段，直 至满 足上述标 准。终孔段灌浆结 束后，用浓 浆置 换 出孔 内水，在 孔 lZ l 卡塞，进行压力封孔。5 外围挡水帷幕。该帷幕是在地连墙外 围施 工的一道 防渗 墙，墙 体 材料为 自凝灰浆。在挖槽过 程 中，灰浆在槽孔 中 起 到固壁作 用；槽孔 开挖 完成 后，混 有 地层 中砂 土 颗粒 的灰浆可凝 结 成柔 性 防水 墙 体。它 的施工 速 度快，成本低，防渗 效果好。帷幕 墙厚 0 8 m，与地 下连 续墙 在 平 面上呈 同 心 圆环 布置，净 间距 8 5 m。墙 底 进 入 强 风化基 岩 0 51 0 m，墙体平 均深 度 5 2 0 m。帷幕墙分槽 段施 工。在覆 盖 层 造孔 采用 抓 斗 完成，基岩开挖用抓斗配合重凿冲击碎岩。自凝灰浆 的主要性 能如 下：密 度 1 1 7 g e m 3，粘度 4 0 s，初凝 时间 3 6 h，抗压 强度 0 3 MP a；渗 透 系数 1 1 0 e r r d s。施工 过程 中在 槽孔 lZ l 取 样，测 定 其 密 度 和粘 度。在墙体龄期 达 到 2 8 d时，在 墙 体 上钻 孔 取样，并对钻孔 进行分段 注水试验。6 基 坑 降排 水 系统 施 工 排水系统包括砂桩和坑内外降水管井。6 1砂桩施工 设 置砂桩 的 目的是对 上部 淤 泥质 土进行 排水 固结，降低含水量，提高承载力，以确 保坑 内土方开 挖时的设备正常行走和作业 以及提供 良好的工作 面。砂桩 5 1 7根，直径 3 2 5 m m，梅 花 形布 置，间距 3 m,深 度进入 粉细砂层 0 5 m，平 均长 度 1 8 2 m。砂 桩平 面布置见图 4。：I I-_ _ _ _ _-，-f-，f，。|、-|_ -|-，。0 。晦 北、0 图 4基坑 降排 水平 面 布 置 图 F i g 4 L a y o u t o f t h e d r a i n s i mi d e a n d o u t s i d e o f t h e e x 阻 v 8 l i 叩 维普资讯 1 2 8 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 1 卷 6 2 坑 内、外 降水井施工 1 儿 】坑外降水井 的作用 是：(1)保证 干施 工开 挖条 件；(2)作为 基坑施 工 预案。当通过 信息 化施 工反 馈 出基坑围护结构受力或变形较大 时，将通过抽水 降低地连墙与坑外帷幕间 的水位，改善地连墙 的受 力状况。根据武汉地 区经验和南锚地层条 件，采用管井 降水。坑 内布置 4口井，深入基岩 内 3 0 m(基坑封 底时兼作破碎基岩的减压井)，坑外均 布 1 2口降水 管井。坑 内外降水管井布置见 图 4。7 基 坑 开挖 与 内衬施 工 儿 内衬 为钢 筋 混凝 土 环形 结 构，采 用 逆 作 法施 工。内衬不等厚，厚度 从上 向下依 次 为：06 m深 度厚度 为 1 5 m，62 1 m厚 2 m，2 14 1 5 m 厚 2 5 m。内衬竖 向按 3 m高度分层，共 1 4层。基坑开挖按 照“对称、分区、平衡、限时”的原则 进行，分层厚度 同内衬分层高度(3 m 层)。采 用“岛 式开挖”，即先对 称分 区开挖周边 6 m区域 内土方，后 开挖 中心 土方，各 区开挖 的先后 按照 内衬分段 的 施工顺序确定。开挖完 周边土方后，立即施 工 内衬 体系，在施工 内衬 的 同时开挖 中间 区域 土方，待上 层 内衬混凝土强 度达到设计 强度 的 8 0 以后再 开 挖下一层周边 土方，如此循环直 至基底。基坑从 上 到下按 阶梯形 开挖。开挖顺 序 和各 道 内衬厚 度见 图 5。(1)，(2)(1)、眨J (2)，。(3)(2)I、(3)，()、(3)一 “)(5)、()i 、(5)(6)(5)：(6)(7)、(6)、；、(7)，(8)、(7)一 j 、；(8)(g)(B)、(9)，(9)、l l O审，01)：l OD，、oD ；、i i ，、l 0 D ，、o o、；、l 一 2 0 0 一 、l l 图 5 基坑 开 挖顺 序和 内衬厚 度 F i g 5 E x c a v a ti o n s e q u e n c e a n d l i n i n g t h i c k n e s s 为 了使基坑开挖有 良好 的干施 工条件，每层 土 保 基坑 开挖施 工 的安全。实践证 明，信息化施 工是 方开挖前启动坑 内降水井抽 降坑 内地下水，保证 坑 施工、设 计单位及 时 了解结 构 物安全 状 态、适 时调 内水 位处 于开挖 面以下 0 5 m。整施工工艺、保证 工程安全 的有力手段。开挖过程 中采用信息化施工工 艺，由同济大学 对监 测数据进行及 时反演分 析，得到支护结 构的 内 力，并反演土体等效力学参数。根据结构内力和变 形 判定基坑所处 的安 全状 态。同时，根据 土体等效 力学参数 预测下一 施工 步 的结 构 受力 和变形。另 外，利用前期的实测变形数据用多 步滚动预测方法 可以对基 坑未来的变形做 出超前预报，并 针对施工 反映 出的危险信号提 出调整施工参数建议，从而确 8 结 语 武汉 阳逻长 江公 路大桥 南锚碇 特 大圆形 深基 坑采用地下连续墙 和 钢筋混 凝 土环形 内衬 做支 护 结构，采用墙下帷幕灌浆和 自凝灰浆防渗墙作为防 水封水系统，采用坑 内外降水管井 作为降水 减压措 施，确保 了 国内这一特大深基坑 的顺 利施工。(下转第 1 3 2页)U n 期 O ；的 5 i 维普资讯 1 3 2 地 下 空 间 与 工 程 学 报 第 1 卷 由表 2可知，I级 围岩 6 c m厚 聚丙烯纤 维混凝 土衬砌在拱顶处取 得抗 压极 限状态 最 小可靠 指标 值 4 2 9，大 于混凝 土衬 砌构 件 抗压 破 坏 目标 可靠 指标值 4 2；在拱顶处取 得抗 裂极 限状态最 小 可靠 指标值 3 7 7，大 于混 凝 土衬 砌 构 件抗 裂 破坏 目标 可靠指标 值 2 5，均满 足规 范要求。级 围岩 8 c m 厚聚丙烯纤维混凝 土衬 砌在 拱顶 处取 得抗 压极 限 状态最小可靠 指 标值 5 0 7，大 于混 凝 土 衬砌 构件 抗压破坏 目标可靠指标值 4 2；在拱 顶处 取得抗裂 极限状态最小 可靠 指 标 值 4 6 6，大 于混 凝 土衬砌 构件抗裂破坏 目标可靠 指标值 2 5，均满 足规 范要 求。级 围岩 2 0 c m厚聚丙烯纤 维混凝 土衬砌在拱 脚处取得抗 压极 限状 态 最 小 可靠 指标 值 4 4 3，大 于凝土衬砌构件抗压破 坏 目标 可靠 指标值 4 2；在 拱脚处取得 抗 裂极 限状 态 最 小 可靠 指标 值 3 6 9，大于混 凝 土 衬 砌 构 件 抗 裂 破 坏 目标 可靠 指 标 值 2 5，均满 足规范要求。4结论 与 建议(1)根据 铁路隧道设计规范 中混凝土衬砌构 件抗 压破坏 目标 可靠 指标值 不小 于 4 2，抗拉 破坏 目标 可靠指标值不 小于 2 5的要求，计算得 到 I 级 围岩 聚丙稀 纤维 网湿 喷 混凝 土隧道 衬砌 断面 的最 小厚 度分 别 为 6 c m、8 c m 和 2 0 c m，说 明在 达到 相同可靠 指标的前 提下，同素混 凝 土相 比，采 用 聚 丙稀纤维 网混凝 土作 为 隧道 衬砌 可 以大大减 小衬 砌的厚度。(2)本文所建立 的荷载一 结构模 式求隧道衬砌 结构可靠指标 的方 法 可用 于计算 一般 浅埋、深 埋、偏压隧道衬砌 的可靠度。(3)隧道衬砌结构 可靠性 分析需要全 面的尽量 符合实 际的统计 资料，目前 虽 已作 了 大量 的工作，但 由于统计资料 的缺乏，各基本随机变量 的统计结 果 还没有达到完全满足要求 的程度，一些 重要参数 还只能参照现行规范取值，分布规律也 只能根据经 验假定。在现行 铁路隧道设计规范 中，单线整体 式衬砌可按可靠度设计，双线和锚喷复合 衬砌 由于 荷载以及 围岩物性参数等统计特征 尚未掌握，暂 时 还不能实现可靠度设计。参考 文献：1 M M a t s u o K K a w a mu r a，R e l i a b il i t yb a s e d d e s i g n o f s u p p o r t i n g，S y s t e m f o r N A T M C P m c 4 t h I n t C o n f A p p li c a t i o n s o f S ta t i s ti c s P r o b ab i l i ty i n S o i l S t r u c E n g Un i v e r s i ta d i F i r e n z e，I t a l y，1 9 8 3：1 5 1 7 1 5 3 0 2 S K o h n o，A H S A n g W H T a n g，R e l i abi l i tyb a s e d d e s i gn o f t u n n e l s u p por t o f j o i n t e d r o c k，S t r u c t u r a l S a f e ty R d i abi li ty，e d A HS A n g e t a1 C P mc I C O S S A R 8 9，1 9 8 9，S a n F r a n c i s c o：2 4 52 5 4 3 西 南交 通 大学 深 埋 隧道 荷 载 统 计 特 征 的研 究一“以 可靠性理论修 订隧道设 计规范 的基 础性研 究之四”【RJ 1 9 9 6，9：1 51 8 4 G B 5 0 2 1 6 9 4，铁 路工 程结 构可 靠度 设 计统 一 标准 s 5 宋 玉香 铁 路 隧道 衬砌 结构 目标 可 靠指 标 及分 项 系数 研究 D 成都：西南交通大学，1 9 9 7 6 长沙铁 道 学 院 铁 路 隧道衬 砌 几何 尺寸 变 异 的结 构可 靠度分析一“以可靠性理论修订隧道设计规范的基础 性研 究之 五”R 1 9 9 6，9：1 9 7 宋玉 香，景 诗庭，刘 勇 单 线 电气化 铁路 隧道 衬砌 结 构 目标 可靠 指标 的试 算 分析 J 岩石 力 学 与 工程 学 报，1 9 9 9 1 8(1)：4 J6 4 9 (上接第 1 2 8页)参 考文 献：1 G B J 2 0 28 3 地基 与基 础工 程施 工及 验 收规范 s 2 J T J 0 4 1 2 0 0 0 公 路桥 涵施 工技 术 规范 s 3 J G J 7 9 2 0 0 2 建筑 地基 处 理技 术规 范 s 4 J G J 1 0 79 6 钢筋 机械 连接 技术 规 程 s 5 J G J 1 8 2 0 0 3 钢 筋焊 接及 验 收规程 s 6 J G J 1 0 89 6 带肋 钢筋 套 筒挤 压连 接技 术 规程 s 7 C E C S 2 1 2 0 0 1 超 声 法检 测混 凝土 缺 陷技 术 规程 s 8 G B J 1 0 8 8 7 地下 工程 防水 技术 规 范 s 维普资讯