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无关内容:
包括准备工作、土方开挖技术、内支撑施工、基坑降排水以及深基坑施工安全技术措施等关键词:桥梁深基坑;土方开挖;支护;降排水 桥梁深基坑施工一直是桥梁工程施工的重点,也是施工难点所在,如果施工技术措施不得当,便可能引发塌方等工程事故,增加工程的成本造价,并对基础施工质量造成不利影响
下面简要探讨桥梁深基坑施工的相关技术要点
1 做好深基坑施工的准备工作 进行桥梁深基坑开挖之前,应将挖方区域内所有障碍物进行清除或迁移,如树木、房屋等建(构)筑物、高压、照明、通信线路等,以免这些障碍物影响基坑的施工
开挖前还须制定好现场场地平整施工方案,绘制开挖施工方案,明确集水井位置及土方堆放地点、开挖路线、基底标高、边坡坡度,制定好基坑的降排水措施,计算挖填土方量
基坑施工前做好控制基线、轴线和水准基点等测量控制网的设置工作,布置好方格网桩,进行基坑土方开挖的测量定位放线,并反复进行检查核对,减少测量误差
基坑开挖前应熟悉开挖基坑的基础型式及尺寸要求,核实地质条件是否同设计一致
施工前还要制定场地的临时供水供电线路,确定机械进出和土方运输道路,并完成生产设施、生活设施等临时设施的修建工作
2 桥梁深基坑土方开挖技术要点 深基坑土方开挖须结合实地情况与基坑维护工况,坚持分层分段开挖与支护的原则,开挖应做到开槽支撑、先撑后挖、先中间后两边,严禁超挖
开挖宜采用大小两种挖掘机械配合施工,开挖前根据施工机械、作业条件进行土方分区,各段应按照先远后近的顺序以出口为核心点进行开挖,每段开挖长度不宜超过支撑间距
大型机械用于垂直开挖及土方装运,而基坑底部开挖、清理边角等工作应采用小型机械来完成,开挖应分层开挖,不得超挖,应在整个开挖过程中实行动态管理
竖向开挖可分为中心岛式分层挖土、大面积分层挖土及盆式挖土等方法
中心岛式挖土应先进行周边分层挖土,开挖厚度不宜超过2m,其堆土高度也不应超过0.6m,将挖土传送至自然地面后再进行外运;大面积开挖深度不超过2m,为确保挖土机械和载重车辆不陷入软土内而采用钢质路基板;盆式开挖主要是通过在基坑四周下部布置斜撑来维护结构稳定的方法
开挖支撑下的土方时,应先将反铲挖土机钻到支撑下挖土,再将土传到汽车内,开挖时应保证支撑土方不松动,支撑高度应在3m以上,且有足够的承载力,还应注意防止施工过程中压断支撑,造成塌方事故
机械开挖土方后应通过人工进行修整,将边角部位及不平整部位的土去掉,并采用塔吊将土方及时外运
为避免超挖和保持边坡坡度正确,机械开挖到坑底设计标高30cm左右时,也应通过人工来开挖和修坡
若有小部分超挖,可用素土、灰土回填并夯实,其压实度不应小于原地基土
3 内支撑施工 深基坑开挖时,应坚持先撑后挖的原则施工,土方开挖应与支撑工作交叉进行,通常对上层土方开挖50cm后则对其进行支撑,然后再开挖第二层
支撑的种类很多,对于钢支撑,其连接应采用焊接方式,拼接点应在支撑的交汇点处设置,其强度不应低于构件的截面长度,应焊接的连接点处应力集中、受力复杂,所以应对各个连接点焊接后还要再仔细检查,确保焊接牢固
土钉墙用作维护结构时,通常两排土钉墙间间距不超过1.5m,并结合每排土钉的竖向间距来控制每层挖土深度
地下连续墙多用于地下水位较低处,地下连续墙可同其他支护类型共同使用,也可单独使用,若基坑深度较深时,应同时设置支撑或锚杆,以便更好地承受荷载
水泥搅拌桩既可挡土又可挡水,其适用于深度为5~10m以内的基坑,当开挖的地质条件好时,基坑深度可适当加大,此种支撑形式还可与钻孔灌注桩配合使用
如果基坑面积较大且易因积水而造成塌方事故,就应在开挖过程中对开挖坡面采取保护措施,可在坡面铺设钢筋网,并在表面铺设一层细石混凝土,注意坡面还应留有泄水孔
4 深基坑的降水和排水 若基坑的开挖底面高于地下水位基坑时,开挖过程中会切断含水层,使得地下水渗流流入坑内,大大降低周围土体强度,增大了开挖的难度,并且地下水渗流作用可能冲垮边坡,造成塌方事故,所以必须对开挖过程中的地下水采取相应的降排水措施
基坑排水方法很多,各种排水沟排水及各种井点系统降水是工程中应用较多的降排水方法
采用集水井排水法时,应在基坑槽开挖施工中,结合工程地质和水文条件,事先进行实验井的抽排水实验,然后再根据工程情况合理布置降水井
在基坑底坡角处设排水沟,然后在基坑两对角处设集水井,使雨水和渗透地下水汇入基坑内排水沟和集水坑中,然后通过泵来排出
选用水泵类型时,一般按基坑涌水量的1.5~2倍来选取水泵的排水量
当基坑涌水量Q<20m3/h时,可用潜水电泵或隔膜式水泵;当Q为20~60m3/h时,可用潜水电泵、离心式水泵或隔膜式水泵;当Q>60m3/h时,多用离心式水泵
隔膜式水泵排水量小,但可排除泥浆水,选择时应按水泵的技术性能选用
安装排水井管时须保持井口标高一致,井管不得靠住井壁,使得它们之间有一定的厚度用于填砾,井管安设完成后可进行洗井,使井内最终流出量大且均匀的清水,水中应不含砂子
在后面的降水过程中应及时检查水的状况,如果工作一定时间后抽出大量的砂子,应立即停止抽水,进行间断的抽水或改用小口径的泵抽水,以防抽出过多砂子而导致土体沉降,出现边壁垮塌的现象
此外,还应在基坑外离坡顶1m的自然地面处设置排水沟,并在对角各设一集水井,收集沟内雨水,然后用水泵排出,这样可有效避免地面水流入坑内
5 做好深基坑施工的安全措施 (1)开挖边坡土方时,为防止边坡失稳现象,不得对坡脚进行切割,若坡度较小,最好不要在挖方上堆土
(2)多台挖掘机在同一作业面机械开挖,为避免相互之间的影响而造成工程事故,应保持挖掘机间距在10m以上
若几台挖掘机械在不同台阶同时开挖,须对边坡的稳定性进行验算,防止上部翻车造成事故,应保持挖掘机离下部边坡有一定的安全 距离
(3)机械分层挖土,严格按设计要求放坡,防止边坡坍塌而导致机械倾翻事故
推土机回填时,注意其头部的铲刀不要伸出基坑边坡以内,防止坠坑倾翻
推土机陷车时,用钢丝绳缓缓拖出,注意严禁采用其他的推土机直接将其推出
陡坡地段应设专人指挥机械施工,注意机械不得在陡坡上 转弯
(4)基坑四周做1.2m高的临时围栏,还要以钢丝网将其封闭,夜间设红色警示标志,其1m以内不得堆土堆料
6 结语 总之,桥梁深基坑的开挖过程中一定要做好支护及降排水工作,并做好施工过程中的相关安全措施,防止工程事故的发生,保证深基坑施工顺利完成,为整座桥梁施工奠定良好的基础
参考文献 【1】 朱斌.桥梁深基坑施工技术的应用【J】.建筑机械化,2009,(3). 【2】 戴伟.桥梁深基坑施工技术探讨【J】.科技创新导报,2011,(4). 【3】 许燕华.桥梁深基坑开挖支护的设计与施工【J】.四川建材,2009,(1). 管道下方一般为天然地基,如果碰到软土地基,特别是淤泥土层地基,其对顶管的影响,是否需要进行软基处理的技术界定已成为一个急需解决的问题
本文对广州某截污顶管工程中所出现的问题进行了分析,希望其中的经验与教训能够提供给大家一起探讨
一、前言 在作者所参与的广州市某项截污顶管工程中,管道为内径Φ1350的混凝土顶管,埋深在地下6.5~8.2米之间的土层,所遇到的地质条件为N值在1.5~3的淤泥质土,地下水位较高,在地下1米就开始出现
在该工程初段开始比较顺利,但在离到达接收井还有20米时,出现了机头持续下沉并且向上纠偏失效的现象,虽然机头顺利进入接收井,但管道累计下沉已达10cm
在该段结束后1个月,该段管道发现了大幅度的自然沉降,并且发生了管节错位
之后该段进行了明挖修复处理
同样在该工程的另外一段,在机头出洞后就发生持续下沉并且纠偏无效的现象
施工时的天气为暴雨,地下水压力很高,达到0.04Mpa
该段顶进20米后停下来对前进方向段进行地基处理,使用旋喷桩法进行,当机头恢复顶进后进入地基处理段,机头的纠偏恢复有效并成功完成该段施工
总结了上述的经验和教训后,在该工程的后续几段施工中,在工作井和接收井洞口20米的范围进行了地基处理,实践证明采取以上措施是正确的,我们顺利完成了后续几段的顶进
在地下管道施工规范中,对地基都有一定对要求,对软土地基都要求进行软基处理
但对于顶管施工而言,一般都使用天然地基,而不对地基进行加固处理
但若是顶管碰到软土地基,特别是淤泥土层,其对顶管的影响以及是否需要进行软基处理的技术界定已经成为一个急需解决对问题
下面对这一问题进行一些理论分析
二、软土的特性对顶管的影响 软土一般是指在静水或缓慢流水环境中沉积的软塑到流塑状态的饱和粘性土层,特点是天然含水量大,抗剪切强度低、压缩率高、富含有机质的淤泥或淤泥质土
1)含水量高,孔隙比大 软土的天然含水量一般都不大于液限、孔隙比大于1.0,有的软粘土有时含水量高达200%以上,孔隙比大到6.0
淤泥和淤泥质土还富含有机质
软土属于粘性土,粘性土的性质受水的影响使很大的
随着含水量的不断增加,粘性土可由固态渐渐变为半固态,再至可塑态,最后到流动状态
可用液性指数IL表示,当IL>1时,土体处于流塑状态
淤泥是在静水或缓慢的流水环境中沉积并经生化作用形成的,其天然含水量大于液限,天然孔隙比大于或等于1.5;淤泥质土的天然孔隙比小于1.5,大于1.0
地下水在软土中往往可以流动,容易发生流砂或者管涌现象
地下水渗流时,对单位土体有一定的冲击压力GD,称为动水压力
当地下水自下而上渗流时,GD与重力方向相反,当GD等于或大于土颗粒浮重度时,土处于悬浮状态,随水流动,这种现象叫做流砂现象
产生流砂现象的临界动水压力剃度近似为1
在天然或人为条件下,细颗粒土在动水压力作用下,沿粗土粒间的孔隙随水流走,导致土体被破坏,这种现象称为管涌或潜蚀
处于软土地基的顶管工作井,若存在较大漏洞,在地下水位高时由于动水压力剃度大,很容易会发生管涌或流砂现象
这样会造成工作井周边土体流失,使土体疏松,孔隙比加大,严重的还会形成地下空洞
在上述顶管工程中,工作井所处地质为淤泥质粉土,部分井位为粉砂,地下水位高,工作井的底板和洞口处经常出现较大的漏水并伴随有小程度的流砂和管涌
在该工程中对部分井位使用旋喷桩法对洞口部位进行了地基加固,在加固过程中每个洞口位注入了15M3的水泥浆(水灰比为1:1),但并没有发生地面翻浆现象,说明洞口周边土体存在较大的孔隙或空洞中,水泥浆都进入其中
同时在注浆过程中地面还出现了不同程度的塌陷,这是注浆压力破坏了疏松的土体结构而形成塌陷
2)土中气体 由于微生物分解有机物,淤泥质软土或泥炭土层中含有一些可燃性气体(如硫化氢,甲烷等),这些气体封闭在细粒土中不易逸出,因而增加了土的压缩性
在工作井施工和顶管顶进过程中,这部分气体均会逸出使土体更容易压缩
3)土的结构 软土的土颗粒较细,一般为属于粉土或粉砂级,淤泥的粒径多为0.05mm以下的粉粒,粉粒间的作用力大于重力作用,当其在沉积过程中碰到已沉积的土粒时,会受到引力作用停留在土粒表面而不再下降,形成具有很大孔隙比的蜂窝状土体结构
对于这种饱和性软土,由于孔隙小,压缩性大,渗透缓慢,其沉降往往需要几年甚至几十年时间才能达到稳定,根据地基规范,对于高压缩性土施工期间可认为土体已完成最终沉降量的5%~20%
因此其承载力也与形成历史密切相关
因此,若遇到具有较短的软土回填历史的地基,土体还没有完成最终沉降,其承载力会下降很大
同时若在淤泥质土层施工过程中发生土体坍塌的话,坍塌土体相当于未经沉降的淤泥回填土,其承载力非常低,若该土层在地下水位之下,其承载力大约只有为10~10几kPa;若在地下水位之上,其承载力会小于10kPa
在前述顶管工程中的管道自然下沉错位段,由于接收井洞口在进洞前只用木板挡土,洞口的淤泥质土体被泡于水中发生局部坍塌使承载力急剧下降
致使顶管机头在距离接受井洞口20米处就出现了无法纠偏急剧下沉的现象,这种现象的出现就是由于土体坍塌使土体承载力急剧下降所造成
同时在机头进洞管道形成后,管道还发生自然下沉而出现接口错位的现象,这是由于坍塌后淤泥质土体发生自然沉降所造成的
同样在该工程中另一工作井位,由于在施工当中发生工作井塌方,虽然最后工作井建立起来,但在机头出洞后就持续下沉并纠偏失效,这也是淤泥质土发生坍塌后承载力下降所造成的
以上都说明了在淤泥土层中发生土体坍塌对顶管的不利影响
三、土体的承载性能对顶管的影响 1) 基底变形对顶管机头纠偏的影响 顶管机头的纠偏性能可以通过几何计算算出
以AVN1350机头(德国海瑞克设备)为例,其纠偏油缸行程为60mm,三个纠偏油缸品字型排列在Φ1300mm的圆上,3米的机头中有1/3为纠偏关节,如图1所示,通过几何计算可得到顶进3米,机头的最大抬升纠偏量为52mm
但由于机头在前进过程中由于土体变形会下沉,从而抵消机头的抬升作用,若基底土体变形超过52mm,就会造成纠偏失效
土体的变形量可通过分层总和法来计算
淤泥质软土的天然孔隙比在1.0甚至1.5以上,当进行变形计算时孔隙比处于土体压缩曲线靠近y轴段,如图2所示
可见很小的基底压力就会引起很大的变形,由于淤泥的压力曲线难以测定,同时y轴段试验数据往往有很大误差,故在此不用土体变形量来判断对纠偏的影响
2) 基底压力计算 砼管在空管时的基底压力较小,甚至小于在水中的悬浮承载力10kPa
但在管道顶完后和以后使用中管道都会泡水,所以在工程计算时应采用砼管的含水基底压力
对于泥水平衡顶管机来说,机头的重量主要集中在机头前部,机头的重心位为机头前部1/3处
下面以1350管径为例计算砼管含水基底压力和机头基底压力
砼管含水基底压力 Pg=(G砼管+G含水)/砼管基底面积=(4600+4800)/(1.6*3)=18.5kPa 由于机头为偏心,故机头的最大基底压力为(在刀盘处) Pj=G机头(1+6e)/机头基底面积=10*(1+0.35)/4.8=28Kpa 3)土体的基础承载力 地基从开始发生变形到失去稳定可分为压密变形阶段、局部剪切变形阶段和整体剪切破坏阶段
砼管载荷试验可以得到压力—沉降关系曲线,如图3中曲线a所示
,Pcr为临塑载荷,Pu为极限载荷
对于排水管道来说,标高要求十分严格,顶管管道因地基变形而引起的下沉应该是要求微量的,所以顶管施工以Pcr作为土体承载力指标较为合适
具体计算公式如下 其中,q=Kγ0d(K为考虑到施工和历史因素对土体最终沉降量的影响所取系数,若土体在施工中受局部塌陷影响只完成最终沉降量的40%以下时,K取为0.1),Nc=,Nq=1+Nctgψ,ψ为摩擦角,Cu为粘聚力Cu=8kN(其中N为标贯值,k为考虑到顶进对淤泥的扰动使土体强度降低而引入的j经验系数,k一般取为0.5), 对于饱和性淤泥土而言有一特性,就是土体的内摩擦角ψ很小ψ≈0,Pcr≈Pu,其压力—沉降关系曲线如图3中曲线b所示
由此可见,当机头最大基底压力Pj>Pcr时,机头的纠偏必然失效
同时由于机头向上纠偏还需要克服很大的抬升力以挤压上部土体,根据经验只有在Pcr大于3倍Pj时,纠偏才会起到一定效果
当砼管含水基底压力Pg>Pcr时,管道一定下沉
下面对饱和性淤泥进行详细计算(以1350管径为例,土体在施工中受到局部塌陷K=0.1,管道埋深为8米,地下水深度为1米,取γ0=8Kpa,N值为2) 0.1×8×8+0
5×2×8×3.14=31.5 kPa< <3*Pj=74kPa 可见若用此实例计算的结果就会出现纠偏失效的情况
四、软土的类液化现象对承载性能的影响 对于软土地基,在地震的情况下,土粒间隙由于振动而缩小,由于土中间隙的水不能及时排出而使孔隙水压升高而使土粒处于悬浮状态形成液化现象,从而失去承载力
顶管在软土地基顶进时,可能会发生类液化现象,特别在淤泥土层
在深层淤泥土层顶进时,土层的地下水位较高,深层土粒间力较大,孔隙压力也较大,这种孔隙压力在泥水平衡中会产生释放,同时顶进过程中土体结构受到扰动而强度下降,同时较高的地下水压力会向泥水循环产生管涌现象,破坏土体结构,使土体产生类液化现象
在面对土体的类液化现象,若在顶进操作过程中按正常的顶进方法向机头前方土体打水,水流就会破坏土体结构而极大降低土体承载力
另外,应避免在暴雨天气进行施工,否则,土体会产生饱和现象,并随管道的摩擦扰动而液化失去承载力
五、小结 本文根据工程经历对顶管在软土地基中所会受到的影响因素进行了讨论,并提出了软土承载性能的计算方法及对纠偏的影响
从以上分析可以知道,遇到软土地基,施工对土体的影响在施工中是非常主要的,并且要注意土体的类液化现象的发生
参考文献
1.邵全 韦敏才 《土力学与基础工程》 重庆大学出版社 1974
2.余彬泉 陈传灿 《顶管施工技术》 人民交通出版社 1997
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