大面积基坑开挖桩基稳定与降水方案的选择

1、大面积基坑开挖桩基稳定与降水方案的选择摘要：在软土地基上进行桩基、基础工程施工时，因为土方的开挖引起桩位偏移的情况，在不少工程上出现过，*工程主厂房采用摩擦型钢桩承载，基坑采用机械大面积开挖方案。在地质情况复杂的软土地基开挖施工中降水方案的选择、降水效果的好坏以及摩擦型钢桩的稳定都对工程的正常施工有着至关重要的影响，也是该工程基础施工的一个难点。该工程通过选择合理的降水方案，并采取防土壤液化、降水等切实可行的防止桩位偏移的措施，成功地解决了这一问题，取得了较好的效果。关键词：基坑开挖 桩基稳定 措施 降水方案 选择 效果一、 前言在软土地基上进行桩基、基础工程施工时，因为土方的开挖引起桩位偏移

2、的情况，在不少工程上出现过，给工程造成巨大的经济损失，也给施工带来了较大的影响，贻误工期，增加造价，影响质量。*工程地质情况复杂, 主厂房采用摩擦型钢桩承载，为防止因为土方的开挖引起桩位偏移的情况出现，施工单位及设计院在总结以往经验的基础上，根据工程特点，在设计、施工上先期考虑了预防钢桩偏移的措施，并付诸实施，取得了成功。二、 工程概况*电厂位于长江北岸滩地上，规划容量为2400MW ，一期工程建设2台600MW 机组。该工程通过国际招标的方式进行设备的采购，锅炉岛由美国巴威公司中标，汽机岛由美国西屋公司中标，仪控岛由德国西门子公司中标。主厂房零米以上由美国S L 公司设计，零米以下由华东电力

3、设计院设计。主厂房由北向南依次为：汽机房、除氧间、煤仓间、锅炉房，两炉间为集中控制楼。汽机房长191.2米，主厂房基坑总面积为22000平方米。汽机房、除氧间、集中控制楼为独立基础，锅炉房为整板基础。主厂房采用60米长“H ”型钢桩，辅助厂房为砼预制方桩或水泥搅拌桩，地基全部打振冲碎石柱进打抗液化处理。工程从95年12月28日开始挖土，96年7月主厂房基础施工完。主厂房钢桩共1064根，全部由外国进口，断面如图： 三、工程水文、地质条件1、地质条件 *厂区地形平坦，地质为第四纪长江冲积物，地形复杂；局部夹淤泥质粘性土，20米以上多为饱和松散的砂性土，在地震烈度为7度的情况下可为液化土，液化程度

4、达中等严重程度。主厂房区域自上而下土层依次为：粉土粉砂淤泥质粉质粘土粉砂细砂粉质粘土细砂粉砂砂卵石。2、水文地质条件土壤各层含水丰富，由于近临长江，且场地自然标高低于长江年平均水位，地下水受长江水位影响较大，补给充足，枯水期地下水距自然地面l 米，土壤各层渗透能力相差较大，列表如下： 四、桩位偏移的主要影响因素 鉴于*工程地质情况复杂，多为饱和松散的砂性土，在地震和外力作用的情况下，容易液化，也容易引起桩位的偏移。这在以往的不少工程上出现过，有过沉痛地教训，如吴泾电厂曾经因为土方的开挖引起A 排桩偏移达一米以上，给工程造成巨大的经济损失。*工程主厂房采用摩擦型钢桩承载，地质条件与吴泾电厂极其相

5、似，为此，该工程开工前，从设计单位到施工单位都对如何防止桩位的偏移极其重视，他们在总结以往经验的基础上，根据工程特点，首先从设计、施工等诸多因素上分析考虑钢桩偏移的原因，并对症下药，找到切实可行的方案付诸实施，取得了成功。产生影响桩位偏移的因素很多，经研究分析认为，可能影响*桩位偏移的主要因素如下：l 、液化指数较高据地质报告，主厂房区域液化指数值为：7.920.0，平均值为14.7，最浅液化点为：1.3m ，最深为19.3m ，液化程度为中等严重，上部无有效的覆盖层。因此，在快速密集沉桩时，土体结构受孔隙水压力和挤土作用，以及打桩所引起的振动等不利因素的影响，极易受振动而导致强度下降，出现桩

6、体上浮和侧移。2、超孔隙水压力的影响土体内部因打桩所引起的超孔隙水压如未消散完毕，振动后的土体回结程度底。在基坑开挖后，因一侧卸载使原土体内不平衡的力系受到更大破坏，而引起打桩随土体向基坑方向侧移。3、土方开挖方案的影响由于土方开挖边坡设计不当，或边坡顶活荷载的增加，引起边坡失稳而带动土体移动，从而造成桩体的偏移。4、降水效果不佳因基坑开挖时，降水深度不够或井点失效造成降水效果不佳，从而引起边坡和坑底的3l 土层在动水压力差作用下发生流砂，使土体可能发生大面积流动，带动钢桩一起产生偏移。五、控制桩位偏移的主要措施针对影响桩位偏移的不利因素，*工程从设计到施工各方经多次研究讨论，决定主要考虑通过

7、以下几方面采取措施来避免产生钢桩偏移。一方面通过增强土体本身的强度，提高抗滑移系数，其主要措施是施打碎石桩以增加土体强度及采用人工降水来加强土体表面的固结；另一方面通过合理施工组织，合理安排基坑开挖层次，尽量减少土体压力，消除施工荷载对钢桩产生的侧压力，并加强观测。1、施打碎石桩增加土体强度因厂区范围内20m 深以上土体液化程度可达中等严重程度，是桩位的位移主要因素。华东电力设计院结合以往类似工程的经验，在现场多处试桩的基础上，确定在主厂房区域先打600振冲碎石桩，形成复合地基，待上层土壤固结后再施打钢桩。由于碎石桩具有透水性好的特点，这样做一方面可以加快上层土壤的固结，另一方面在后续快速密集

8、沉钢桩时，使施打钢桩所挤压出的大量土壤孔隙水能有效并快速地从碎石桩中排出，从而提高土壤的承载力，达到稳定桩位的作用。主厂房区域采用的砂石桩深12m ，间距1.7m 。经施打后土的物理力学性质指标统计如下：施工前后地基土物理力学性质指标统计表 由以上可以看出，经干振碎石桩地基处理后，桩间土的密度和内磨擦角明显提高，复合地基强度明显提高，大大提高了土体的抗滑能力。经砂石桩处理，平均液化指数减少到0.40以下，大大改善了土体的抗液化性能，12m 以上基本消除液化的可能性，形成了较厚的固结土覆盖层。2、采用人工降水，增加土壤抗剪强度由于*工程地质情况复杂，多为饱和松散的砂性土，土壤含水率高。为确保土方

9、的正常开挖、基础的正常施工及桩基稳定，施工单位结合以往类似地质情况工程降水工程施工的经验，并且在现场试验的基础上，确定在主厂房区域布臵管井，在挖土前二个半月开始抽水，这样保证在施工期问，水位一直保持在坑底标高以下。通过管井降水，一方面，加快超孔隙水压力的消散；另一方面，通过降水可加快土体固结，将基坑周围的地下水面降至开挖高程以下，消除了地下水渗透的影响，增加了土体的抗剪强度，进而增加边坡及坑底的稳定性，从而保证桩基稳定及土方的正常开挖、基础的正常施工。3、合理确定土方开挖方案，减少土体落差对桩基的影响 *主厂房平均挖深3.5米，为保证基础大面积同时施工，施工单位确定土方的开挖采用机械大面积开挖

10、方案。这样一来必将因为主厂房基坑开挖形成土体落差，从而对桩基产生扰动，并且挖掘机施工时也可能撞到钢桩，为把这一影响减少到最小，施工单位在设计院的配合下确定了合理的主厂房基坑开挖边坡及开挖次序，并且明确提出不得在基坑四周堆放开挖出的土方和施工用的大堆建筑材料，以尽量减少边坡堆载对基坑钢桩的侧压力影响，从而保证桩基的稳定。4、合理确定开挖时间由于*工程地质情况复杂，多为饱和松散的砂性土，土壤含水率高，在快速密集沉桩时，土体结构受孔隙水压力和挤土作用，以及打桩所引起的振动等不利因素的影响，极易受振动而导致强度下降，出现桩体上浮和侧移。为随时掌握土壤孔隙水压力变化的情况，施工单位在主厂房区域设臵8只超

11、孔隙水压力计进行测量孔隙水压力，压力计采用振弦式水压力计。根据实测资料表明，超孔隙水压力在打桩后70天全部消散。*工程主厂房由于打钢桩的时间较土方开挖的时间要早两个多月，因此在主厂房在95.12.28挖土时，经现场实测，土壤孔隙水压力己全部消散，避免了超孔隙水压力的内在影响。5、加强观测虽然设计及施工单位对如何防止桩位的偏移做了大量的预防工作，但为防止不可预见的原因造成桩位的偏移。为慎重考虑，也为了掌握第一手资料，施工单位在本工程土方开挖期间，沿周边每组钢桩都设臵观测点，派专人天天进行观测，掌握情况，以便随时采取对策。以下对施工单位所采取的一些主要措施阐述如下：六、降水方案的选择及实施*工程主

12、厂房基坑因紧邻长江，地质地层情况复杂，在土方开挖过程中，既要保证钢桩的稳定，又要保证大面积基础的同时施工，根据具体情况选用合适的降水型式非常必要，本工程施工单位经过现场试验，大胆采用管井为主，射流泵轻型井点为辅的降水方案，为基础施工创造了良好的条件，并节省了施工费用。（一）、降水方案选择因主厂房基坑紧邻长江，地质地层情况复杂，不同降水方案的降水效果也有巨大的差异，为了解地基经抗液化处理和承重桩施打后几种降水方案的实际效果，施工单位在主厂房区域分别进行了管井降水、真空泵轻型井点、射流泵轻型井点降水的试验，然后通过综合比较来选择降水型式。1、试验情况由于主厂房基础主要坐落在2-2号土层中，而3-1

13、号土层较厚，为淤泥质粉质粘土，渗透系数较小，降水过程中3-1号土层渗水情况对降水的效果影响很大，为判别经复合处理后3-1号土层渗水情况，在实际试验过程中，管井分别作了8m 和12m 两种深井抽水试验。8m 深井打到了3-1号土层上表面处；12m 深井打入3-1号土层4m ，目的是判别经复合处理后3-1号土层渗水情况。轻型井点在施打时，先在地面挖1.2m 深沟槽，然后打入4.8m 长的井点管，共打20根，使井点管的滤水头进入2-3号土层，然后分别接真空泵和射流泵，目的是比较此二种降水型式的抽水效果。试验结果列表如下： 2、试验结论1）3-1号土层对渗水量无影响，可以看成相对不透水层。 2）射流泵

14、轻型井点抽水量最大，为最理想的降水方式。 3、方案确定因主厂房基础座落在2-2号土层上，考虑到土体需预先降水固结防止钢桩偏移，并且桩在稳定期间不许挖土。因此主厂房基坑降水方案在考虑方便主厂房基础大面积施工情况下，主要采用8m 深管井降水方式，局部深基坑及降水效果较差的区域增加射流泵轻型井点降水方案。 （二）、管井施工方法1、主厂房基坑管井降水设计主厂房基坑采用机械大开挖方式，按井群降水法计算；计算过程如下：管井滤管8米，300陶粒管，进水部分主要位于2-3号，3-1号土层，K 取6.0×E-4cm/s（0.1584m/d）, 此井按无压非完全井计算。水位降低值s ，根据工程需要，需将

15、水位降低至-3.90m ，水位降低值s=3.2m。抽水影响半径RR=1.95S×3.2×管井过滤器部分每米井的单位进水量q q=2r K/15=2×3.14×0.15×=1.54×E-4m 3/s(0.55m3/h=13.3m3/d因#1、#2机对称布臵，故取#1机作为计算单元。 分区、区分别计算涌水量，布臵管井。 区管井计算： 根据平面计算假想半径:X=A/=(43.2×104+63.5×30.6 /=45m 引用半径R 0=R+X=45+12=57m 计算涌水量：(2H-sS (2×7-3.2 

16、15;3.2×0.5184LgR 0-lgX Lg57-lg45=238m3/d=2.75×E-3m 3/s 滤管长度:L=Q/q=2.75×E-3/1.54×E-4=18m考虑到地质情况复杂，而且要加速土壤的固结，考虑在整个#1机厂区布臵8m 的深井13口，滤管长度远远大于实际计算量18m ，满足要求。经试排#1区管井，距#1区重心分别为：X 6=40m,X7=35m,X8=45m,X9=50m,X10=35m,X11=50m,X12=40m,X13=45m,X14=55m,X15=40m,X16=45m,X17=46m,X18=65m。 lg(X6X

17、 7X 18=21.47 #1区群井生产量:（2H-S ）SQ ×0.5184LgR 0-1/nlg(X6X 7X 18(2×7-3.2 ×3.2× =234m3/d=2.71E-3m3/SLg57-1/13×21.472.75E-3m 3/S(Q满足要求。经同样方法计算#2区的管井也为13只。 这样，设计管井共26口，为观察水位下降的变化情况，在厂区另布臵4口观察井。每口井设一个潜水泵，QS 6型，流量为6立方米/小时，扬程18.5米，最大外径为205mrn 。实际施工过程中，由于深井降水一直受打桩的影响，难以正常进行，到打桩结束后才恢复正常

18、，因此地下水位的下降速度比预计的要慢，平均每天只有3公分。为加速土壤的固结，保证在主厂房土方开挖前土壤的空隙水压力消除，施工单位又采取了加速降水的措施，在原30口井的基础上，又增打了10口深井，从而，加速了水位的下降速度，保证了主厂房如期开挖。2、管井施工施工程序：井位放线钻机就位钻孔一清孔吊放井管一一回填过滤层洗井试抽正常工作1）钻孔采用XY 4回转钻机；孔径600mm ，采用泥浆护壁工艺，控制泥浆浓度在8.10KN 立方2）将孔中的泥浆用清水换出，井底填砂砾30cm 厚 3）井管为预制钢筋砼滤管，内径为300mm ，外径为360mm ，长度4m 。滤管密绕缠丝，包80滤网2层，再密绕缠丝。

19、上下管采用焊接连接，下放时使管子居中。4）滤料采用六合产绿豆砂，人工从井四周均匀投放，距管顶0.5m 用粘土回填密实。5）用污水泵洗井至清水，然后将0.75KW 潜水泵放入抽水。（三）、射流泵轻型井点施工l、射流泵和井管数量根据工程具体计算确定，从现场施工情况来看，一般5m 深坑布臵一级井点，间距：1根m ，每30根井点设1台射流泵，可将地下水降至要求以下。 2、施工1）按附图 1制作射流泵，压力泵采用 Q365185.5潜水泵。2）井点管采用中48钢管制作，长4.8m ，滤水段长1m ，施工时用高压水枪冲孔，冲孔深度比滤管底深0.5m ，将井点管大面积基坑开挖桩基稳定与降水方案的选择 放在孔

20、洞中间，及时用洁净的粗砂灌实，上口 0.5m 用粘土封 堵。 七、 土方开挖方案的设计与施工 为保证钢桩的稳定，减少土方开挖层差对钢桩的影响，施 工单位对土方的开挖方案作了针对性的措施： 1. 主厂房采用机械大开挖的方案，为防止挖掘机误碰钢 桩，也为了防止基坑底部原土层的扰动，施工时预留 50 公分土 用人工挖运，从而最大限度减少人为因素的影响。 2. 主厂房的挖土时间严格根据华东电力设计院土壤固结 试验报告确定，当土壤固结达到设计要求时，才进行土方的开 挖。 3. 主厂房的挖土采用纵向流水分段分层的开挖的方法， 用 3 台挖土机同时从锅炉房、除氧煤仓间、汽机房三个部位由 #1 轴向#20 轴

21、线方向连续挖土作业，分层挖土的厚度控制在 1 米以内。 4. 为了减少土体层差对钢桩的影响，经计算并征得设计 方认可，确定所有的开挖边坡设计为 1：3，这一标准远远高于 规程规范的要求。从而确保土体层差对钢桩的影响降到最小的 程度。 - 16 - 大面积基坑开挖桩基稳定与降水方案的选择 5. 主厂房周围 50 米范围不允许堆载土方或建筑材料， 所有开挖出的土方运至临时弃土区二期煤场及升压站区 域。 6. 为防止地表水或雨水对边坡的侵蚀，造成土体滑坡， 从而影响到钢桩，在主厂房周边沿边坡开挖 50 公分深的排水明 沟，排水明沟采用砖砌勾缝形式，在四周设 8 只集水井，将地 表水或雨水排出。 八、 方案实施的效果 *一期主厂房桩基工程 95.3.28 开工，95.8#1、#2 机组 碎石桩及#1 机组 H 钢桩全部打完。2 机 H 钢桩十一月份施打 完。 主厂房区管井 9 月份施打完，10 月中旬开始抽水，固结地 基。 95.12.28 主厂房基坑开始机械挖土，人工修坡，#1 机组基 坑 96 年元月土方开挖结束，96 年 6 月零米以下基础施工完， 开始回填土。#2 机组零米以下基础 9 月份施工结束。 由于所有参战单位的共同努力，在施工前对软土地基情况 下钢桩的稳定加以重视，从各个方面制定并采取切实可行的措 施，使施工得以顺利地完成。整个施工期间，主厂房区