多向旋噴攪拌加勁斜樁在深基坑支護中的作用原理及其應用

1、.多向旋噴攪拌加勁斜樁在深基坑支護中的作用原理及其應用田 俊 沈永龍江蘇江中集團有限公司郵編：226533多向旋噴攪拌加勁斜樁在深基坑支護中的作用原理及其應用田 俊 沈永龍（江蘇江中集團有限公司 郵編：226533） 摘 要：多向旋噴攪拌加勁斜樁支護結構是一項基坑支護新技術，適用于多種土層，在安全性、經濟性、施工方便性等方面都比傳統(tǒng)支護技術優(yōu)越。其施工過程對周圍土體有一個加固的過程，土體的C、值將有一定的提高，對軟弱土體的加固效果是一般錨桿和土釘無法達到的，樁體中加入的筋體和錨錠板，使加筋體與水泥土旋噴樁粘合在一起，形成很高的錨固力， 另外，在預張力錨筋作用下，水泥土的抗彎、抗剪、抗拉強度均將

2、大幅度的提高。關鍵詞：多向旋噴攪拌 加勁斜樁 支護機理 基坑1 多向旋噴攪拌加勁斜樁的定義多向旋噴攪拌加勁斜樁可分為垂直旋噴攪拌加勁樁和多向旋噴攪拌加勁斜樁，是在土層中用旋噴攪拌法形成水泥土變徑樁體，并插入鋼絞線(或鋼筋、型鋼）等錨筋制成多向旋噴攪拌加勁斜樁，用其來加固和支護地基土或邊坡。多向旋噴攪拌加勁斜樁加固與支護有如下特點：（1）多向旋噴攪拌加勁斜樁施工作業(yè)所需空間不大，適用于各種地形和場地；（2）由多向旋噴攪拌加勁斜樁代替內支撐，可降低圍護結構的造價，使基坑內空曠，改善施工作業(yè)條件；（3）多向旋噴攪拌加勁斜樁的錨拉力可通過張拉試驗確定，每根錨筋體通過張拉鎖定來檢驗其多向旋噴攪拌加勁斜樁

3、的作用效果，因此可保證施工質量和加固結構的安全度；（4）通過施加預拉力，有效控制支護結構的側向位移。（5）施工形成的擴大徑樁頭的多向旋噴攪拌加勁斜樁，能有效增大抗拔力。2 多向旋噴攪拌加勁斜樁支護的結構形式多向旋噴攪拌加勁斜樁支護結構(多排旋噴攪拌加勁斜樁結構)型式有人字形、門字形和多排形，如圖1所示：圖1 人字形、門字形、 多排旋噴攪拌加勁斜樁結構形式人字形結構的適用土層及應用范圍：當場地為砂土、粘性土、粉土、雜填土、淤泥以及淤泥質土等土層，基坑深度不大于6米，基坑周圍不具備放坡條件且地下水位較高；門字形結構的適用土層及應用范圍：當場地為砂土、粘性土、粉土、雜填土、黃土、淤泥以及淤泥質土等土

4、層，基坑外有23米的施工空間且基坑深度為610米。多排形結構的適用土層及應用范圍：當場地為砂土、粘性土、粉土、雜填土、黃土、淤泥以及淤泥質土等土層，基坑深度大于10米且小于18米，可采用加筋水泥土樁墻與多排斜向加筋水泥土錨體支護結。3 多向旋噴攪拌加勁斜樁與常規(guī)的錨桿和土釘的區(qū)別多向旋噴攪拌加勁斜樁的結構及與錨桿和土釘的結構形式區(qū)別如圖2所示：圖2 旋噴攪拌加勁斜樁與錨桿和土釘的結構形式區(qū)別通過高壓旋噴攪拌形成的大直徑的多向旋噴攪拌加勁斜樁體，首先大直徑水泥土樁體對軟弱土體的加固效果是一般錨桿和土釘無法達到的，因為錨桿和土釘是通過低壓灌漿使錨筋與土體粘結，注入到土體中的漿液量較小，且擴散無序；

5、第二：樁體中加入的筋體和錨錠板，使加筋體與水泥土旋噴樁粘合在一起，形成很高的錨固力，克服了常規(guī)錨桿(土釘)與土體是通過注漿的漿液粘結的，產生的錨固力有限等缺點；第三：對于軟土、尤其是淤泥質土、粉土，大直徑的水泥土旋噴攪拌加勁斜樁也具有很高的錨固力，因為大直徑的水泥土旋噴樁的樁徑較大，且變徑，與土層的接觸面積很大，樁體與土層之間產生較大的摩阻力，克服了常規(guī)錨索、錨桿與軟土之間的錨固力非常有限之不足，以及由于塌孔無法施工等缺點。4斜旋噴攪拌加勁斜樁的支護機理(1)、通過斜旋噴攪拌形成的大直徑水泥土樁體，對松散軟土的性能做了很大改善，使軟土改變成具有較高強度的水泥土體，土體的c、值都得到相應的提高，

6、抗?jié)B能力也會明顯改善，具有超前加固、主動支護的作用；(2)、在形成的大直徑水泥土樁體中加筋，形成加筋水泥土樁體，大大提高了土泥土的抗彎、抗剪強度，起到了增加支護的作用；(3)、通過錨錠板和預張拉，使水泥土的抗彎和抗剪能力得到一定提高；(4)、通過錨錠板和錨筋與水泥土的粘合，在軟弱土層產生較高的錨固力，可有效約束土體邊坡的變形。經實測，對圍護結構的水平位移均控制在規(guī)程規(guī)定的范圍之內，12米深的軟土基坑，最大水平位移能控制在30mm以內；(5)、通過設定多排多向旋噴攪拌加勁斜樁，并通過腰梁相連，形成一個重力式擋土結構，可防止土體邊坡滑移、隆起等；(6)、突破了在淤泥及承壓水流砂層中不能施工錨桿或土

7、釘的禁區(qū)，采用斜旋噴攪拌加勁斜樁可解決錨固力有限的問題、解決了承壓水流砂層中成孔、噴砂涌水的難題，對各種軟弱土層的加固與支護效果顯著；(7)、在基坑圍護結構吸使用斜旋噴攪拌加勁斜樁可取消內支撐，加快了施工工期、節(jié)省的支護成本，并使施工挖土十分方便；支護基坑深度達30米，且變形控制能力強，其工作原理主要是通過對軟弱地層的加固，提高土層自身的穩(wěn)定性和自承能力。(8)、可回收式錨筋將突破斜旋噴攪拌加勁斜樁使用超建筑紅線的限制，施工結束以后，只要將錨筋抽出，將不產生地下障礙物，因此，斜旋噴攪拌加勁斜樁的應用可以超建筑紅線。此外，由于第一排斜旋噴攪拌加勁斜樁可設置于地下較深處，可避開地下管線。5成本與工

8、期對于開挖深度68m基坑，采用人字形或門字形結構，與傳統(tǒng)的重力式擋土墻結構或懸臂式排樁結構、錨桿或復合土釘墻結構相比，可節(jié)省成本1030%，減少工期2030%。對于開挖深度1015m，面積1萬平方以上的以上基坑，采用多向旋噴攪拌加勁斜樁支護方案與傳統(tǒng)的排樁支撐方案相比，可節(jié)約成本2050%，節(jié)省工期40%。6 在裕豐廣場基坑工程應用多向旋噴攪拌加勁斜樁支護技術的效果分析6.1工程概況與周邊環(huán)境情況裕豐廣場工程由南通宏豐發(fā)展有限責任公司投資新建，由江蘇江中集團有限公司總承包施工。位于南通市區(qū)青年中路南側，西臨南通第三人民醫(yī)院，南臨利民大廈、三德大酒店及城南新村1、2樓，位為段家壩菜市場。建筑物主

9、要由27層高層建筑物、三層裙房和一座地下二層地下室，負一層為地下商場，負二層為停車庫和設備層構成，地下建筑面積19640m2。高層建筑物結構形式剪力墻結構，建筑高度最高點約98米。估算最大柱腳角內力標準值庫24000KN;裙房、地下停車庫二層，埋深11.5m，主樓部分埋深13m，采用PHC管樁基礎。因此，在經濟合理的前提下，確保深基坑支護工程的安全可靠，已成為當前城市建設中的一項重要課題。裕豐廣場工程的周邊環(huán)境情況如圖3所示： 圖3基坑位置及周邊環(huán)境根據巖土工程勘察報告及相關圖紙，擬建場地周邊環(huán)境及建構筑物情況如下表1 ：基坑方位建筑名稱基礎形式/埋深與基坑最近距離結構形式及狀態(tài)南側城南新村1

10、樓粉噴樁基礎17m7層磚混結構城南新村2樓粉噴樁基礎17m7層磚混結構各類管線上水、煤氣（1m）13下水、雨水（1.5m）7已破裂道路混凝土二幅路3已破裂北側(青年中路側)各類管線通訊電纜(0.6m)4雨水、排水管(2m)8道路主要交通道路、瀝青混凝土8西側道路瀝青混凝土10市三院主樓樁基礎506.2工程地質與水文地質簡述根據勘察報告，在所揭露的95.0m深度范圍內的地層屬第四紀全新世Q4海相交錯沉積物，上更新世Q3河流相沖積物，主要有粘性土、粉性土、砂性土組成，一般具成層分布特點，按其成因類型、土層結構及其性狀特征，可劃分12個主要層次，各土層的物理力學性能指標如表1場區(qū)淺部地下水屬自由潛水

11、類型，地下水主要受大氣降水、地表涇流影響，水位變幅視季節(jié)性降雨量變化而略有升降。近年場區(qū)內最高地下水位相應標高約3.00m左右，最低地下水位相應標高約1.00m左右，勘探期間初見水位在自然地表下0.301.35m。靜止地下水埋深0.50-1.25m，穩(wěn)定地下水位相應標高約+2.60m（85國家高程基準）。表2 各土層主要物理力學指標土層序號土層名稱含水量（%）天然重度(Kn/m3)壓縮系數（MPa-1）壓縮模量Es12（MPa）抗剪強度粘聚力（kPa）內摩擦角(度)試驗方法雜填土三軸(UU)直剪(q)粉土32.418.40.248.6910.87.812.019.6三軸(UU)粉土夾粉質粘土3

12、3.418.10.287.899.811.5直剪(q)粉砂29.719.00.1315.395.029.0直剪(q)淤泥質粉質粘土38.418.10.524.1212.71.9三軸(UU)粉質粘土夾粉土34.418.20.346.5117.14.0三軸(UU)63本基坑支護工程的難點與重點分析開挖深度內分布較厚的粉土粉砂層，如、層，易造成灌注樁成孔護壁困難。因此保證圍護樁的施工質量是非常重要的，為此，需采用SMW工法樁作為圍護結構。本圍護工程中涉及的主要地層為、層，均為透水層，而基坑長邊的南側緊鄰城南新村，北側為重要的市中心交通z干道，因此，確保止水效果是非常重要的。為此我司采取如下措施：保證

13、多向旋噴攪拌加勁斜樁的成樁質量及錨固力是本圍護工程的重點在地下壓力水作用下，施工多向旋噴攪拌加勁斜樁時，孔口流水如不能有效封堵，將導致漿液流失及孔內地層的水土流失，從而影響成樁質量及錨固力，或引起地面沉降。為此我們采取如下措施： 采用防噴護筒施工工藝，鉆穿止水帷幕后，在防噴護筒的掩護下，可將鉆孔內的水、砂、土及漿液封堵在孔內，從而可解決在較高的水壓下，施工多向旋噴攪拌加勁斜樁鉆孔后引起的孔內水土流失及漿液隨水流走的難題。這對保證多向旋噴攪拌加勁斜樁的質量非常有利。該施工工藝已在高地下水壓的流砂層地區(qū)的多個工程中應用，取得良好效果。 在多向旋噴攪拌加勁斜樁的施工過程中，將對每根多向旋噴攪拌加勁斜

14、樁進行張拉鎖定。在張拉過程中，觀察錨筋受力與變形情況，每根錨筋張拉至設計錨固力的120%后進行鎖定，從而檢驗了每根多向旋噴攪拌加勁斜樁的錨固力和多向旋噴攪拌加勁斜樁的施工質量； 通過對錨筋的張拉力監(jiān)測，確定錨筋預應力損失量，以便及時補拉校正。 對錨固力進行現場試驗測定，根據試驗結果進行設計施工方案的調整?；訂芜呡^長且開挖深基坑是施工管理的難點本工程占地面積約13830m2，基坑開挖深度為1113米，屬深大基坑。該基坑的施工困難主要反映在以下幾個方面：（1）基坑變形控制；（2）周邊環(huán)境保護。為此，我們的主要對策是： 針對基坑變形的控制（1）壓頂圈梁施工需分段進行，分段長度不易大于20 米。抽槽

15、挖土至圈梁底標高，再分段綁扎圈梁鋼筋，分段形成圈梁，以控制基坑初始變形。（2）為了避免大體量土方卸載易引起坑內土體隆起，造成坑外土體的變形過大，我們將基坑劃分為五個大區(qū)域，相鄰分區(qū)交錯施工，墊層及底板先后形成。（3）土方開挖時必須利用時空效應原理，嚴格遵循“分層、分塊、留土護壁，對稱、限時開挖，形成多向旋噴攪拌加勁斜樁或支撐”原則，減少基坑無多向旋噴攪拌加勁斜樁的暴露時間，盡可能控制基坑變形。（4）充分發(fā)揮我司對該地區(qū)地質條件的了解以及在超大、超深基坑方面類似工程的施工經驗，根據周邊建筑的結構形式及周邊管線管理單位確定最終的基坑監(jiān)測報警值，為基坑監(jiān)測提供確實可行的監(jiān)測依據。針對土方開挖施工（1

16、）采用分區(qū)、分層開挖。分層切槽挖土，施工多向旋噴攪拌加勁斜樁體系。（2）配合多向旋噴攪拌加勁斜樁施工工作面，采用周邊切槽開挖，采用小型挖機開挖。（3）對基礎底板端部采用磚側模，磚側模與旋噴攪拌樁之間分斷間隔澆筑砼及回填夯實土方。（4）需保證有足夠的照明設備，并委派專人負責現場巡視，發(fā)現異常立即采取措施，確保施工安全。6.4圍護結構方案的比較深基坑圍護常規(guī)結構有：圍護多向旋噴攪拌加勁斜樁拉體系、內支撐、重力式攪拌樁墻等，需要根據地區(qū)施工經驗、技術水平、方案的合理性、經濟性、安全性等多方面進行比較分析，以滿足安全前提下經濟性的目標。目前，南通地區(qū)10以上深度的深基坑工程相對較少，圍護結構應用的最多

17、、經驗最成熟的就是圍護樁（三軸攪拌樁+鉆孔灌注樁）+內支撐方案，并且在圍護樁施工順序、攪拌質量、防止縮頸、樁底沉渣控制、預張拉多向旋噴攪拌加勁斜樁施工、張拉和檢驗方面也積累了大量經驗。實踐經驗證明，采取此技術方案后，由于圍護樁具有較大的側向剛度，并且預張拉多向旋噴攪拌加勁斜樁可有效控制地表的初始變形，因此對基坑側壁的變形控制效果比較理想，充分保護了基坑周邊的建筑、道路、管線的正常使用，如群力新灣等均采用多向旋噴攪拌加勁斜樁支護體系。內支撐支護體系由于其造價較高，影響施工挖土進度，且拆撐、換撐麻煩，早期的深基坑支護中應用的很少，而且多采用鋼支撐支護，目前隨著基坑開挖深度的不斷增大，采用內支撐支護

18、的基坑也逐漸增多?？紤]到圍護方案的選擇對基坑的造價、工期、安全性、周邊的影響關系很大，因此進行了多方案比選，比選方案為：方案一 采取混凝土支撐形式，安全性好，但是主要存在如下缺點：（1）：由于基坑平面范圍大，因此混凝土支撐材料用量大，需加設立柱樁、格構柱等，支撐造價較高；（2）：一道支撐情況下由于粉砂層水土壓力很大，圍護樁配筋用量較大，顯得不夠經濟，而采用兩道內支撐雖然可以降低圍護樁樁身內力，但是造價更高；（3）：挖土速度受影響，土方往往需要多次翻運，影響工期；（4）：增加拆撐、換撐工藝及時間，且拆撐換撐一旦不合理，除可能造成基坑側壁變形增大外，對主體結構可能也會產生影響；如果采用鋼支撐，施工

19、和拆除比較方便，但由于他的整體性和穩(wěn)定性較差，一旦出現失穩(wěn)，將會出現基坑倒塌等重大安全事故，如杭州地鐵基坑倒塌就是由于地下連續(xù)墻的變形過大，導致鋼支撐瞬間出來破壞引起的惡性安全事故，因此，在較大基坑中采用鋼支撐結構是不合適的。方案二 采用錨桿支護，可隨著土方開挖進行錨桿施工，在合理的開挖組織情況下錨桿養(yǎng)護時間完全可以消除，因此土方施工速度快；雖然錨桿體系不像支撐體系那樣依賴整體，可根據情況靈活進行土方開挖和底板澆筑，但在此類粉砂、粉土，且地下水位較高地層中，由于錨桿的造孔會導致噴砂漏水及塌孔等問題，故在此類基坑中采用錨桿是非常困難的，可以說錨桿是不適用該類地層的。常規(guī)錨桿存在以下缺點：錨固力有

20、限：由于采用傳統(tǒng)的成孔工藝，成孔直徑一般為150180mm，其提供的錨固力有限。易塌孔：施工工藝為先成孔后注漿，在砂性土層中，錨桿易塌孔而導致施工質量不可靠。鉆孔噴砂噴水：當在含水砂層中鉆穿止水帷幕后，止水帷幕后的土、砂和水將在較高水壓力作用下，沿孔口噴出，在砂性土地區(qū)容易產生流砂現象，很快引起上覆地層的沉陷。錨桿孔口易漏水：常規(guī)錨桿采用低壓灌漿粘結，當地層內的水壓較大時，將使灌入的水泥漿流失，這樣不僅影響錨固力，而且造成孔口不能封止水。方案三 采用多向旋噴攪拌加勁斜樁體系，加筋多向旋噴攪拌加勁斜樁，是在高壓旋噴形成的水泥土樁體成型過程中加入錨筋及其錨固件，所形成的復合體即為多向旋噴攪拌加勁斜

21、樁體系。通過高壓旋噴攪拌形成的大直徑的多向旋噴攪拌加勁斜樁體，解決了開孔噴砂漏水及塌孔問題，大直徑水泥土樁體對軟弱土體的加固效果是一般錨桿和土釘無法達到的。經上述比較，方案三具有不產生有污染的鉆孔泥漿，造價較低、施工方便且縮短工期等特點。因此，推薦采用方案三。下面就方案三，作進一步細化分析：剛性支護體系可采用的形式有鉆孔灌注樁、預應力管樁、SMW工法的型鋼或者鋼板樁等多種形式，針對本基坑，我們認為：預應力管樁施工速度快，比較便捷，但是根據實際經驗來看，預應力管樁側向剛度偏小，抗彎能力差，且密排施工相互影響比較大，適用的基坑深度不能太深，對本基坑而言，控制變形能力差，從安全角度來看，風險較大；綜

22、上所述，采用SMW工法樁比較合適，其安全性可以得到保證，即使地下室施工時間較長其最終變形也不大；由于鋼材在不斷降價，其造價可有效降低。因此采用預張拉多向旋噴攪拌加勁斜樁形式是比較合適的，一是施工經驗比較成熟；二是上部土層力學指標高，多向旋噴攪拌加勁斜樁承載力能得到保證；三是可通過預加應力控制基坑側壁初始變形；而且預張拉多向旋噴攪拌加勁斜樁布置的水平間距較小，可大大降低冠梁鋼筋含量。綜上所述，對于該基坑，采用SMW工法樁+預張拉多向旋噴攪拌加勁斜樁進行支護6.5基坑圍護結構的設計結果（1）SMW工法及多向旋噴攪拌加勁斜樁支護結構的設計參數表3 裕豐廣場基坑圍護結構設計及驗算參數開挖深度（m）13

23、11.011.011.5圍護形式SMW工法+加筋多向旋噴攪拌加勁斜樁SMW工法+加筋多向旋噴攪拌加勁斜樁SMW工法+加筋多向旋噴攪拌加勁斜樁SMW工法+加筋多向旋噴攪拌加勁斜樁樁徑（mm）310001200310001200310001200310001200樁/型鋼長（m）1820/161719/151719/141820/15多向旋噴攪拌加勁斜樁排數6445最大位移（mm）22.312.913.621.4最大正彎矩（kN.m）191.7127.4214.3192.7最大正剪力（kN）151.8140.4138.2144.7整體穩(wěn)定性1.691.681.661.58墻底抗隆起（Terzagh

24、i）6.467.727.827.2坑底抗隆起2.262.422.42.28抗傾覆3.664.564.514.05（2） SMW工法及多向旋噴攪拌加勁斜樁支護結構的設計剖面 圖4 深部地段13.00m挖深的支護剖面圖 圖5 開挖深度10.50m的支護剖面6.6 圍護工程施工及監(jiān)測結果開挖深度11m時的測斜管，測得的變形結果如圖（見下頁）:6.7圍護工程的施工技術與經濟效益分析6.7.1基坑圍護結構的施工技術比較（1）SMW工法+多向旋噴攪拌加勁斜樁支護結構是一種主動支護結構，大直徑的旋噴攪拌樁體具有超前加固與支護的作用，高壓噴射水泥漿與砂性土結合，對坑外土體進行了有效的超前加固，大大提高了坑外土體的穩(wěn)定性和承載能力；（2）多排斜向多向旋噴攪拌加勁斜樁與坑外土體的共同作用，有效地提高了圍護結構的抗傾覆、抗滑移及其整體穩(wěn)定性的安全系數；（3）與內支撐支護結構相比，可減少坑外土體對圍護結構的作用力，可降低坑底土體的隆起變形，可減少垂直圍護樁的插入深度。 圖6圍護結構的測斜結果 圖7壓頂梁的水平變形監(jiān)測結果施工效果照片如圖89所示。 圖8第二道多