沿海砂質土地區深基坑支護技術的應用

羅 芳 孔雪靈 李 航

(1.鄭州財經學院土木工程學院，河南 鄭州 450000； 2.黃河流域水資源保護局，河南 鄭州 450004)

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沿海砂質土地區深基坑支護技術的應用

羅 芳1孔雪靈1李 航2

(1.鄭州財經學院土木工程學院，河南 鄭州 450000； 2.黃河流域水資源保護局，河南 鄭州 450004)

針對沙特沿海地區奧馬爾市立交橋深基坑工程現狀,利用有限元模型,結合國內外先進的深基坑支護技術,提出了“型鋼支護樁+預應力錨索+方木擋土板”的綜合支護體系，施工實踐表明：該支護體系滿足了基坑施工要求。

深基坑支護，水位，砂性土，支護體系

0 引言

隨著城市建設的迅猛發展，基坑工程面臨著各類新出現的問題，比如越來越深，面積越來越大，施工環境越來越復雜，場地限制以及土質情況的多樣性等。深基坑必須進行支護設計，根據不同的基坑深度、地質、環境與荷載情況采用不同的支護結構。

1 深基坑支護概述

國內外采用的各種深基坑支護技術日益完善,常用的如排樁(型鋼)擋板支護技術、鋼板樁支護技術、擋土灌注樁支護技術、地下連續墻、土層錨桿支護等。然而傳統的深基坑技術對于大范圍、含水層較厚的現場情況而言，有其不可忽視的局限性。例如：排樁(型鋼)擋板支護技術：開挖深度受限、不能有效防水、勞動強度大；擋土灌注樁支護技術：造價高、施工周期長、單獨使用不適用于砂性軟土；地下連續墻：造價高、廢泥漿地處理麻煩；鋼板樁支護技術：防水效果有限；土層錨桿支護：只適用于堅硬土層、需要專門的成孔和注漿設備、不適用地下水位高的地質。

2 工程實例

2.1 工程概況

中石化國際工程公司和中原油田相關單位在沙特阿拉伯承建的項目之一——奧馬爾城市立交橋：共分3層，下層是最大開挖深度為13.5 m、雙向八車道的地下通道；中層是內徑為95 m的交通環島,環島內利用環島與地下通道的高差分層綠化；上層是雙向六車道的跨線橋。

由奧馬爾立交橋深基坑平面圖和地下通道縱面圖可知： 75 000多立方米鋼筋混凝土的基礎工程主要集中在直徑95 m的環島、自然地面下13.5 m的深基坑內。

2.2 工程地質及水文情況

根據橋位地質水文資料顯示，該處土質為砂質土，地下水位距地表為5.5 m，橋位離海岸線直線距離約5 km。能否成功順利實施基礎工程的施工作業是決定奧馬爾立交橋成敗的關鍵因素。

在地質調查報告顯示：第①層為自然地面至地下13 m～13.6 m，為不良級配砂；第②層為平均厚度1.5 m的粉質砂土；第③層為平均厚度為5.9 m的石灰質粉土；第④層為塑性粉土。

地下水位為5.45 m～5.8 m之間，平均深度5.5 m，施工深度內土壤滲透系數為2.0×10-5～3.5×10-4之間。主動土側壓力系數Ka=0.333；被動土側壓力系數Kp=3.00；自由側壓力系數Ko=0.50；土壤和混凝土摩擦系數為0.40。

2.3 基坑支護設計及施工方案選擇

根據地質調查報告分析，奧馬爾項目支護面積內大部分為砂質土，失水后流動性高，因此需要沿基坑邊沿設置致密的擋土板；考慮到交通維護實際需要，現場支護工作區域嚴格受限，因此埋入式結構比較適宜，同時由于砂質土錨固能力的不足，需另外設計錨定結構。因此在考察當地類似工程施工實際，并和監理、專業設計公司充分結合的基礎上，決定本項目擬采用H型鋼和鋼絞線錨索相結合提供支護骨架，方木嵌入H型鋼用作擋土板的支護方式。

3 基坑支護方案的確定

基于作業面積大、含水層的厚度大的現場情況，現有的深基坑支護技術尚不能滿足現場支護開挖的需要，必須對傳統施工技術方案進行比對、優化，本方案創造性地提出運用“支護樁+預應力錨索+方木擋板”的新型技術，并在施工效果上進行驗證，為解決此類深基坑支護的施工難題提供新的技術支持。

3.1 傳統分析方法

傳統的分析方法是按規范方法進行擋土墻的計算，并確定支護具體方案。主要涉及JGJ 120—99建筑基坑支護技術規程，GB 50330—2002建筑邊坡工程技術規程，CECS 96∶97基坑土釘支護技術規程，JGJ 79—2002建筑地基處理技術規程和本工程勘察報告及相關規定進行支護計算。

3.2 有限元分析法

由于該項目的特殊性，國外工程采用的設計標準不同于國內，故本例采用有限元支護體系力學分析方法。這對于國內傳統地根據擋土墻的經驗公式近似計算的模式，無疑是一個新的嘗試，也更具實用性。分析情況如下：

根據現場情況對基坑的要求，通過對地質調查及土壤應力分析，利用WALLAP彈性有限元分析法，按支護高度分為0.0 m～7.0 m，7.0 m～10.0 m，10.0 m～13.8 m建立3個深基坑計算模型(見圖1)；支護樁樁長分別為：10 m,14 m,18 m；計算長度：1 000.00 m；計算寬度：主動側20 m，被動側20 m。擬定支護范圍K0+191.682～K0+881.943，計算參數如下：

墻體材料：墻體高度 10，14，18(對應不同的支護高度)；有限元長度0.6 m；楊氏模量E=2.0×108；慣性矩I=1.2×10-4；EI=2 400 kN·m2/m。

錨索參數：立柱間距2 m；截面面積0.000 745 m2；楊氏模量1.9×108kN/m2;自由端長度5 m;傾斜角度10°。

附加荷載：平行邊計算寬度50 m；垂直邊計算寬度50 m；荷載取值10 kN/m。

分析結果以支護高度7 m為例，如表1，表2，圖1，圖2所示。

表1 土壤側壓力記錄(支護7 m,開挖高度7 m) kN/m2

表2 內力及變形記錄

分析結果表明：支護樁最不利荷載出現在-2.5 m處，彎矩為64.3 kN·m,剪力為68.3 kN。錨索最大預應力22 t,橫梁截面面積最小為628.6 cm2,根據計算結果擬選用兩根26的槽型鋼梁。

4 施工工藝及技術要求

沿擋土位置預先打入H型鋼，間距2 m，然后邊挖方，邊將10 cm松木擋土板塞進型鋼樁之間擋土，并在橫向擋板與型鋼樁之間打入楔子，使橫板與土體緊密接觸。做好以下施工準備：

1)支護材料：中心圓環區支護樁采用45a工字鋼，其他部位采用26a槽型鋼，支護樁統一間距2 m。擋土板統一采用10 cm×10 cm松木。鋼絞線規格為12.7 mm，模量為1 860 MPa，支護周期24 d。

2)對原有道路及地下設施采取有效防護和加固措施。

3)做好降低地下水位工作。

4)按圖紙要求進行測量放線，設置定位樁、龍六板和水平樁，放出支護位置線。在鄰近埋設沉降觀測點，以使支護期間對建筑物沉降變形進行定期觀測。

5)對建筑物沉降變形進行定期觀測。

在施工中應遵循以下技術要求：

1)支護樁施工。

對于支護樁施工按地質情況分兩種施工方法，一種是對于深度在14 m以上，由于屬于砂性土質，使用振動錘沉樁法；另一種是對于深度在14 m的斷面，由于要穿越堅硬的粘土層，使用旋挖鉆配合振動錘沉樁來完成支護作業。

質量標準：支護的設置位置、垂直度、標高必須符合設計要求，位置偏差不大于100 mm，垂直度偏差不大于H/100(H為支護高度)，標高偏差不大于30 mm,且擋土板必須緊貼上壁。

2)擋土板施工。

擋土板采用10 cm×10 cm松木，根據現場實際長度，結合開挖深度，每1.5 m一個層次，逐步安裝。

3)錨索施工。

怎樣在砂土土質下錨索成孔是現場的技術關鍵。通過大量實驗，證明采用壓縮空氣配合潛孔鉆能夠較好地解決這一難題；沖擊器以中高壓壓縮空氣(工作氣壓達1.0 MPa～2.4 MPa)為動力，行走、回轉、推進、液壓系統以經減壓的壓縮空氣為動力，充分發揮氣動馬達的軟特性和壓縮空氣所特有的蓄能作用，使鉆車動作強勁有力、安全可靠、施工效率高，由原來的每天完成4孔，提高到每天完成12孔。

4)安裝橫梁。

橫梁安裝有吊車配合人工完成。

5)錨索張拉。

注漿11 d后，即可進行預應力張拉錨索張拉使用手動液壓千斤頂，張拉應力嚴格控制在設計應力上(見圖3)。

6)變形觀測。

嚴格堅持每周進行一次變形觀測，并形成變形觀測記錄，經觀測，支護最大變形1.5 cm，并未有異常變形現象的發生，完全達到了安全施工的需要。

5 應用效果

通過現場應用及監測，最后完成的該支護體系完全能滿足現場施工需要，安全可靠。完成支護后的基坑見圖4。

通過和設計緊密結合，充分利用了沙特項目部現有的降水設備和型鋼，僅支護型鋼一項就節約材料費84萬沙幣，折合人民幣152.88萬元。

本成果采用的支護體系與傳統的支護類型相比，可以與工程主體施工同步進行，除主體支護樁外，錨索和方木擋板都可以和主體工程同步進行，僅此一項就節約工期1.5個月以上，僅人工和設備費就節約180萬沙幣，約合人民幣324.5萬元。

6 結語

通過支護樁設計和施工研究，提出了型鋼支護樁+預應力錨索+方木擋土板的綜合支護體系，有效的解決了砂性土壤大面積深基坑支護難題，通過合理的利用體系中的每一部分的優點，針對性的解決了施工作業面受限、邊坡欠穩定、工期壓力大等難題，經濟高效地滿足了工程需要，在國內深基坑支護技術中具有領先意義。

[1] JGJ 120—2012，建筑基坑支護技術規程[S].

[2] GB 50330—2013，建筑邊坡工程技術規程[S].

[3] CECS 96∶97，基坑土釘支護技術規程[S].

[4] JGJ 79—2012，建筑地基處理技術規程[S].

Application of deep foundation pit supporting technology in coastal sandy soil

Luo Fang1Kong Xueling1Li Hang2

(1.SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouInstituteofFinanceandEconomics,Zhengzhou450000,China；2.YellowRiverBasinWaterResourceProtectionBureau,Zhengzhou450004，China)

According to the current status quo of deep foundation pit engineering of coastal overpasses in Omar Saudi Arabia, the composit support system of “steel supporting pile+prestressed anchor cable+wood block soil”is proposed, combined with advanced technology of deep foundation pit and used the finite element to creat a model. The result shows that the system can satisfy construction requirements.

deep foundation pit supporting, water level, sandy soil, support system

1009-6825(2016)13-0095-03

2016-02-21

羅 芳(1978- )，女，碩士，講師，一級注冊結構工程師； 孔雪靈(1979- )，女，工程師； 李 航(1984- )，女，工程師

TU463

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