復(fù)雜條件下超大深基坑預(yù)應(yīng)力懸臂圍護樁施工技術(shù)*

姬建華，劉亞偉，任 鵬，鄭云水

(中鐵電氣化局集團北京建筑工程有限公司，北京 100039)

1 工程概況

西安北高鐵客運站配套停車樓位于客站北廣場(見圖1)，國鐵線路與地鐵4號線之間，停車樓建筑面積5.7萬m2，地下1層，地上3層，建筑高度13.2m，結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)。停車樓基坑?xùn)|西長271m，南北寬99.6m，通往北客站地下連廊處基坑長125.5m，寬20.8m(見圖2)，基坑面積約27 974m2，基坑底標高平均-12.300m，因地表標高不一致，基坑深度約6～13m，整體上北深南淺。

圖1 西安北站停車樓效果

圖2 基坑平面

工程周邊環(huán)境復(fù)雜，地下管線眾多，地下結(jié)構(gòu)空間緊張。基坑區(qū)域南側(cè)為國鐵銀西線及地上構(gòu)筑物，西側(cè)為天然場坪，北側(cè)為西安地鐵4號線，支護樁距離地鐵結(jié)構(gòu)約6～10m，與地鐵結(jié)構(gòu)距離自西向東逐漸增大。場地東南側(cè)存在大量熱力管網(wǎng)、鐵路給水及污水管網(wǎng)。整體上環(huán)境復(fù)雜，地下施工條件較差，對基坑支護設(shè)計和施工提出較高要求。場地地層主要由人工填土、第四紀全新世沖洪積黃土狀土、粉土、沖積砂土和粉質(zhì)黏土及晚更新世沖積粉質(zhì)黏土、砂土組成。地層沿水平及垂直方向上分布規(guī)律性較好，二元結(jié)構(gòu)沉積韻律清晰，如表1所示。地下水屬潛水類型，主要由大氣降水、地表和地下徑流補給，以自然蒸發(fā)、人工抽排和徑流排泄為主。

表1 地層分布

2 基坑支護設(shè)計

基坑占地面積較大，地下條件復(fù)雜，在滿足基坑穩(wěn)定的同時還須保證既有結(jié)構(gòu)安全，加之工期非常緊張，基坑受北側(cè)地鐵淺埋區(qū)和南側(cè)高鐵的限制條件影響，主基坑南北兩側(cè)均采用新型預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂樁支護，西側(cè)采用放坡網(wǎng)噴土釘墻支護，東側(cè)通往北客站地下連廊區(qū)域基坑采用混凝土灌注樁加鋼管橫撐，預(yù)應(yīng)力樁身混凝土為C40水下超流態(tài)碎石混凝土。

如圖3所示，基坑支護形式分為A′-A-B-C-D段、D-E段、E-F-G段、G-H-J段、J-K段、K-L段、L-M段、M-N段、N-P(Q-R)段、R-S段、S-S′段及S-T-U-A段。其中，A′-A-B-C-D段基坑支護采用長18m、直徑1m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土灌注樁(見圖4)，地面附加荷載為20kPa，該段樁體受到的最大彎矩在標高-1.900m，為1 000kN·m，支護樁單根鋼絞線設(shè)計軸力為140kN，布設(shè)孔位如圖5所示，每個孔布設(shè)5根鋼絞線，偏心力矩為1 169kN·m，滿足要求；D-E段采用長22m、直徑1.2m的預(yù)應(yīng)力樁；E-F-G段采用長17.1m、直徑1m混凝土灌注樁；G-H-J，H′-J′，J-K，J′-K′，K-L及K′-L′-L段為車輛由室外進入1層的汽車坡道，該處距離熱力管網(wǎng)較近，采用長10～20m、直徑1m的普通灌注樁加旋噴錨索錨固；L-M段采用長28.1m、直徑1.4m的預(yù)應(yīng)力樁；M-N段采用長23m、直徑1.2m的預(yù)應(yīng)力樁。N-P，Q-R段為停車樓與高鐵西安北站地下通道人行連廊，基坑支護采用長27.4m、直徑1.4m的普通灌注樁加鋼管支撐；N-P段南側(cè)為高鐵西安北站，防護樁距離高鐵西安北站結(jié)構(gòu)7.5m；Q-R段北側(cè)為地鐵，防護樁距離地鐵結(jié)構(gòu)7.75m。R-S-S′段采用長27.1m、直徑1.4m的預(yù)應(yīng)力樁；R-S段北側(cè)為地鐵，防護樁距離地鐵結(jié)構(gòu)為6m。S-T-U-A段為放坡開挖區(qū)域，放坡比例1∶1.2，坡面掛網(wǎng)噴射混凝土加設(shè)土釘。

圖3 基坑支護形式

圖4 A′-A-B-C-D段基坑支護剖面

圖5 鋼絞線布置平面點位

3 預(yù)應(yīng)力懸臂樁施工關(guān)鍵技術(shù)

主基坑區(qū)域南北兩側(cè)均為新型預(yù)應(yīng)力懸臂樁，在本基坑支護工程中所占體量較大。預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂支護樁的核心機理是通過預(yù)應(yīng)力控制樁體變形，實現(xiàn)荷載平衡。雖不同于普通的預(yù)應(yīng)力梁、板，但其本質(zhì)仍是一種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

3.1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁變形機理

預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂樁的變形控制原理同預(yù)應(yīng)力梁。預(yù)應(yīng)力混凝土梁的變形由兩部分組成：一部分是預(yù)加力(預(yù)應(yīng)力)作用引起的變形，通常也稱為反拱度；另一部分是荷載作用產(chǎn)生的變形，通常也稱為撓度或位移。一般情況下，上述兩部分變形方向相反，可用預(yù)加力引起的反拱度來抵消荷載產(chǎn)生的撓度，從而達到控制變形的目的。普通簡支梁的變形機理與預(yù)應(yīng)力梁的變形機理如圖6所示。

圖6 受力變形示意

在基坑支護工程中，當支護樁嵌固深度足夠深，樁底位移幾乎為0。可默認樁底為固定端，等效成懸臂梁分析其受力變形機理。懸臂梁結(jié)構(gòu)在受到豎向荷載作用時，會產(chǎn)生向下的變形，通過在懸臂端頭靠近荷載一側(cè)施加預(yù)應(yīng)力后會產(chǎn)生一個向上變形趨勢，從而抵消梁向下位移變形(見圖7)。

圖7 懸臂梁變形機理

3.2 預(yù)應(yīng)力懸臂樁變形機理

傳統(tǒng)的混凝土懸臂支護樁在受主動土壓力作用下，在基坑面處產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)角，該轉(zhuǎn)角使位移不斷累積，在支護結(jié)構(gòu)頂部達到最大。其頂部的水平位移會遠遠大于基坑底標高處的位移。預(yù)應(yīng)力懸臂支護樁通過在支護樁內(nèi)預(yù)埋無粘結(jié)鋼絞線，根據(jù)開挖步驟，一次或分次對鋼絞線進行張拉，施加偏心預(yù)應(yīng)力，使之產(chǎn)生朝向基坑外的變形趨勢，從而部分抵消基坑開挖產(chǎn)生的朝向基坑內(nèi)的變形，實現(xiàn)控制和調(diào)整支護樁變形的目的。懸臂樁變形曲線對比如圖8所示。

圖8 懸臂支護結(jié)構(gòu)變形對比示意

3.3 預(yù)應(yīng)力樁施工工藝流程

預(yù)應(yīng)力懸臂樁成孔、護壁及水下澆筑混凝土與旋挖成孔工藝一致。按鋼絞線一次性張拉和分多次張拉，主要工藝流程如圖9所示。

圖9 施工工藝流程

3.4 鋼絞線安裝

預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用1860無粘結(jié)型鋼絞線，鋼絞線和擠壓錨(YJM15-1P)利用擠壓機咬合牢固并通過承載板傳力，在制作鋼筋籠時按設(shè)定的位置進行固定綁扎。為固定鋼絞線，須在鋼筋籠上附加焊接構(gòu)造鋼筋或固定板進行定位，鋼絞線應(yīng)在冠梁頂預(yù)留1.2m以上。鋼絞線在鋼筋籠上的綁扎固定與鋼筋籠加工穿插進行，具體做法如下：將進場的鋼絞線去皮處理→擠壓套通過擠壓機與鋼絞線連接牢固→主筋與加強筋焊接牢固后，綁扎箍筋→承載板與主筋、加強筋焊接固定→穿入鋼絞線束，并在承載板上錨固→綁扎固定鋼絞線。

為保護混凝土不會受壓破壞，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用20mm厚Q235鋼承載板錨固。不同樁徑所配的鋼絞線數(shù)量及對應(yīng)的承載板和固定板尺寸有所不同，本工程中，1m樁徑配5組鋼絞線；1.2m樁徑D-E段配6組鋼絞線，每組5束，M-N段配8組鋼絞線；1.4m樁徑N-P，Q-R，R-S′，L-M段配10組鋼絞線，每組5束(見圖10)。

圖10 鋼絞線固定示意

3.5 板材制作及安裝

承載板、固定板需要鋼材加工廠定制加工，形狀應(yīng)結(jié)合支護結(jié)構(gòu)的截面形狀按設(shè)計要求確定。承載板與主筋及加強筋焊接，焊接方式為滿焊，焊縫高度≥10mm。

1)A′-D段樁徑1m，設(shè)計5組鋼絞線。距離樁底2m設(shè)置左右對稱2塊1號承載板，距離1號承載板上1m設(shè)置2號承載板。樁頂部設(shè)置1塊張拉墊板，設(shè)置3塊固定板，第1塊固定板在張拉墊板下10mm，墊板垂直間距1m(見圖11)。

圖11 1m樁徑所用板材規(guī)格

2)D-E段樁徑1.2m，設(shè)計6組鋼絞線。距離樁底2m設(shè)置左右對稱2塊1號承載板，距離1號承載板上1m設(shè)置3號承載板，本段不設(shè)置2號承載板。樁頂部設(shè)置1塊張拉墊板，設(shè)置3塊固定板，第1塊固定板在張拉墊板下10mm，墊板垂直間距1m。

3)M-N段樁徑1.2m，設(shè)計8組鋼絞線。距離樁底2m設(shè)置左右對稱2塊1號承載板，距離1號承載板上1m設(shè)置2號承載板，距離2號承載板上1m設(shè)置3號承載板。樁頂部設(shè)置1塊張拉墊板，設(shè)置3塊固定板，第1塊固定板在張拉墊板下10mm，墊板垂直間距1m，布置同D-E段(見圖12)。

圖12 1.2m樁徑所用板材規(guī)格

4)N-P，Q-R，R-S′，L-M段樁徑1.4m，設(shè)計10組鋼絞線。距離樁底2m設(shè)置左右對稱2塊1號承載板，距離1號承載板上1m設(shè)置2號承載板，距離2號承載板上1m設(shè)置3號承載板。樁頂部設(shè)置1塊張拉墊板，設(shè)置3塊固定板，第1塊固定板在張拉墊板下10mm，墊板垂直間距1m(見圖13)。

圖13 1.4m樁徑所用板材規(guī)格

承載板應(yīng)與主筋點焊，與加強筋焊接牢固，在承載板位置沒有加強筋時應(yīng)增設(shè)1道加強筋，保證其在灌注混凝土?xí)r不會脫落或發(fā)生過大偏移。承載板上下孔位要對齊，禁止出現(xiàn)鋼絞線因承壓板、固定板位置偏差導(dǎo)致彎曲過大的現(xiàn)象。

3.6 鋼筋籠吊放

預(yù)應(yīng)力鋼絞線在鋼筋籠內(nèi)是有方向性的，在下放過程中需要確保鋼筋籠的方向與設(shè)計位置一致，設(shè)有鋼絞線一側(cè)朝向基坑外。吊放鋼筋籠入孔時，應(yīng)對準孔位輕放慢放入孔，遇阻礙要查明原因，進行處理，不得強行下放。若下放鋼筋籠過程中出現(xiàn)鋼筋籠偏位，有承載板一側(cè)未朝向基坑外側(cè)，需及時校正，調(diào)整鋼筋籠方向。

3.7 預(yù)應(yīng)力樁鋼絞線張拉

需待冠梁混凝土強度達到設(shè)計強度的80%，且齡期不低于7d后，方可進行預(yù)應(yīng)力樁鋼絞線張拉。錨具采用OVM系列，張拉機張拉力≥1 000kN，張拉前需進行標定，確定壓力值。鋼絞線需采用單槍千斤頂線逐根張拉，每根鋼絞線張拉值為140kN，5根鋼絞線的孔道鎖定值為700kN。

按孔道對稱張拉，分兩次張拉，先采用單槍千斤頂逐根張拉至100kN，再整體張拉至140kN。若土方開挖過程中鋼絞線出現(xiàn)拉力損失，需對鋼絞線進行二次張拉鎖定。張拉完成后土方分層開挖至坑底。

4 效益分析

本工程中，采用預(yù)應(yīng)力懸臂樁技術(shù)方案相比留土反壓內(nèi)支撐支護方案鋼筋量節(jié)約180t，增加預(yù)應(yīng)力鋼絞線360t，內(nèi)支撐節(jié)約964t，留土反壓土釘節(jié)約5 760m，留土反壓噴射混凝土護面節(jié)約3 150m2，鋼腰梁節(jié)約141t，經(jīng)過經(jīng)濟對比分析，預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂支護樁造價相比傳統(tǒng)雙排樁造價節(jié)約30%，遠低于內(nèi)支撐造價。

采用預(yù)應(yīng)力懸臂樁方案工期方面具有明顯優(yōu)勢，基坑所有護坡樁1個月內(nèi)可以全部施工完成，考慮分段流水施工，施工樁頂冠梁、等待齡期、施加預(yù)應(yīng)力也可于15d內(nèi)施工完畢。采用此技術(shù)從護坡樁開工到預(yù)應(yīng)力施加完成基本上只需要45d，之后土方開挖即可不受任何約束，相比錨索而言省去錨索施工、腰梁制作及其養(yǎng)護張拉時間，相比內(nèi)支撐而言省去了拆除內(nèi)支撐工況，不會影響主體結(jié)構(gòu)施工，可大面積開挖土方，工期優(yōu)勢顯著。

采用預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂支護樁進行基坑支護與傳統(tǒng)的排樁支護體系相比只需單排樁即可滿足基坑安全及變形要求，基坑土體能順著支護樁垂直開挖，建設(shè)單位可根據(jù)支護情況最大程度優(yōu)化基坑邊線，可以最大化開發(fā)利用地下空間。本工藝能縮短基坑支護工程施工工期，提高地下空間利用率，具有良好的發(fā)展前景。

5 結(jié)語

實踐證明，采用預(yù)應(yīng)力懸臂樁技術(shù)可有效解決基坑周邊既有建筑物的保護、有效控制基坑支護結(jié)構(gòu)的變形問題。應(yīng)用效果理想，達到了對基坑周邊環(huán)境保護的預(yù)期效果，不會對周邊環(huán)境和土體造成不利影響，同時該工藝節(jié)約能源、提高材料使用率，減少建筑垃圾的產(chǎn)生。在西安北客站停車樓工程中的應(yīng)用效果顯著，節(jié)約了工期，節(jié)省了成本，提高了施工質(zhì)量和效率，為今后其他類似工程提供了較好的借鑒。