某深基坑樁錨結(jié)合支護結(jié)構(gòu)方案設(shè)計與實踐

鞠秀虹

(中鐵十八局集團北京工程有限公司,北京 100162)

1 工程概況

北京市門頭溝地區(qū)某土建工程項目位于門頭溝區(qū)龍泉鎮(zhèn)，葡萄嘴向北800 m。施工項目的水文地質(zhì)條件如下：水位量測鉆孔內(nèi)，距離地面12.5 m深度范圍內(nèi)未探測到地下水，同時根據(jù)相關(guān)文獻資料，該區(qū)域地表以下水位30～150 m，且地下水位埋深由南向北逐漸加大。深基坑區(qū)域的地質(zhì)條件復(fù)雜、包含多種復(fù)雜土層：含回填垃圾的雜填土、粒徑為5～6 cm碎石土和卵石土、含砂子的粉粘土和軟基巖等。

由于該基坑深度大，達到了13.9 m，基坑區(qū)域的雜填土中含有回填垃圾(成分復(fù)雜)，粘土和卵石土層中混有較大比例的砂，軟巖風(fēng)化程度不均，因此，同一土層的的粘聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)的試驗測試值差別較大。綜上，該深基坑施工的危險性較大，需要科學(xué)設(shè)計支護和監(jiān)測方案，確保施工安全。

2 基坑支護方案設(shè)計

2.1 支護方案比選

基坑支護的形式需要綜合考慮擬建場區(qū)的周邊環(huán)境、地下水位的高度、基坑深度、土質(zhì)條件、工程造價、工期等諸多因素，科學(xué)選擇并進行計算。

由于基坑深度大(深度接近14 m)，所以從受力方面分析，需要采用抗彎剛度(EI)較大的支護結(jié)構(gòu)件，如大直徑鋼管樁、鋼筋混凝土防護樁等作為支護主體。如果采用大直徑的鋼管樁支護，鋼管樁還可以回收再利用，可以大大降低工程造價；但是根據(jù)地質(zhì)資料，基坑區(qū)域土層中的卵石層、碎石層和軟基巖的阻力較大，不適宜鋼管樁的打入作業(yè)。經(jīng)過現(xiàn)場對直徑630 mm、壁厚10 mm的鋼管樁試打作業(yè)，雖然采用了65 kN的重錘，依然無法將鋼管樁打入到坑底以下位置。基于以上實際情況，考慮地下水埋深大的特點，最終決定采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁結(jié)合錨索作為支護主體：一方面鉆孔灌注樁截面模量大，且鉆孔灌注工藝非常成熟；另一方面采用錨索結(jié)構(gòu)不侵占基坑的空間，便于基坑的開挖和工程結(jié)構(gòu)的施工作業(yè)。施工的難點是錨索長度的確定和布置，必須保證錨索安全有效[1-2]。

2.2 支護方案設(shè)計

根據(jù)前面的分析，經(jīng)過試算，13.9 m深基坑的樁錨支護具體方案如下：①防護樁結(jié)構(gòu)。采用長度19 m、直徑800 mm、間距1 600 mm的C30鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。②錨索體系。錨索軸線與水平面的夾角為15°，錨索水平間距1 600 mm，第1、2道錨索采用3根標準鋼絞線(1860級7Φ5)鋼絞線，第3道錨索采用4根標準鋼絞線(1860級7Φ5)，根據(jù)《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術(shù)規(guī)范》(GB50086-2015)對錨索長度的規(guī)定，最終確定了錨索自由長度和錨固段長度的數(shù)值。③腰梁結(jié)構(gòu)。為了安裝錨索，采用雙拼28b工字鋼作為腰梁，錨索(錨固在腰梁上)錨位于樁間空隙。基坑錨索布置如圖1所示。

圖1 基坑支護立面(單位：m)

此外，雖然地下水位在30 m以下，但是雨季施工需要考慮降水的影響，尤其是遇到大雨，雨水下滲，會在樁間滲透流入基坑，且有可能引起樁間巖土坍塌，為此基坑支護的鋼筋混凝土防護樁間隙設(shè)置掛網(wǎng)、噴射混凝土作業(yè)，以保證雨季施工的安全。

3 支護主體結(jié)構(gòu)計算

3.1 施工過程與計算工況

防護樁的計算與施工過程密切相關(guān)，因此首先需要明確施工流程：①施工鉆孔灌注樁。鉆孔灌注樁采用鉆機進行鉆孔作業(yè)，由于地下水位在地下30 m以下深度，所以無須泥漿護壁，干作業(yè)成孔即可。此外，為了降低鉆孔對相鄰剛澆筑的樁基產(chǎn)生擾動，鉆孔樁施工采用隔樁施工的方法，切不可逐樁順序施工。②基坑開挖作業(yè)。基坑逐層開挖，開挖過程中，及時在樁間掛網(wǎng)、噴混凝土作業(yè)。③第1層錨索體系施工。開挖到錨索位置下0.5 m處(開挖到4.5 m深度)，進行第1層腰梁和錨索施工，待第1層錨索的錨固段混凝土達到設(shè)計強度，即可張拉預(yù)應(yīng)力，單束錨索的拉力鎖定值為335 kN。④第2、3層錨索體系施工。繼續(xù)開挖直到相應(yīng)的2、3層腰梁位置以下0.5 m位置，進行第2、3層錨索體系的施工，單束錨索的預(yù)拉力鎖定值分別為375 kN和420 kN。⑤開挖至坑底(深度13.9 m位置)。

根據(jù)以上施工過程，對應(yīng)的施工工況一共有七個：①開挖到4.5 m深度，未設(shè)置第1層錨索體系。②開挖深度(4.5 m)不變，施工4 m深度的第1層腰梁、錨索，并完成預(yù)拉力鎖定。③開挖至深度8.5 m深度，尚未設(shè)置第2層錨索體系。④開挖深度(8.5 m)不變，施工8 m深度的第2層腰梁、錨索，并完成預(yù)拉力鎖定。⑤開挖至深度11.5 m位置，尚未設(shè)置第3層錨索體系。⑥開挖深度(11.5 m)不變，施工11 m深度的第3層腰梁、錨索，并完成預(yù)拉力鎖定。⑦繼續(xù)開挖至坑底13.9 m深度位置。

3.2 防護樁計算

防護樁的計算采用理正深基坑7.0進行計算，計算方法采用單元法，鋼筋混凝土防護樁采用梁單元計算。單根防護樁所受荷載包括：①坑外一側(cè)的土側(cè)壓力。土石側(cè)壓力軟件可以根據(jù)土層的重度、粘聚力和內(nèi)摩擦角自行計算，無須手工計算。②附加荷載。即距離坑邊1.5 m以外的臨時堆載、運輸棄土車輛荷載，根據(jù)現(xiàn)場車輛情況，附加荷載采用40 kPa計算。

鋼筋混凝土防護樁的邊界條件如下：①坑內(nèi)側(cè)彈性支撐。基坑坑底標高以下土層，土對樁的約束采用彈性約束，彈簧的剛度軟件會根據(jù)土層參數(shù)按照m法自動計算，基巖埋深11.5 m位置的土各層參數(shù)如表1所示。②錨索對樁的彈性約束。錨索通過腰梁對單樁產(chǎn)生彈性約束，其剛度效應(yīng)理正軟件可以根據(jù)輸入的錨索材料、長度、間距自動計算，并將彈性剛度分配給單樁，其中各層預(yù)應(yīng)力錨索的預(yù)拉力鎖定值可在理正軟件中直接輸入。

表1 土層參數(shù)

計算工況方面，軟件可以設(shè)定每次超挖0.5 m，自動生成7個工況；根據(jù)經(jīng)驗，一般都是開挖到坑底工況七的計算結(jié)果最不利，但是也不排除中間工況的計算結(jié)果控制設(shè)計的個例。因此，為了準確反映整個施工過程中防護樁的受力和變形，防護樁7個工況的計算結(jié)果包絡(luò)圖如圖2所示。

從圖2可以看出：直徑800 mm的鉆孔灌注樁的最大彎矩計算結(jié)果為314.99 kN·m。根據(jù)北京市地方標準《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(DB11/489-2016)，應(yīng)該按照極限狀態(tài)法對樁進行配筋設(shè)計和計算，因此該彎矩需要考慮1.25的荷載安全分項系數(shù)，同時考慮一級基坑重要性系數(shù)1.1，得到防護樁的彎矩設(shè)計值為Mmax=433.1 kN·m。防護樁的配筋：縱向豎筋采用12根?22 mm的HRB400鋼筋，保護層為5 cm。對于圓形的鋼筋混凝土防護樁，其抗彎承載能力計算如下：

圖2 鋼筋混凝土防護樁計算結(jié)果

式中：Mu為單樁承載彎矩(kN·m)；fc為混凝土抗壓強度設(shè)計值(MPa)；A為防護樁截面積(mm2)；r為防護樁的半徑(mm)；fy為防護樁鋼筋抗拉強度設(shè)計值(MPa)；As為受拉縱向鋼筋的面積(mm2)；rs為受拉鋼筋的形心半徑(mm)；α為受壓區(qū)混凝土截面積的圓心角(rad)與2π的比值；αt為縱向受拉鋼筋截面積與全部縱向鋼筋截面積的比值，αt=1.25-2α。

計算得到的結(jié)果為：Mu=570.5 kN·m>Mmax=433.1 kN·m，抗彎承載力滿足要求，且有一定的安全儲備；防護樁的抗剪一般不控制設(shè)計，因此無須進行抗剪計算。

剛度方面，同樣參照北京市地方標準《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》之規(guī)定，無特殊要求時，對于一級基坑，支護結(jié)構(gòu)的最大水平位移應(yīng)小于0.002h(h為基坑深度)，顯然圖2中計算得到樁的最大水平位移值14.21 mm<0.002×13 900 mm=27.81 mm，滿足北京地方規(guī)范的要求。綜上，防護樁的強度和變形均滿足要求。

4 支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和地表沉降計算

該基坑在開挖到坑底時，基坑的整體穩(wěn)定性控制設(shè)計，在基坑外側(cè)土體側(cè)壓力(包括附加荷載)作用下，土體可能會繞過防護樁底部產(chǎn)生一個滑移面，支護結(jié)構(gòu)有沿滑動面產(chǎn)生滑動失穩(wěn)的風(fēng)險，需進行滑動穩(wěn)定計算。采用瑞典分條法計算，分條寬度0.5 m，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算(單位：m)

圖3中，滑裂面數(shù)據(jù)如下：滑動圓弧半徑R=17.277 m；圓心坐標x=-8.837 m，y=9.240 m；計算得到的整體穩(wěn)定安全系數(shù)2.236>1.2，滿足要求。

為了確保基坑以及周邊道路(最近的道路路緣石距離基坑邊8.5 m)的安全，需要控制基坑周邊的地表沉降量。根據(jù)經(jīng)驗和業(yè)主要求，距離坑邊8.5 m道路邊緣的地表沉降值不得超過基坑5 mm，理正軟件計算得到的基坑周邊沉降如圖4所示。

圖4 基坑周邊地表沉降

從圖4可以看出，基坑周邊8.5 m位置(既有道路)的地表沉降，按照三角形法、指數(shù)法和拋物線法三種不同方法計算，得到的地表最大沉降值為2.3 mm，小于施工限值5 mm，因此基坑的支護方案引起的周邊沉降滿足要求。

5 基坑支護計算結(jié)果校驗

為保證基坑支護施工過程的安全，必須做好施工過程的監(jiān)測工作。雖然支護結(jié)構(gòu)經(jīng)過計算滿足要求，但是由于巖土參數(shù)具有很大不確定性，例如：土層內(nèi)摩擦角、粘聚力參數(shù)取值的準確性；降雨引起土壤含水量增加，會導(dǎo)致錨索的摩阻力變小，也會引起巖土的巖土參數(shù)(重度、內(nèi)摩擦角、粘聚力)改變等，基坑施工仍然存在潛在的風(fēng)險，施工監(jiān)測是對基坑工程施工過程的監(jiān)督和成果檢驗。

該深基坑監(jiān)測項目有以下三項：①支護結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測。采用國產(chǎn)CX-06A型測斜儀，固定在防護樁的鋼筋籠上，可將測量的角度數(shù)據(jù)換算成水平位移。②地表沉降監(jiān)測。采用精密水準儀沿基坑邊每10m設(shè)一觀測點，如果地面測點在車道上，則必須對測點設(shè)置保護措施。③錨索軸力監(jiān)測。采用MSJ-201型振弦式應(yīng)變計對錨索軸力量測。主要的監(jiān)測結(jié)果與計算結(jié)果(錨索拉力的計算值即為錨索張拉鎖定值)對比如表2所示。

表2 監(jiān)測值與計算值對比

從表2可以看出，校驗系數(shù)都超過了0.8，監(jiān)測值和計算值吻合度很高。

6 結(jié)束語

目前基坑已經(jīng)開始回填作業(yè)，基坑支護結(jié)構(gòu)的使命已經(jīng)完成，并且在施工過程中經(jīng)歷了雨季施工的實踐檢驗。從施工過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，測得的防護樁的最大水平位移和地表沉降均與計算值高度吻合，這表明主結(jié)構(gòu)的模擬計算準確可靠，計算方法和理論能夠反映支護結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)，能夠為安全施工提供指導(dǎo)。