雙排樁加斜撐支護(hù)基坑開挖的優(yōu)化與實(shí)踐

高小平，劉金龍

（1.安徽省城建基礎(chǔ)工程有限公司，安徽 合肥230001；2.合肥學(xué)院城市建設(shè)與交通學(xué)院，安徽 合肥230601）

隨著地下空間施工技術(shù)的快速發(fā)展，基坑的開挖深度與面積越來越大，特別是城市基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，既有建（構(gòu)）筑物與基坑邊緣較近，基坑支護(hù)的設(shè)計(jì)與施工面臨較大的安全技術(shù)挑戰(zhàn)[1，2]。

當(dāng)基坑平面面積較大時(shí)，常用的內(nèi)支撐體系往往因造價(jià)過高、影響施工空間而不作為首選使用。雙排樁因具有側(cè)移剛度大、不影響基坑開挖、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，逐漸在基坑支護(hù)中得到應(yīng)用[3-6]。若基坑條件復(fù)雜，雙排樁還可與斜撐聯(lián)合使用。

文章結(jié)合合肥市某基坑工程，對(duì)雙排樁加斜撐的支護(hù)基坑方案進(jìn)行了描述，基于施工困難提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，達(dá)到了安全施工的目的，為類似工程建設(shè)提供相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

合肥市某基坑圍護(hù)面積約22000 m2，開挖深度約14.0～18.9m。基坑工程周邊環(huán)境復(fù)雜，北側(cè)為高層住宅距離基坑最近20m；西側(cè)北部為采用條形基礎(chǔ)的磚混結(jié)構(gòu)，距離基坑最近處僅3 m；西側(cè)中部為9層框架結(jié)構(gòu)建筑，距離基坑最近約11 m；西側(cè)南部為2～4層磚混結(jié)構(gòu)，距離基坑最近處僅3 m；南側(cè)與東側(cè)為城市主干道。基坑安全等級(jí)為一級(jí)。

該場(chǎng)地內(nèi)地基土自上而下分布為：

①層雜填土，上部為礦渣、碎磚、碎石建筑垃圾，下部以褐色粘性土為主，層厚0.60～4.00m。實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)為2～13擊，平均擊數(shù)為7.5擊。

②層粘土，褐、褐黃色，硬塑，含少量氧化鐵、高嶺土及鐵錳結(jié)核，個(gè)別孔上部有粉質(zhì)粘土薄層，斷面光滑且有油脂光澤,無搖振反應(yīng),干強(qiáng)度高,韌性高。該層場(chǎng)地普遍分布，層厚3.60～12.0m。

③層全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，棕紅色，局部青灰色，含石英、云母，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較差，原巖已全部風(fēng)化成泥狀，手可捏碎，失水易開裂，浸水易軟化，鉆進(jìn)進(jìn)尺快。該層場(chǎng)地普遍分布，層厚0.60～3.80m。

④層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，棕紅色，碎塊～柱狀，含石英、云母，局部含鈣質(zhì)結(jié)核，泥質(zhì)膠結(jié)，夾中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)砂巖碎塊，失水易開裂，浸水易軟化。該層層厚0.70～4.00m。

⑤層中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，棕紅色，短柱狀為主，少量碎塊、長(zhǎng)柱狀，含石英、云母，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)較好，局部夾青灰色砂巖、棕紅色泥質(zhì)砂巖薄層，裂隙較發(fā)育，裂隙面浸染鐵氧化物，敲擊易斷，失水易開裂，浸水易軟化，取芯率60～85%。極軟巖，較破碎，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。該層部分鉆孔未鉆穿，揭露最大層厚16.90m。

由于基坑西側(cè)南部周邊環(huán)境復(fù)雜且開挖深度較大，對(duì)變形要求較高，該段采用φ1000@1800旋挖灌注雙排樁+預(yù)留土坡+兩道鋼管斜撐的支護(hù)方式，如圖1所示。雙排樁間距3.3 m，支護(hù)樁混凝土等級(jí)為C30；豎向鋼管斜撐采用φ609×16，間距7.2 m，斜撐鋼材采用Q345級(jí)鋼。預(yù)留土坡坡頂寬5m、坡底11.3m，過渡平臺(tái)寬1m。

該段支護(hù)的施工順序：雙排樁早已施工完成，基坑逐漸下挖，開挖至預(yù)留土坡位置，噴混凝土護(hù)坡。先澆筑基坑中部已開挖至底的部分筏板基礎(chǔ)，在筏板基礎(chǔ)及第一道腰梁的牛腿之間架設(shè)第一道鋼支撐斜撐，然后開挖第一級(jí)預(yù)留土坡，再在筏板基礎(chǔ)及第二道腰梁的牛腿之間架設(shè)第二道鋼支撐斜撐，然后開挖第二級(jí)預(yù)留土坡，澆筑基坑周邊筏板基礎(chǔ)，后續(xù)再進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工。

圖1 基坑西側(cè)南部原始設(shè)計(jì)方案

2 支護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

施工過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行各項(xiàng)基坑開挖施工步驟。圖2是基坑西側(cè)南部按原始設(shè)計(jì)方案架設(shè)第一道鋼支撐斜撐后的實(shí)景圖。

圖2 第一道斜撐施工后實(shí)景圖

后續(xù)施工中發(fā)現(xiàn)存在下列問題。

2.1 預(yù)留土坡自身不穩(wěn)定

預(yù)留土坡多處出現(xiàn)裂縫，并多次局部滑塌，其自身穩(wěn)定性較差，原因如下。

①坡度過陡

預(yù)留邊坡的第一級(jí)邊坡屬于硬塑粘性土層，根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB50330-2013）第14.2.1條，在坡高小于5m的情況下的其坡率允許值為1∶1.00～1∶1.25；第二級(jí)邊坡在中風(fēng)化巖層中，根據(jù)規(guī)范第14.2.2條，在坡高小于8m的情況下的坡率允許值為1∶0.5～1∶0.75。而設(shè)計(jì)資料中該預(yù)留平臺(tái)的坡率為1:0.5，坡度比規(guī)范要求更陡，導(dǎo)致預(yù)留土坡的穩(wěn)定性難以得到有效保障。

②土體遇水強(qiáng)度急劇降低

由于預(yù)留平臺(tái)的位置正好處于全、強(qiáng)風(fēng)化層段，該層土的物理性質(zhì)非常特殊，遇水、遇風(fēng)極易失穩(wěn)，遇水后強(qiáng)度急劇降低，粘聚力與內(nèi)摩擦角減小。通常，干燥狀態(tài)下砂巖的抗壓強(qiáng)度為7.14～30.53 MPa，而飽和狀態(tài)下砂巖的抗壓強(qiáng)度降低為1.35～18.21MPa，軟化系數(shù)0.12～0.80[7]。

本基坑工程底部的全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，膠結(jié)物多為鈣質(zhì)、泥質(zhì)或鐵質(zhì)，浸水時(shí)間較長(zhǎng)后手捏易碎，甚至自行崩解。而在施工期間內(nèi)不可避免的遇到雨水天氣，雖然積極抽水且邊坡噴混凝土護(hù)面保護(hù)，但仍有部分雨水滲入土層內(nèi)部，甚至某一段時(shí)間內(nèi)土體被水浸泡，導(dǎo)致土體強(qiáng)度大大減小，誘發(fā)預(yù)留土坡失穩(wěn)。

2.2 施工空間有限，難以架設(shè)第二道斜撐

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)置第二道斜撐的腰梁位于第一道斜撐的腰梁以下4m。安裝第二道斜撐時(shí)的預(yù)留土坡高度為4m、水平寬度小于6m，挖土機(jī)難以進(jìn)入該狹窄空間開展挖土工作，如圖3所示。

圖3 第一道斜撐下方施工空間局限性示意圖

若要保證挖土機(jī)的正常作業(yè)空間，只有第二次開挖的預(yù)留土在離樁邊4m范圍內(nèi)需向下挖6m，在離樁邊4m以外部分需再向下挖1m，才能保證挖機(jī)的正常工作。而該工況設(shè)計(jì)中并未考慮。

若要嚴(yán)格執(zhí)行原設(shè)計(jì)要求，只能先挖出一個(gè)60型小挖機(jī)所能正常工作的最小工作面，讓小挖機(jī)進(jìn)入內(nèi)部翻土。經(jīng)估算：小挖機(jī)尺寸及工作時(shí)最小回轉(zhuǎn)半徑約為3530，需在原來豎向高度4m的基礎(chǔ)上多挖約2m，使得豎向高度保持在6m左右，水平寬度將能夠達(dá)到10m左右，才可保證小挖機(jī)的正常翻土。但仍存在施工空間有限、挖機(jī)可能觸碰第一道斜撐的危險(xiǎn)性。

圖4 優(yōu)化后的支護(hù)方案

鑒于設(shè)置兩道斜撐導(dǎo)致施工困難，經(jīng)與設(shè)計(jì)方溝通，把原有的雙排樁+預(yù)留土坡+兩道鋼管斜撐的支護(hù)方式優(yōu)化變更為：雙排樁+預(yù)留土坡+一道鋼管斜撐+一道錨桿，如圖4所示。

3 優(yōu)化前后對(duì)比分析

現(xiàn)基于有限元方法對(duì)比分析原始設(shè)計(jì)與優(yōu)化變更后的基坑變形特征。根據(jù)地勘報(bào)告，從上至下各土層可分為雜填土、硬塑性黏土、全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖、中風(fēng)化砂巖，采用小應(yīng)變土體硬化（HS-Small）本構(gòu)模型對(duì)各土層進(jìn)行模擬，主要計(jì)算參數(shù)見下表。

土體計(jì)算參數(shù)

圍護(hù)樁按照抗彎剛度相等原則等效為地下連續(xù)墻，采用板單元進(jìn)行模擬，鋼支撐采用錨桿單元進(jìn)行模擬。采用15節(jié)點(diǎn)的三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分，如圖5所示。模型底部?jī)蓚€(gè)方向均約束，為固定邊界條件；側(cè)面水平方向約束，豎向自由無約束。

圖5 有限元計(jì)算模型

計(jì)算得到了基坑開挖至底部后土體的變形趨勢(shì)，如圖6所示。基坑圍護(hù)樁的水平位移如圖7所示。可見，采用兩道斜撐的設(shè)計(jì)方案時(shí)，基坑的水平位移更小，最大水平位移發(fā)生在距地面5m的深度處；變更設(shè)計(jì)采用一道斜撐+一道錨桿后，基坑的水平位移相對(duì)變大，最大水平位移發(fā)生在距地面11m的深度處，最大水平位移為29.1mm，小于設(shè)計(jì)要求的30mm。

進(jìn)一步得到了變更前后的基坑潛在滑裂面位置，如圖8所示。可見，變更前后的潛在滑裂面位置基本相同，均為透過雙排樁底部的近似圓弧形滑裂面。兩者的安全系數(shù)基本相等，安全系數(shù)大于2.0，說明：

圖6 基坑開挖至底后維護(hù)樁的變形趨勢(shì)

圖7 基坑圍護(hù)樁水平位移分布

①雙排樁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，具有較大的抗滑承載力，滑裂面難以橫穿雙排樁樁身(樁身被剪切破壞)，滑裂面只能從雙排樁底部穿過；

②雙排樁維護(hù)結(jié)構(gòu)具有較大的抗滑穩(wěn)定性，基坑的穩(wěn)定性自動(dòng)能夠滿足，基坑由變形控制。

實(shí)際施工按照變更優(yōu)化后的方案（圖4）開展，基坑開挖至底后的現(xiàn)場(chǎng)圖如圖9所示。監(jiān)控量測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)均在規(guī)范允許范圍內(nèi)，說明優(yōu)化方案是合理可靠的。該基坑工程已安全竣工，后續(xù)主體工程也已安全完成施工。

可見，原設(shè)計(jì)中“雙排樁+兩道鋼管斜撐”的支護(hù)方式是偏保守的，造成施工空間有限難以實(shí)施；而優(yōu)化后“雙排樁+一道鋼管斜撐+一道錨桿”的支護(hù)方案是安全可靠的，且兼顧了施工的方便性與可行性。該案例可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。

圖8 基坑開挖至底潛在滑裂面位置

4 結(jié)語

本文以合肥市某基坑工程為例，介紹了雙排樁支護(hù)設(shè)計(jì)的優(yōu)化過程。原設(shè)計(jì)中“雙排樁+兩道鋼管斜撐”的支護(hù)方式是偏保守的，造成施工空間有限難以實(shí)施；而優(yōu)化后“雙排樁+一道鋼管斜撐+一道錨桿”的支護(hù)方案是安全可靠的，且兼顧了施工的方便性與可行性。變更前后的潛在滑裂面位置基本相同，均為透過雙排樁底部的近似圓弧形滑裂面，兩者的安全系數(shù)基本相等，基坑由變形控制。變更后的基坑水平位移相對(duì)增大，但仍在規(guī)范允許范圍內(nèi)，后續(xù)施工表明該變更方案是合理可靠的。

圖9 根據(jù)優(yōu)化方案基坑開挖至底實(shí)景圖