全套管全鉆進(jìn)咬合樁在深基坑支護(hù)中的應(yīng)用分析

劉振杰， 音俊峰， 王昌奇， 孫錄政， 黃法忠

(安徽工程勘察院有限公司，安徽 合肥 230011)

0 引 言

咬合樁作為一種特殊的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，依靠樁體與樁體間的搭接，能起到支擋和止水的雙重作用，已在鄰近軌道交通的基坑支護(hù)工程中得到一定的應(yīng)用和推廣[1]。在粉土和砂土中施工咬合樁可采用鋼護(hù)筒護(hù)壁[2]，護(hù)筒施工一般采用錘擊式或搖動(dòng)式[3]，錘擊式振動(dòng)荷載較大，對(duì)飽水狀態(tài)的粉砂土擾動(dòng)嚴(yán)重，容易造成震動(dòng)液化。搖動(dòng)式扭矩小，效率低，無(wú)法保證入巖深度，止水效果差[4]。

全套管全鉆進(jìn)施工工藝采用套管360度回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，全程護(hù)壁的成孔工藝，與傳統(tǒng)套管錘擊施工相比，全鉆進(jìn)工藝由于旋轉(zhuǎn)摩擦更有利于套管下沉進(jìn)尺，且轉(zhuǎn)速較慢，可有效地減小對(duì)周邊地層的擾動(dòng)，保護(hù)外圍環(huán)境，適用于緊臨地鐵或?qū)ξ灰泼舾械慕?構(gòu))筑物等復(fù)雜環(huán)境下的基坑支護(hù)樁體的施工，具有較好的應(yīng)用前景。

1 工程概況及周邊環(huán)境

某工程設(shè)置2層地下車庫(kù)，人挖樁基礎(chǔ)，基坑外形輪廓近似矩形，長(zhǎng)約122 m，寬約52 m，開挖深度10.4 m。基坑北側(cè)為新建的高層建筑(20F，2層地庫(kù))，西側(cè)距離高鐵線73.5 m，距離待建的有軌電車線僅7.1 m，南側(cè)距離南淝河65.7 m，東側(cè)距離地鐵嚴(yán)格保護(hù)線僅0.9 m，支護(hù)樁邊距離地鐵線路僅6.26 m。

2 工程地質(zhì)條件

該工程場(chǎng)地微地貌為河漫灘及一級(jí)階地前緣，自上而下各土層分布情況及性質(zhì)指標(biāo)見表1。地下水有填土中上層滯水和④層粉土夾粉砂、⑤層粉土夾粉砂中的孔隙水及⑥層強(qiáng)風(fēng)化砂巖、⑦層中風(fēng)化砂巖(frk=32.4 MPa)中的基巖裂隙水，勘察期間水量較豐富，與南淝河存在密切的水力聯(lián)系，水位受大氣降水和河水位深度影響明顯，穩(wěn)定地下水位埋深約3.00 m。

表1 土層分布及基坑支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

3 設(shè)計(jì)施工方案

本基坑被地鐵、河流、高鐵及新建高層建筑物所包圍，周邊環(huán)境復(fù)雜，地庫(kù)的人工挖孔樁施工前須先進(jìn)行基坑降水[5]，水位降深達(dá)18.0 m，如此大降深增加了周邊地層的有效應(yīng)力，加劇了土層的沉降，勢(shì)必對(duì)外圍交通及周邊建筑物安全產(chǎn)生不利影響。

基坑?xùn)|側(cè)，地鐵線路鋪軌已完成，且基坑坑底以下，地鐵隧道以上為富含承壓水的粉土夾粉砂層，土層一旦失水或有施工擾動(dòng)，就會(huì)影響盾構(gòu)周邊的應(yīng)力分布，導(dǎo)致其上浮或下沉，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響。按照相關(guān)規(guī)范要求[6]，支護(hù)結(jié)構(gòu)施工影響安全等級(jí)為特級(jí)，地鐵保護(hù)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工及圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形提出了更加嚴(yán)格要求。

結(jié)合場(chǎng)地環(huán)境地質(zhì)條件和工程特點(diǎn)，本項(xiàng)目基坑應(yīng)先在外圍施工沉底式止水帷幕，以減小基坑降水對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的不利影響。基坑西側(cè)采用高壓旋噴樁止水帷幕+支護(hù)樁+豎向斜撐支護(hù)形式，由于東側(cè)施工空間僅有0.9 m，且支護(hù)樁距離地鐵隧道較近，止水帷幕須入中風(fēng)化砂巖施工[7]，以保證止水效果，故采用全套管全鉆進(jìn)咬合樁+水平角撐支護(hù)形式，具體支護(hù)形式如圖1、圖2所示。

圖1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 地鐵側(cè)支護(hù)剖面圖

全套管全鉆進(jìn)將套管回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，全程護(hù)壁，避免施工過程中出現(xiàn)塌孔、縮頸、斷樁、水土流失等安全隱患，保證富含地下水粉砂地層中支護(hù)樁的成樁質(zhì)量。邊回轉(zhuǎn)邊壓入，扭矩大，保證止水帷幕在較硬巖中的沉底深度。經(jīng)過調(diào)控[8]，樁體垂直度可達(dá)1/500，有效保證樁體的緊密搭接，形成良好的連續(xù)整體結(jié)構(gòu)，抗?jié)B能力強(qiáng)。套管較低的旋轉(zhuǎn)速度，有利于減小其與土體的摩阻力，降低對(duì)周邊地層的擾動(dòng)，進(jìn)而保護(hù)地鐵線路的安全。

4 變形監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

由于本基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，場(chǎng)地土質(zhì)較差，地下水豐富，為確保地鐵盾構(gòu)的安全及本基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的順利施工，須進(jìn)行信息化施工監(jiān)測(cè)，遂對(duì)基坑周邊地鐵盾構(gòu)沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、支護(hù)樁測(cè)斜及地下水位降深等進(jìn)行觀測(cè)。

從圖3、圖4可知，土方開挖前期，土壓力較小，水平角撐整體剛度較大，可有效控制樁頂位移，樁體深層水平位移成直線變化。開挖第二道撐下部土方至基坑降水結(jié)束，土壓力不斷增大，深層水平位移最大值不斷向樁體下部遷移，最大值出現(xiàn)在4/5基坑深度處，且位置不變，樁頂位移變化速率約為0.122 mm/d。工程樁澆筑完畢后，樁頂位移趨于穩(wěn)定，后期拆撐施工出現(xiàn)了約10.1 mm的變形，樁體深層水平位移變化較小，變形曲線幾乎重合。

圖3 基坑?xùn)|側(cè)水平位移曲線圖

圖4 深層水平位移曲線圖

從圖5可知，開挖前期，基坑雖未進(jìn)行降水施工，但觀測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了水位下降和上升兩種情況，水位下降最大值為40 cm，上升最大值為30 cm。分析其原因，01#和02#觀測(cè)點(diǎn)部位支護(hù)樁上部有漏水點(diǎn)，隨著上部土體開挖，外圍土體中的地下水滲流入坑內(nèi)，水位下降，03#和04#觀測(cè)點(diǎn)部位由于降雨，水位上升。開挖至坑底后進(jìn)行基坑降水，坑外各觀測(cè)點(diǎn)水位同時(shí)下降，下降幅度為10 cm/d，最大降深為93.9 cm，滿足規(guī)范要求。其間，由于降雨，部分觀測(cè)點(diǎn)水位上升。待工程樁施工完成，降水施工亦結(jié)束，基坑外側(cè)水位緩慢回升至初始水位以上。說(shuō)明全套管全鉆進(jìn)咬合樁止水效果明顯，有效地阻斷了地下水向坑內(nèi)滲流。

圖5 東側(cè)水位降深曲線圖

在咬合樁施工過程中，對(duì)盾構(gòu)各觀測(cè)點(diǎn)相關(guān)指標(biāo)初始值進(jìn)行了3次采集，采集值幾乎無(wú)變化，說(shuō)明該施工工藝可有效地減小對(duì)周邊地層的擾動(dòng)，且全套管也可減小地層中水土流失，進(jìn)而起到保護(hù)地鐵的作用。從圖6可知，由于基坑降水，地鐵盾構(gòu)前期以波動(dòng)上浮為主，最大值為1.69 mm，多數(shù)觀測(cè)點(diǎn)上升幅度在1.0 mm以下，滿足規(guī)范要求。說(shuō)明全套管全鉆進(jìn)咬合樁支護(hù)方式，既起到了支擋作用，又發(fā)揮了良好的止水效果，可有效地保護(hù)地鐵安全。隨著地庫(kù)及上部結(jié)構(gòu)的施工，盾構(gòu)拱頂出現(xiàn)下沉，最大值為1.51 mm，當(dāng)?shù)刎S水期到來(lái)后，地下水位上升，拱頂隨之上浮。

圖6 地鐵盾構(gòu)拱頂沉降曲線圖

以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，基坑開挖至回填，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)冠梁頂累計(jì)最大位移值為21.2 mm，基坑深層水平位移最大值為17.75 mm，地下水位降深最大值為93.9 cm，地鐵盾構(gòu)拱頂上浮最大值為1.69 mm，各項(xiàng)監(jiān)控指標(biāo)均控制在設(shè)計(jì)及規(guī)范要求范圍內(nèi)，深基坑支護(hù)工程取得了圓滿成功。

5 有限元模擬分析

采用有限元分析軟件MIDAS GTS NX對(duì)本基坑工程進(jìn)行模擬，圍護(hù)結(jié)構(gòu)幾何尺寸按實(shí)際情況取值，所建立的計(jì)算模型中，土體材料采用德魯克-普拉格(Drucker-Prager)彈塑性本構(gòu)模型；內(nèi)支撐、冠梁、腰梁等混凝土材料的結(jié)構(gòu)均采用梁?jiǎn)卧粐o(hù)樁按照等剛度原理折算成地下連續(xù)墻，采用板單元模擬，襯砌結(jié)構(gòu)、區(qū)間結(jié)構(gòu)按線彈性考慮。

通過分析得出，有限元計(jì)算所得結(jié)果和實(shí)測(cè)變形曲線形態(tài)接近。從圖7、圖8可知，支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形主要集中在基坑中下部及坑底下一定范圍內(nèi)，與樁體的深層水平位移實(shí)測(cè)值基本相符，位移最大值出現(xiàn)在水平角撐的下部。

圖7 圍護(hù)結(jié)構(gòu)X向水平位移(最大值為12.3 mm)

圖8 圍護(hù)結(jié)構(gòu)Y向水平位移(最大值為16.5 mm)

基坑?xùn)|側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大值為12.30 mm，小于實(shí)測(cè)深層水平位移最大值17.75 mm，分析其原因，有限元分析工況中未考慮坑內(nèi)降水對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響。由圖9可知，區(qū)間盾構(gòu)豎向位移最大值為2.02 mm，大于盾構(gòu)拱頂實(shí)測(cè)上浮最大值1.69 mm，由此可推斷本構(gòu)模型中的變形參數(shù)取值偏于保守。

圖9 地鐵盾構(gòu)豎向位移(最大值為2.02 mm)

6 結(jié) 論

綜上，在基坑復(fù)雜環(huán)境條件下，全套管全鉆進(jìn)咬合樁支護(hù)型式能夠有效地控制基坑變形，阻止地下水滲流，保護(hù)周邊環(huán)境。通過本案例的實(shí)施，有以下幾點(diǎn)體會(huì)：

(1) 全套管全鉆進(jìn)采用套管360度回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，扭矩大，可保證帷幕樁體在較硬巖中的沉底深度。較低的旋轉(zhuǎn)速度，可減小與土體的摩阻力，降低對(duì)周邊地層的擾動(dòng)。

(2) 咬合樁支護(hù)型式兼顧支擋和止水雙重作用，較高的垂直度精度和一定的入巖沉底深度，是保證止水效果的關(guān)鍵。

(3) 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，各項(xiàng)變形觀測(cè)指標(biāo)均在設(shè)計(jì)和規(guī)范要求范圍內(nèi)，說(shuō)明全套管全鉆進(jìn)咬合樁止水帷幕有效地降低了基坑開挖和降水對(duì)臨近地鐵區(qū)間的不利影響，保護(hù)了周邊環(huán)境安全。樁體深層水平位移最大值出現(xiàn)在4/5基坑深度處。

(4) 在基坑工程中采用德魯克-普拉格(Drucker-Prager)彈塑性本構(gòu)模型模擬土體，能較好地反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際變形。