寶鋼熱軋交流沉淀池深基坑的設(shè)計與施工

1u3000爾雅化學(xué)在鋼鐵炎熱過程中，產(chǎn)生的鱗狀氧化鐵皮通過高壓水沖洗，流入脈池并進行沉淀處理。熱軋生產(chǎn)線較長,其漩流池都非常深,開挖深度都超過-30m,而寶鋼地處地下水豐富的軟土地基,地下-50~60m存在承壓含水地層,因此熱軋漩流池歷來都是寶鋼建設(shè)中重大技術(shù)問題。目前寶鋼集團已經(jīng)建成四座熱軋漩流池,三年內(nèi)將建設(shè)熱軋漩流池二座,其中即將建設(shè)的BH1880漩流池深度達34-35m,而其承壓水地層埋深高于-45m,將成為新的挑戰(zhàn)目標(biāo)。表1為寶鋼歷次深度超過-30m熱軋漩流池主要參數(shù)。本文分析寶鋼歷次熱軋漩流池設(shè)計和施工的技術(shù)問題,對軟土地基中類似深基坑和即將建設(shè)的熱軋漩流池深基坑提供借鑒。2地下水的三種類型建設(shè)場地位于長江河口地段,自地面起至約-60m深的范圍內(nèi)為Q4濱海河口相松軟弱散沉積物,地下約-60~-90m深的范圍內(nèi)為Q3透水性較好的砂層構(gòu)成,此下又出現(xiàn)透水性較差的土層。水文資料表明,各土層的地下水相互連通,其水頭標(biāo)高基本一致,為-5~8m。經(jīng)過漫長的地質(zhì)沉積,地下水處于相對均衡狀態(tài),但因各土層透水系數(shù)不同,水壓變動時地下水的補給速度差異很大。當(dāng)開挖或抽水?dāng)_動時將破壞這種均衡,導(dǎo)致土體應(yīng)力重分布和地下水遷移分組,在透水性較好的地層地下水相對集中,水壓變化較小。因而將地下水分為三組,即土層②和③中的潛水,砂土層⑦中的承壓水,及砂層⑨中的承壓水。表2、3分別列出了寶鋼深度超過-30m熱軋漩流池主要地層參數(shù)。3地下連續(xù)墻支護建設(shè)中曾研究過全部降水大開挖和板樁支護局部降水開挖兩種措施,由于在寶鋼軟土地區(qū)30余米深的基坑開挖坡度至少1:3,需要挖出200余米直徑的特大基坑,周圍主廠房和設(shè)施無法同步施工,經(jīng)比較只能采用地下連續(xù)墻支護開挖措施。對承壓水問題,曾研究過水下封底和氣壓密閉封底兩種措施,經(jīng)比較用深井降低水壓技術(shù)措施。對于圍護結(jié)構(gòu)和承壓水的問題,曾研究過凍結(jié)法方案,考慮到地下連續(xù)墻可以與內(nèi)襯結(jié)構(gòu)兩墻合一,經(jīng)比較采用地下連續(xù)墻和降水措施。在地下連續(xù)墻成槽機具不能滿足深度要求時,曾研究過坑底標(biāo)高下旋噴水泥漿加固土體解決土層的抗剪強度和隆起問題,經(jīng)比較采用放坡開挖降低墻頂標(biāo)高使成槽機具滿足深度要求。4地下連續(xù)墻內(nèi)水壓力監(jiān)測通常采用軟土地基中環(huán)形地下連續(xù)墻支撐兼圍護的深基坑開挖技術(shù),施工順序為:(1)構(gòu)筑正多邊形的環(huán)形地下連續(xù)墻;(2)構(gòu)筑降水深井并配合開挖深度逐步降低承壓含水層內(nèi)水壓力;(3)構(gòu)筑墻頂圈梁,在地下連續(xù)墻內(nèi)分若干次開挖土方并逆作法構(gòu)筑內(nèi)襯;(4)在開挖土方至坑底標(biāo)高,基坑封底,澆筑倒錐形混凝土結(jié)構(gòu)和內(nèi)部平臺結(jié)構(gòu)。5主要技術(shù)問題設(shè)計中的主要技術(shù)問題有地下連續(xù)墻的強度和剛度問題,連續(xù)墻附近土層的抗剪強度和隆起問題,以及基坑底部因承壓水引起的管涌問題等。5.1地下槽段結(jié)構(gòu)簡化正32-40邊形壁厚1.0~1.2m的地下連續(xù)墻構(gòu)成直徑約30m的厚筒體結(jié)構(gòu),其強度和剛度較大。在基坑開挖時連續(xù)墻內(nèi)上部采用逆作法先澆筑鋼筋混凝土內(nèi)襯。在軟土側(cè)向壓力下連續(xù)墻成為完整的結(jié)構(gòu)體系,不需另加橫向支撐。地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)常用的計算方法有將結(jié)構(gòu)表達為薄殼、空間板殼或空間梁系單元,將地基土簡化為彈性地基梁基床或彈簧單元進行結(jié)構(gòu)分析的方法;也可將連續(xù)墻簡化為圓柱殼、將地基土簡化為彈性地基梁基床進行結(jié)構(gòu)分析的方法。槽段拼縫處可分別按固接和鉸接兩種形式分別計算,按較大彎矩計算配筋。結(jié)合多次內(nèi)襯逆筑措施,地下連續(xù)墻壁厚可由1.2m減小至1.0m。在結(jié)構(gòu)計算中通常可以假定地下連續(xù)墻為旋轉(zhuǎn)軸對稱結(jié)構(gòu)。在BH1580漩流池基坑開挖中曾發(fā)生因附近-7m深條形基坑非對稱開挖所致連續(xù)墻頂部圈梁處混凝土局部開裂現(xiàn)象,以及因降水不均勻和側(cè)墻拼縫處滲水所致連續(xù)墻不均勻沉降現(xiàn)象。由于地下連續(xù)墻構(gòu)成強度和剛度都較大的厚筒體結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)未發(fā)生破壞。圖1給出了根據(jù)地下連續(xù)墻頂部互成90°角布置的z1、z2、z3和z4四個沉降觀測點所得到的差異沉降結(jié)果。5.2抗起落架問題計算結(jié)果抗隆起問題可以按照基坑內(nèi)外土壓力平衡的方法計算,也可以按照空間旋轉(zhuǎn)軸對稱滑移面理論計算,還可以用三維或旋轉(zhuǎn)軸對稱有限元法計算。抗隆起問題計算結(jié)果決定地下連續(xù)墻深度,當(dāng)連續(xù)墻深度不能滿足要求時可考慮坑底標(biāo)高下旋噴加固土體解決土層的抗剪強度和隆起問題。開挖施工中地下連續(xù)墻內(nèi)基坑底面下的土層處于卸載狀態(tài),根據(jù)有限元法計算結(jié)果,連續(xù)墻底部附近發(fā)生應(yīng)力集中。由于采取了降水措施,此處土層孔隙水壓力降低,有效應(yīng)力相應(yīng)增大,其抗剪強度得到提高。這有利于抗隆起,但通常在抗隆起演算中不計入而作為安全儲備。5.3支護樁基礎(chǔ)土性土抗管涌驗算開挖面下的土層都存在著較大的初始孔隙水壓力。開挖后地基土卸載回彈膨脹。其中粉質(zhì)粘土層的滲透系數(shù)較小,地下水滲透補給緩慢,且連續(xù)墻隔斷了這些土層水平方向的滲水補充來源,導(dǎo)致其孔隙水壓力很大地降低。而砂質(zhì)粉土、粉細(xì)砂、粗礫砂、中粗砂層的滲透系數(shù)較大,地下水滲透補給及時,無論是因卸載回彈膨脹,還是局部應(yīng)力集中受到壓縮,這些土層仍保持較高的孔隙水壓力從而形成承壓水含水層。因此,在滲透系數(shù)較小的粉質(zhì)粘土層與滲透系數(shù)較大的砂性土層的界面都存在相當(dāng)大的向上的承壓水滲透壓力。基坑底部抗管涌的安全系數(shù)可以按有效應(yīng)力為零作為臨界條件或按水壓梯度平衡為臨界條件計算。計算忽略了土的滲流阻力,在施工較快的情況下計算結(jié)果是偏于安全的。6施工中的主要技術(shù)問題施工階段的主要技術(shù)問題有槽壁穩(wěn)定問題,連續(xù)墻的滲漏問題,以及降低承壓水問題等。6.1護壁灌漿配比及循環(huán)使用在地下連續(xù)墻成槽和澆灌混凝土施工期間,應(yīng)保持槽壁穩(wěn)定。槽壁失穩(wěn)通常表現(xiàn)為地表至地下10m深度內(nèi)的側(cè)壁塌落,或者地下50m深度附近承壓含水層在較高的水壓梯度下槽底漲起。為保持槽壁穩(wěn)定,應(yīng)優(yōu)化護壁泥漿配比并合理循環(huán)使用;對于上部側(cè)壁塌落問題可采取消散打樁引起的超孔隙水壓力等辦法解決;對于槽底涌起可采取深井降水降低承壓水壓力等辦法解決。6.2地下連續(xù)墻變形雖然地下連續(xù)墻的變形計算值小于50mm,而且實測變形一般小于35mm,但是在開挖過程中都或多或少發(fā)生過地下連續(xù)墻槽段拼縫處的滲漏問題。發(fā)生滲漏原因雖然有地下連續(xù)墻變形的因素,但主要是因地下連續(xù)墻深度施工尺寸誤差或混凝土在拼縫處發(fā)生夾雜等連接不實所致。滲漏一般在開挖至約-28m以下發(fā)生,越往下滲漏的危險越大。滲漏的物質(zhì)有沼氣、渾濁的地下水、液態(tài)的粉質(zhì)粘土。在BH1580和BHH漩流池開挖中表現(xiàn)為緩慢的滲水滲氣,而在YH1780漩流池開挖中表現(xiàn)為液態(tài)的粉質(zhì)粘土突然涌入。堵漏方法可以采取在坑內(nèi)滲漏縫隙處堆土并壓力注漿臨時封堵,然后在坑外鉆孔壓力注漿封堵。注漿料可以采用添加水玻璃的速凝水泥漿,或遇水發(fā)泡膨脹的化學(xué)材料。6.3非完整井法降水地下連續(xù)墻側(cè)壁的滲漏雖對施工安全帶來很大的威脅,但可以封堵。而坑底一旦發(fā)生管涌滲透破壞,其后果將是災(zāi)難性的,坑內(nèi)泥水涌起,坑外大面積地層塌陷,附近構(gòu)筑物傾倒破壞。因此應(yīng)采取可靠的深井降水措施并確保連續(xù)抽水。在BH2050漩流池施工中由于經(jīng)驗不足,采用坑外電滲深層噴射井點降水,降水深度要求達-20m以下,但降水效果不好,開挖至坑底時土層積水,施工困難。自BH1580漩流池施工始,要求采用深井降低承壓含水層的水壓力。對降水深井濾層的構(gòu)造要求,曾有兩種不同的意見,一種意見是類似完整井的方法,將井打到承壓水含水層透水性最好的粗礫砂層⑨2和中粗砂層⑨3的底部,沿整個含水層⑦-⑨設(shè)置約40m長的濾管形成類似完整井,這樣基本上降低了整個承壓含水層的水壓力,但抽水量最大;另一種意見是非完整井的方法,將降水井打至粉細(xì)砂層⑨1中,沿含水層⑦2和⑨1設(shè)置濾管形成非完整井。與粗礫砂層⑨2和中粗砂層⑨3的滲透系數(shù)相比較,粉細(xì)砂層⑦2和⑨1的滲透系數(shù)要小得多,非完整井方法抽取較小的水量即可將承壓含水層頂部的水壓力降至安全要求值。BH1580漩流池采用非完整井法降水,水位降深要求至-22m以下,共設(shè)14口深井,其中2口備用。但降水過程中,不斷有深井受到破壞,在開挖至基坑底部綁扎底板鋼筋時水位降深不能滿足要求,只好在已開挖好的基坑內(nèi)注水形成深水池維持壓力平衡。后補打9口深井,加上尚能利用的6口深井(修復(fù)1口)共15口深井重新降水,將水位降至-22m以下,排空基坑內(nèi)水,隨后恢復(fù)底板鋼筋綁扎,分層澆筑底板砼完成封底。YH1780漩流池施工采用類似完整井方法降水,水位降深要求至-20m以下,共設(shè)12口降水深井,井底設(shè)在粗礫砂層⑨2,出水量很多。BHH漩流池施工采用非完整井方法降水,水位降深要求至-20m以下,共設(shè)10口降水深井,最多時只啟用6口,井底設(shè)在粉細(xì)砂層⑨1。YH1780和BHH漩流池的深井降水都取得了成功。BHH漩流池開挖至基坑底部發(fā)生斷電停泵,由于事先準(zhǔn)備的柴油發(fā)電機及時啟動才避免了坑底管涌事故。BH1580漩流池施工中深井破壞的影響因素較多,有附近大量打樁震動和擠土的因素,更重要的是開挖過程中連續(xù)墻底部土體應(yīng)力局部逐步集中,對井體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生剪切破壞作用。土體測斜表明在地下連續(xù)墻底部發(fā)生測斜突變,且距打樁震源最遠的井最先破壞。因此在BHH漩流池施工中要求深井在平面上距離連續(xù)墻不同半徑布置,并加厚井筒鋼管壁厚增強其抗剪切破壞能力。7抗土壓力穩(wěn)定問題結(jié)合寶鋼4座熱軋漩流池施工,對軟土地基中深度超過-30m的深基坑設(shè)計和施工的工程技術(shù)問題進行分析和總結(jié),主要結(jié)論如下:(1)地下連續(xù)墻應(yīng)具有足夠的強