分级开挖超深基坑围护桩与工程桩分级复合支护施工工法

1、分级开挖超深基坑围护桩与工程桩分级复合支护施工工法山西太行建设开发有限公司，山西宏厦建筑工程有限公司白山巍、王惠荣、李海涛、董拥梅、王永星1、前言随着我国城市建设的发展，城市用地越来越紧张，充分利用地下空间资源成为基础工程的发展趋势。排桩支护作为基坑工程常用的基坑支护型式，在建筑物基础工程的投资额中占较大比重，作为一种临时工程，其投资额大、效用时间短暂，造成了巨大的浪费。将围护排桩在基坑开挖时作为支护结构之外，也作为建筑物工程桩承担上部结构荷载，同时还作为地下室外墙抗侧压力结构体系的一部分，可以大量节省地下工程投资，改变传统的基坑围护工程仅作为临时工程，地下室施工完成后围护结构就报废的做法。山

2、西太行建设开发有限公司与山西宏厦建筑工程有限公司共同开发研究，将灌注桩设计为工程桩兼支护桩的复合支护方式，采用分级开挖，利用工程桩及上部的承台连梁将排桩连成整体，基槽开挖时，对基坑侧壁起支护作用，基槽内部结构施工完后，再用作外侧结构的桩承台基础，实现了一桩两用，节约了支护桩的造价，同时提高了工程施工效率，具有较高技术、经济、社会效益。工法申报单位通过工程实践、总结施工经验，集成了企业级工法分级开挖超深基坑围护桩与工程桩分级复合支护施工工法，经审核获批2012年度山西省省级工法，由山西省科技情报研究所（国家一级科技查新机构）出具查新报告，本工法部分核心技术内容，达到国内领先水平，填补了国内相关空

3、白。此后在工程实践中不断克服施工难点，完善施工方法，最后集成本次申报文本。另外，山西太行建设开发有限公司根据工法施工工艺要求，进行技术创新，形成一项实用新型专利：一种后补强支护桩结构（ZL:201320591500.8）。2、工法特点2.1 本工法利用工程桩及上部承台连梁将排桩连成整体，形成围护结构，基槽开挖时，对基坑起支护作用；基槽内部结构施工完后，再用作上部结构的桩承台基础，实现了桩基础与排桩支护的完美结合，展现了桩基使用功能的多样化。2.2 根据桩顶标高高差的特点和基坑开挖的深度，采用单排桩与双排桩分级复合支护，使深基坑支护设计得到优化，工程内部空间结构充分放大，同时确保基坑内部安全施工

4、。2.3采用工程桩兼支护桩分级复合支护形式，直接节约了支护桩的造价，缩短支护桩的施工工期，降低工程投资成本。2.4 工法通过合理重复利用围护体系，减小地下室外墙混凝土与配筋用量，土方分级开挖，最大限度的利用现有空间，减少深基坑内土方的倒运次数，可减小地下工程投资。2.5 本工法还可配合使用锚杆支护，对基坑周围土体具有加强作用，可显著提高其稳定性，具有支护成本较低、施工速度快、劳动强度小等特点，可明显改善作业环境和安全生产条件。3、适用范围 本工法适用于排桩支护基坑开挖支护工程，尤其适用于工程桩兼支护桩的错台桩基础基坑分级开挖支护工程。4、工艺原理4.1 通过计算基坑开挖过程中桩基的内力、位移并

5、验算土体整体稳定性，合理利用各级桩基对下一级基坑进行支护。计算下一级排桩受力时，考虑了上一级土层对其产生的影响。4.2 将工程桩及上部的承台连梁将排桩连成整体，作为围护结构，桩基和桩顶连梁在基槽开挖时对基坑起到支护作用，上部结构施工时，又作为基础结构的一部分。4.3 根据错台桩基础的结构特点，并采用单排与多排桩相结合的工艺，可有效避免开挖后基坑侧壁变形、倾覆。某一级桩基和承台连梁达到设计强度后，在该级排桩支护下，开挖下一级土方并施工下一级桩基，以此类推。土方开挖过程中对基坑及桩基进行监测直至基础施工完毕。图4 分级开挖围护桩与工程桩分级复合支护示意图5、工艺流程及操作要点 5.1 施工工艺流程

6、本工法施工流程如图5.1所示，主要施工步骤如下： 1 桩基施工：根据设计方案、现场勘探资料，进行桩基施工，可采用钻孔灌注桩作为支护桩兼工程桩； 2 浇筑承台连梁：桩基顶部处理后，支设模板，绑扎钢筋，浇筑混凝土后作为承台连梁用； 3 开挖基槽：待桩基及连梁达到设计强度后，分层开挖基槽至下一级支护结构设计标高； 4 挂网、拉设锚杆：根据工况及设计要求，选择性的实施挂设安全网以及拉设锚杆等相应支护结构补强措施； 5 循环施工：根据设计要求，分级支护，循环上述施工步骤，直至开挖至设计底部标高。图5.1 施工工艺流程图 5.2 操作要点5.2.1 施工前准备1 设计院分析研究，确定初步方案根据项目工程需

7、要及地质勘查报告确定初步设计方案：围护桩与工程桩分级复合支护的方法。2 受力验算，确定设计方案根据相关设计计算程序进行桩基受力验算，确定基础工程设计方案。3 对设计和施工方案组织专家论证针对工程的设计及施工方案，请建设单位、设计单位、地勘单位、监理单位、施工单位及相关专家进行论证。5.2.2钻孔灌注桩施工要点1 做好定位放样，护筒埋设及校正工作，并保持垂直，周围用粘土填实，中心偏差2cm；2 在桩位复核正确，护筒埋设符合要求，护筒、地坪标高已测定的基础上，钻机才能就位；桩机定位要准确、水平、垂直、稳固,钻机导杆中心线、回旋盘中心线、护筒中心线应保持在同一直线。3 钻进成孔前必须检查钻头保径装置

8、，钻头直径、钻头磨损情况；成孔过程中，按试桩施工确定的参数进行施工，设专职记录员记录成孔过程的各种参数；成孔后尽快下放钢筋笼，防止塌孔。4 钢筋笼吊放应缓慢进行，要对准孔位，避免碰撞孔壁，不得强行下放；安装完毕以后，必须立即固定；钢筋笼到位（孔底）时要复核笼顶标高。5 浇筑混凝土前需对桩孔进行清孔，在第一次清孔达到要求后，由于要安放钢筋笼和导管至浇注混凝土的时间较长，孔底又会产生沉渣，所以待安放钢筋笼和导管就绪后，再利用导管进行第二次清孔。清孔标准是孔深达到设计要求，复测沉渣厚度在10cm以内，此时清孔完成，可浇注混凝土。6 现场混凝土浇筑采用串筒，遇见地下水时采用导管。浇筑混凝土时应连续进行

9、，分层高度以捣固的工具而定。混凝土浇筑到桩顶时，应适当超过桩顶设计标高，以保证桩顶标高符合设计要求。水下混凝土施工时先灌入首批封底混凝土，首批混凝土数量要经过计算，使其有一定的冲击能量，能把泥浆从导管中排出，并能把导管下口埋入混凝土不小于1m。导管内首批水下混凝土与泥浆用隔水栓隔开，隔水栓预先用钢丝绳悬吊在混凝土漏斗下口，当混凝土装满漏斗时，将隔水栓拔出，混凝土即在重力作用下沉至孔底，排开水（泥浆），埋住导管口，完成封底。随着灌注连续进行，及时提拔导管，混凝土灌注应连续进行，不能停止，中途停歇时间不得超过30min。在灌注将近结束时，在孔内注入适量的水使孔内泥浆稀释，有效排出泥浆，加大导管内外

10、的压力差，保证灌注效果。7 在后注浆施工中，注浆泵将浆液通过预埋在桩身中的注浆管，向桩端地层均匀地注入，当注浆压力达到规定值时，停止注浆。5.2.3分层开挖施工要点 1 承台连梁施工承台连梁施工前基槽开挖施工步骤:定位放线、验线机械挖土人工修理截桩头人工修边和清底基底放线验槽。排桩施工完毕，桩体达到设计强度100%后，基槽开挖到承台连梁底位置，清除多余桩头，清理连接面的残渣、浮土，在承台连梁底部铺筑垫层，而后弹出中线，经验线后方可安装钢筋，封闭模板，浇筑承台连梁混凝土，如图5.2.3-13所示。5.2.3-1 截桩头图5.2.3-2 承台连梁钢筋绑扎图5.2.3-3 承台连梁 2 开挖前准备1

11、）土方开挖前，应根据施工方案的要求，将施工区域内的地下、地上障碍物清除和处理完毕。2）复查建筑物或构筑物的位置或场地的定位控制线（桩）、高程桩及开槽的灰线尺寸，必须经过检验合格，并办完预检手续。3）基坑支护桩施工完毕，桩身混凝土强度需达到设计要求强度。 3 土方开挖基槽土方开挖前必须对桩基及承台连梁混凝土进行抗压试验，确保混凝土强度达到100%后方可开挖。挖土时要分层、分段进行开挖，每层开挖深度不能超过规定值，分段长度要适当，不能一次性或局部开挖过深。如图5.2.3-4所示。图5.2.3-4 分层、分段开挖挖到设计标高时应及时封底，这样能有效的防止基坑侧壁的变形，严禁暴露时间过长，基坑侧壁做挂

12、网防护。如图5.2.3-5、5.2.3-6所示。图5.2.3-5 基坑封底、内部结构施工5.2.2-6 挂网防护5.2.4基坑变形观测要点本工法的核心技术为“工程桩兼支护桩分级复合支护”，将支护结构作为主体结构的一部分，针对超深基坑一般开挖深度大于10m，依据建筑基坑工程监测技术规范中4.2.1基坑工程分类标准划分，属于一级基坑，基槽开挖时应按规范要求实施基坑工程监测。1 基坑工程现场监测的对象应包括：1）支护结构2）基坑底部及周边土体3）周边建筑4）周边重要的道路2. 监测点布置1）围护墙或基坑边坡顶部的水平和竖向位移监测点布置应沿基坑周边布置，周边中部、阳角处应布置监测点。监测点水平间距不

13、宜大于20m，每边监测点数目不宜少于3个。水平和竖向位移监测点宜为共用点，监测点宜设置在围护墙顶或基坑坡顶上。2）围护墙或土体深层水平位移监测点宜布置在基坑周边的中部、阳角处及有代表性的部位。监测点水平间距宜为20m50m，没变监测点数不应少于1个。3）围护墙内力监测点应布置在受力、变形较大且有代表性的部位。监测点数量和水平间距视具体情况而定。竖直方向监测点应布置在弯矩极值处，竖向间距宜为2m4m。4）围护墙侧向土压力监测点应布置在受力、图纸条件变化较大或其他有代表性的部位；平面布置上每边不宜少于2个监测点。竖向布置上监测点间距宜为2m5m，下部宜加密；当按土层分部情况布设时，每层应至少布设1

14、个测点，且宜布置在各层土的中部。5）基坑内地下水位水位监测点宜布置在基坑中央和两相邻降水井的中间部位；当采用轻型井点、喷射井点降水时，水位监测点宜布置在基坑中央和周边拐角处，监测点数量应视具体情况确定。基坑外地下水位监测点应沿基坑、被保护对象的周边或在基坑与被保护对象之间布置，监测点间距宜为20m50m。水位观测管的管底埋置深度应在最低设计水位或最低允许地下水位之下3m5m.3 监测报警基坑工程监测必须确定监测报警值，监测报警值应满足基坑工程设计、地下结构设计及周边环境中被保护对象的控制要求。监测报警值应由基坑工程设计方确定，或根据土质特征、设计结果以及建筑基坑工程监测技术规范要求确定，见表5

15、.2.4。表5.2.4 一级基坑及桩基支护结构检测报警值序号监测项目支护结构类型一级基坑累计值变化速率（mm/d）绝对（mm）相对基坑深度（h控制值）1围护墙（边坡）顶部水平位移灌注桩25300.2%0.3%232围护墙（边坡）顶部竖向位移10200.1%0.2%3深层水平位移45500.4%0.5%5.2.5 基坑内结构施工根据设计要求，按上述施工要点进行基坑分级开挖、支护施工，直至设计底面标高。底面封底整平后，进行内部结构施工。如图5.2.5所示。5.2.5 基坑内结构6. 材料及设备6.1 主要材料6.1.1泥浆：当桩孔开挖遇到地下水量大时，采用泥浆护壁进行施工，泥浆的作用主要是悬浮钻查

16、、护壁及固壁。施工时应根据所钻至不同地质层位，利用粘土造浆调制部分泥浆循环使用，以便泥浆比重、粘度适合相应的土层和钻进速度。泥浆指标如下：1）泥浆相对密度1.11.32）胶体率95%3）含砂率4%4）PH值：不大于6.56.1.2水泥：水泥进场使用前，应分批对强度、安定性进行检验。当在使用中对水泥质量有怀疑或水泥出厂超过3个月时，应进行复查试验，并按其结果使用。强度等级不低于32.5的硅酸盐、普通硅酸盐水泥，水泥重量允许偏差±2。6.1.3钢筋：钢筋材质应有出厂合格证和质量证明单及复试报告。主筋、箍筋、锚索按设计要求采用，钢材应满足有关标准要求。6.1.4模板：采用竹夹板，板强度高、

17、韧性好、板的静曲强度相当于木材强度的8-10倍，为木胶合板强度的4-5倍，可减少模板支撑的使用数量。6.1.5 商品混凝土：选用资质高、信誉好的商品混凝土搅拌，进入现场的混凝土必须随车附有混凝土配合比通知单、原材料检验报告、实验报告。6.2 机具设备主要机械设备见表6.2表6.2 主要施工机械设备表序号机械名称单位台数1旋挖机台22挖掘机台13泵车辆14装载机辆15混凝土罐车辆56自卸汽车台57空压机台28电镐把69电焊机台210注浆泵台16.3 劳动力组织主要劳动力配备详见表6.3。表6.3 劳动力配备表序号工种人数1挖桩工82钢筋工303混凝土工54木工205力工66电工17测量员27、质

18、量控制7.1 工程质量控制标准本工法主要遵照执行的现行规范、规程、标准主要有：1建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）2建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）3建筑桩基检测技术规范（JGJ106-2003）4建筑地基与基础工程施工质量验收规范（GB50202-2002）5建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）6建筑施工土石方工程安全技术规范（JGJ120-2012）7建筑基坑工程监测技术规范（GB50497-2009）8建筑变形测量规范(JGJ8-2007)7.2 质量保证措施7.2.1 灌注桩施工质量控制1 钢筋笼绑扎质量控制1）主筋间距：±10mm，钢尺检查。

19、2）长度：±100mm，皮尺检查。3）钢筋材质检验：符合设计要求，检查合格证及检验报告。4）箍筋间距：±20mm，钢尺检查。5）直径：±10mm，钢尺检查。2 灌注桩成桩质量控制1）根据现场土质条件和桩间距离确定桩孔开挖的顺序，宜采取间隔成桩的施工顺序；对混凝土灌注桩，应在混凝土终凝后，再进行相邻桩的成孔施工。2）对松散或稍密的沙土、稍密的粉土、软土等易坍塌或流动的软弱土层，对钻孔灌注桩宜采取改善泥浆性能等措施，对人工挖孔桩宜采取减小每节挖孔和护壁的长度，加固孔壁等措施。3）对混凝土灌注桩，其纵向受力钢筋的接头不宜设置在内力较大处。同一连接区段内，纵向受力钢筋的连

20、接方式和连接接头面积百分率应符合现行国家标准混凝土结构设计规范GB 50010对梁类构件的规定。4）混凝土灌注桩采用分段配置不同数量的纵向钢筋时，钢筋笼制作和安放时应采取控制非通长钢筋竖向定位的措施。5）混凝土灌注桩采用沿桩截面周边非均匀配置纵向受力钢筋时，应按设计的钢筋配置方向进行安放，其偏转角度10°。3 混凝土灌注桩质量要求灌注桩的桩位偏差必须符合表7.2.1的规定，桩顶标高至少要比设计标高高出0.5m，桩底清孔质量按成桩的要求，每根桩必须有1组混凝土试件。表7.2.1 灌注桩的平面位置和垂直度的允许偏差成孔方法桩径允许偏差（mm）垂直度允许偏差（%）桩位允许偏差（mm）13根

21、单排桩基垂直于中心线方向和群桩基础的边桩条形桩基沿中心线方向和群桩基础的中间桩钻孔灌注 桩D1000mm±50170150混凝土强度，每连续浇筑一次桩必须有二组试块，强度符合设计要求。4 其他质量控制要求： 1) 沉渣厚度：100mm。用吊锤测量 2) 混凝土坍落度：灌注水下160-220mm，灌注前坍落度仪测量。 3) 钢筋笼安装深度：±100mm，尺量检查。 4) 混凝土充盈系数：>1。计量检查每根桩的实际灌注量与桩理论体积相比。 5) 桩顶标高：+30mm，-50mm。水准仪测量。扣除桩顶浮浆层及劣质桩体。7.2.2 承台连梁质量控制凿桩头时，由于桩身较脆，在受

22、到强烈撞击时，易产生贯穿性纵向裂缝, 影响桩的使用, 为此应采取工具钢套箍，紧箍在切口下部桩身上，再沿套箍凿出一道沟槽，然后再行扩大、切断。承台连梁施工时，应将桩顶浮浆、低强度混凝土及破碎部分清除。承台连梁混凝土浇筑采用土模时，土面应修理平整。7.2.3 基坑监测质量控制1 监测精度要求水平位移监测精度要求（mm）水平位移报警值累计值D（mm）D2020D4040D60D60变化速率VD (mm/d)VD22VD44VD6VD6监测点坐标中误差0.31.01.53.0竖向位移监测精度要求（mm）竖向位移报警值累计值S（mm）S2020S4040S60S60变化速率VS (m

23、m/d)VS22VS44VS6VS6监测点坐标中误差0.150.30.51.52 监测频率基坑类别施工进程基坑设计深度（m）5m510101515一级开挖深度（m）5m1次/1d1次/2d1次/2d1次/2d5101次/1d1次/1d1次/1d102次/1d2次/1d底板浇筑后时间（d）71次/1d1次/1d2次/1d2次/1d7141次/3d1次/2d1次/1d1次/1d14281次/5d1次/3d1次/2d1次/1d281次/7d1次/5d1次/3d1次/3d8、安全措施8.1 施工机械要严格遵守相关机械操作规程。8.2电气设备线路采用“三相五线”制，电气设备和电气线路必须绝缘良好，做到一

24、机一闸一保护，有专职电工对电气设备和线路进行维护，时刻保持完好状态。8.3 当采用旋挖机挖桩是，由于旋挖机的自重大，应平整场地，清除杂物，换除软土或铺垫钢板，钻机履带不宜直接置于不坚实填土上，以防旋挖机倾倒。如遇大雨、雪、雾和六级以上大风等恶劣气候，应停止作业；风力超过七级或有强台风警报时，应将钻机顺风向停置，并将立柱下降至地面，动力头降至最底点，雷电天气，人员要远离钻机。8.4当上一级支护桩强度达到设计强度时，方可开挖下一级基坑。8.5开挖时，挖土机械不得碰撞或损害已施工的基础桩。8.6当开挖揭露的实际土层性状或地下水情况与设计依据的勘察资料明显不符，或出现异常现象、不明物体时，应停止开挖，

25、在采取相应处理措施后方可继续开挖。8.7基坑边应按照高处作业的要求设置临边防护，作业人员上下应有专用梯道，当深基坑施工中形成的立体交叉作业时，应合理布局基位、人员、运输通道，并设置防止落物伤害的防护层。8.8 基坑周边施工材料、设施或车辆荷载严禁超过设计要求的地面荷载限值。8.9 基坑监测数据、现场巡查结果应及时整理和反馈。当出现下列危险征兆时应立即报警： 支护结构位移达到设计规定的位移限值； 支护结构位移速率增长且不收敛； 支护结构构件的内力超过其设计值； 基坑周边（构）筑物、道路、地面的沉降达到设计规定的沉降、倾斜限值；基坑周边建（构）筑物、道路、地面开裂； 支护结构构件出现影响整体结构安

26、全性的损坏； 基坑出现局部坍塌； 开挖面出现隆起现象； 基坑出现流土、管涌现象。8.10 支护结构或基坑周边环境出现8.9条规定的报警情况或其他险情时，应立即停止开挖，并应根据危险产生的原因和可能进一步发展的破坏形式，采取控制或加固措施。危险消除后，方可继续开挖。必要时，应对危险部位采取基坑回填、地面卸土、临时支撑等应急措施。当危险由地下水管道渗漏、坑体渗水造成时，应及时采取截断渗漏水源、疏排渗水等措施。9、环保措施9.1 施工过程将动用旋挖机、装载机等大型施工机械时产生噪声，成为对临近敏感点有较大影响的噪声源。这些噪声声源有的是固定源，有的是现场区域内的流动源。此外，一些施工作业如搬卸、安装

27、、拆除等也产生噪声。有些工艺必须连续施工，夜间施工噪声扰民问题也比较突出，必须做好安民告示工作，办理夜间施工许可证，避免周围居民投诉。9.2 对易产生粉尘、扬尘的作业面和挖土、运输过程，制定操作规程和洒水降尘制度，在旱季和大风天气适当洒水，保持湿度。9.3 严禁在施工现场焚烧任何废弃物和会产生有毒有害气体、烟尘、臭气的物质，熔融沥青等有毒物质要使用封闭和带有烟气处理装置的设备。9.4 在工程开工前完成工地排水和废水处理设施的建设，并保证工地排水和废水处理设施在整个施工过程的有效性，做到现场无积水、排水不外溢、不堵塞、水质达标。 9.5 施工现场设垃圾站，各类生活垃圾按规定集中收集，教育施工人员

28、养成良好的卫生习惯，不随地乱丢垃圾、杂物，保持工作和生活环境的整洁。每班派专人进行清运。10、 效益分析10.1 技术效益本工法利用工程桩及上部的承台连梁将排桩连成整体，基槽开挖时，对边坡起支护作用，基槽内部结构施工完后，再用作外侧结构的桩承台基础，实现了一桩两用，采用分级施工，充分考虑上一级桩体的影响，与传统施工方法法相比具有施工速度快、质量便于控制、施工安全性提高等优势。10.2 经济效益将工程桩兼作支护桩，即满足了工程结构的需要，又保证了基槽边坡的稳定性，降低灌注桩单桩质量要求；采用单排与多排工程桩兼支护桩结合施工的方法，可以减少排桩使用量；土方分级开挖，最大限度的利用现有空间，减少深基

29、坑内土方的倒运次数，同时提高了工程施工效率，可综合节约 15%左右，缩短施工工期约10%。10.3 社会、环境效益本工法采用分级开挖超深基坑，并应用分级复合支护，可减小基坑侧壁形变量，增大基坑内施工安全系数，同时减少对周围临近建筑物的影响；施工过程中所使用材料自身均无污染，对废弃施工材料处理妥善，不存在破坏环境的问题；施工场地内严格控制施工机械噪音和废气、废液排放，不妨害周围群众生活质量。11、工程应用11.1山西兆丰铝业氧化铝二期氧化铝仓及包装堆栈工程该工程开竣工时间为2011年11月至2012年6月。氧化铝仓仓体结构为平面尺寸38.0m×60.0m的半地下钢筋混凝土槽仓，仓上结构为20m高、38m跨度的A型钢框架，仓下为两条5.3m×3.5m的暗道，基础形式为桩筏板基础。南北端墙及隔墙高度为25.3m，东西剪力墙仓壁高度为16.5m。斗提