環境復雜條件下鋼支撐支護工程的應用

徐 飚

(山西建筑工程(集團)總公司，山西 太原 030002)

1 工程總概況

1.1 工程概況

太原市新建南路與迎澤大街東南側新建某地下室工程，地下室東西軸線間距54.4 m，南北軸線間距19.6 m，地下室基礎底標高 －8.9 m，場地標高 －1.0 m 左右，開挖深度 7.9 m。

1.2 現場環境概況

本工程南側與在建高層住宅樓相距1.8 m，高層住宅樓基礎埋深8.0 m，支護采取灌注樁支護體系。北側與六層住宅樓(地下一層)陽臺距離2.5 m，該住宅樓地基處理采用深層攪拌樁，基礎埋深2 m。基坑東側為施工車輛進出道路，東南角六層集資樓距離基坑7.0 m;集資宿舍樓地下一層，地上六層。基坑西側新建建筑現已開挖至－8 m左右，本基坑開挖后與其貫通。

1.3 工程地質概況

根據工程地質勘察報告反映本工程支護范圍內地層為:第①層人工填土:可以分為兩個亞層:①-1雜填土，結構松散。該層層底埋深0.5 m ～2.4 m，平均厚度2.2 m。①-2素填土，該層層底埋深2.1 m ～3.5 m，平均埋深1.52 m，層厚 0.6 m ～2.1 m，平均厚度1.52 m。第②層粉質粘土，軟塑狀態;該層層底埋深6.7 m～7.5 m，平均埋深 7.5 m，層厚 3.5 m ～4.7 m，平均厚度 4.05 m。第③層粉土，濕、中密狀態;該層層底埋深10.0 m～11.2 m，平均埋深10.57 m，厚度2.5 m ～3.6 m，平均厚度4.2 m。第④層粉質粘土，軟塑～可塑狀態;該層層底埋深12.8 m～14.9 m，平均層底埋深13.55 m，厚度2.0 m ～4.5 m，平均厚度 2.98 m。第⑤層粉土，中密～密實狀態;該層層底埋深14.2 m～16.0 m，平均層底埋深 15.08 m，厚度 0.6 m ～2.3 m，平均厚度1.53 m。第⑥層細砂，中密狀態，該層層底埋深18.5 m～21.2 m，平均層底埋深20.1 m，厚度4.2 m～6.6 m，平均厚度5.02 m。水文地質條件:地下水類型為孔隙潛水，以第①層人工填土為主要含水層，主要受大氣降水及側向徑流補給;其下地下水類型為承壓水，以第⑥層細砂為主要含水層;潛水穩定水位埋深在地表下1.5 m～1.8 m，測得混合穩定水位埋深在地表下1.3 m～1.8 m之間，與潛水水位相當;第⑥層細砂中承壓水水位埋深為9.8 m。

2 設計概況

因本工程周邊緊鄰建筑物、場地地下水位高，基坑支護結構安全等級為一級，支護結構變形控制值不得大于30 mm，預警值按20 mm考慮。設計支護體系采取灌注樁+鋼支撐，止水帷幕采取雙排高壓旋噴樁，地下水控制采取坑內深井降水。

現場環境及支護結構平面圖見圖1。

圖1 現場環境及支護結構平面圖

2.1 灌注樁

2.1.1 灌注樁支護結構要求

東側、北側灌注樁設計樁徑 800 mm，樁長 16.2 m，樁數55根，樁間距1.2 m，混凝土強度等級C30，混凝土超灌高度不小于600 mm，樁身主筋保護層為50 mm。

2.1.2 灌注樁支護結構內力計算及樁身配筋

灌注樁支護結構內力計算采用PKPM支護軟件，按照朗肯定理(經典法)計算灌注樁樁身最大正彎矩為630 kN·m，位于地面下5.3 m處，樁身最大正彎矩為560 kN·m，位于地面下12.3 m處。

樁身配筋:主筋按均勻布置16根φ25二級鋼，箍筋為φ8@200 mm，加強筋為φ16@200 mm，混凝土保護層厚度50 mm。

配筋驗算:將樁圓截面化成等效方形截面，假設方形截面高度為b，并假設圓截面的慣性矩與方形截面慣性矩相等。

即:b4/12=πd4/64得b=700 mm。樁圓截面面積0.50 m2，方形截面面積0.49 m2，基本上可以認為兩者是等效的。

樁的混凝土強度采用C30，受力鋼筋采用Ⅱ級鋼筋，樁上最大負彎矩 M=1.1×1.25×630=866 kN·m。h0=600 mm，fcm=14.3 N/mm2;

樁身按均勻布置16根φ25Ⅱ級鋼筋，滿足樁身彎矩設計要求。

2.2 樁頂連梁

樁頂連梁選擇尺寸h×b=700 mm×900 mm，要求樁頂伸入連梁50 mm，連梁保護層厚度30 mm，混凝土強度等級C30，混凝土保護層厚度30 mm。

連梁配筋按照多跨連續梁計算，支撐點間距9.6 m，連梁側面對稱設7根φ25Ⅱ級鋼筋，其余配筋按構造要求設置。

配筋驗算:連梁承受均布荷載為135 kN/m，設計值為q0=1.1×1.25× 135=185.6 kN。連梁跨中彎矩 M=q0L2/12=1 420.8 kN·m。

連梁側面對稱設7根φ25Ⅱ級鋼筋，滿足驗算要求。

2.3 內支撐體系

2.3.1 支撐布置

基坑東側設2根斜撐，基坑內設4根直撐，直撐間距為9.6 m，均采用φ630×10鋼管，每道支撐下設2根立柱樁，支撐最大跨度為9.5 m。系桿采用φ273×10鋼管。

每道直撐下設2根立柱支撐，間距9.0 m。

2.3.2 支撐體系內力驗算

1)基本參數。直撐支點力標準值為1 300 kN，荷載分項系數為1.25，結構重要系數為1.1，跨度9.5 m。支撐承受的軸向力設計值 N=1 300 ×1.25×1.1=1 787.5 kN。

φ630×10鋼管截面面積A=π(d2－d21)/4=19 468 mm2=0.019 468 m2。鋼管每米自重 W=78.5 A=1.53 kN/m。截面慣性矩I=π(d4－d41)/64=9.36×108mm4。截面模量 W=π(d3－d31)/32=2.26 ×106mm3。彈性模量:E=2.06 ×105MPa。回轉半徑i=(I/A)1/2=219 mm。長細比λ=l0/i=9 500/219=43.4。查規范表，穩定系數φ=0.887。鋼材抗彎強度設計值f=200 N/mm2。鋼材彈性模量E=2.06×105MPa。

2)鋼管支撐構件驗算。

鋼管支撐承受彎矩計算:M=M1+M1+M3;

其中鋼管自重引起的彎矩:M1=1.2×1.53×9.52/8=20.7 kN·m;

施工荷載引起的彎矩:M2=1.4×4 ×9.52/8=63.2 kN·m;

考慮軸向偏心力矩40 mm引起彎矩:M3=0.04×1 787.5=71.5 kN·m。

M=155.4 kN·m。

強度驗算:N/(A) ± M/γW=151.6 N/mm2(32.0 N/mm2) ＜f=200 N/mm2。

γ為截面塑性發展系數，查表γ=1.15;

穩定性驗算:根據規范 5.2.2 條:N/(φA)+ βmxM/[γW(1 －0.8N/N′Ex)]＜ f。

其中，βmx為等效彎矩系數，按無端彎矩但有橫向荷載作用時βmx=1.0;N′Ex=π2EA/(1.1λ2)=19 100 kN;γ 為截面塑性發展系數，查表 γ =1.15;

計算左式 =103.5+64.6=178.1 N/mm2＜ f=200 N/mm2。

2.4 止水帷幕

止水帷幕采用高壓旋噴樁(單管法)，樁徑600 mm，樁長13 m，樁頂標高地面下1.0 m，樁間距400 mm，樁數244根，水泥采用32.5級礦渣硅酸鹽水泥，水泥用量230 kg/m～250 kg/m。

要求止水帷幕南側、西側與周邊基坑止水帷幕相連，形成封閉。

2.5 地下水控制

地下水控制采取深井降水，共設9眼深井，井深地面下14 m，其中1 m為沉砂管，要求成井直徑600 mm，管井采用φ400 mm混凝土無砂管，濾料采取3 mm～5 mm礫石。降水過程要求采取措施控制排水量，控制地下水位低于基礎開挖面下0.5 m。

2.6 其他設計要求

2.6.1 樁身掛網噴射混凝土

土方開挖后，基坑壁采取掛網噴射混凝土護壁措施，網片采用φ3@150×150預制鋼筋網片，噴射混凝土厚度80 mm，混凝土強度等級C20。

2.6.2 南側內支撐處理措施

南側利用原已施工灌注樁樁頂連梁，并對南側連梁采取植筋、加高作為南側鋼管支撐點。

3 施工總結及體會

本工程根據現場周邊環境實際情況，選擇灌注樁內支撐施工體系，較樁錨支護體系具有安全度更高、支護結構變形更小、造價低、易于施工等特點。工程土方開挖后監測支護結構變形小于10 mm，保證了北側6層住宅樓的安全性。