鋼板樁內支撐預加軸力對基坑變形的影響

辛樂清

(中鐵十四局集團第四工程有限公司 山東濟南 250002)

1 引言

隨著城市化發展進程加快，城市空間利用逐步轉入地下[1-2]。市政管網逐步采用地下溝槽、管道、管廊等形式，基坑開挖深度一般在1.3～10 m之間，周邊存在既有管線、通行市政道路、既有建筑物等，需采用圍護結構控制周邊變形，保護既有構筑物。施工過程經常采用鋼板樁[3-5]作為圍護結構，但當地質情況不佳、基坑較深、周邊變形控制要求嚴格時，鋼板樁需增加內支撐以減小基坑變形。本文以濟南市濟濼路穿黃隧道工程為例，通過對鋼板樁內支撐預加軸力和不預加軸力兩種不同工況研究基坑變形規律，從而確定最優支護方式[6-8]。

2 工程概況

濟南市濟濼路穿黃隧道南岸地面道路涉及電力溝工程，主通道基坑深5 m，電力頂管工作井深10 m。工程施工位置鄰近地上懸河黃河，地下水埋深1～1.5 m，土質為雜填土、粉土，以及老舊河床淤泥沉積層，地質條件較差。以往直接采用鋼板樁和內支撐時，經常發現基坑圍護結構內傾，地面鄰近鋼板樁2～5 m范圍地面出現明顯開裂，影響周邊管線安全。電力頂管豎井基坑深度較深，鄰近通行機動車道僅3～5 m，周邊管線有污水、給水、熱力、燃氣、通信等，安全要求較高。為保證基坑穩定，減小基坑變形對周邊環境影響，加快施工進度，采用鋼板樁作為基坑圍護結構，內支撐采用預加軸力鋼支撐。

3 基坑周邊環境

西側始發井位于道路邊緣且緊鄰匯通市政圍墻，東側與目前市政道路距離約2.6 m；基坑東側緊鄰既有電力埋管，距離污水管1.9 m，距離熱力管3.1 m，距離給水管4.2 m。東側接收井基坑與機動車道距離約5 m，與通信管線距離1 m，與燃氣管線距離1 m，與污水管道距離1.7 m，與給水管道距離4.3 m，與新建電力溝距離7.6 m。

4 基坑結構

電力頂管工作井包括始發井和接收井。始發井基坑尺寸為7.94(長)×7.14(寬)×10.05 m(深)，接收井基坑尺寸為7.54(長)×寬6.94(寬)×10.05 m(高)。均采用拉森(Ⅳ型)鋼板樁支護，樁長15 m，鋼板樁斷面尺寸400×170×15.5 mm。始發和接收豎井基坑深度10.05 m，內部支撐設置3層，圍檁采用雙拼 40型鋼，支撐材料采用?609厚度16 mm鋼管撐，支撐預加軸力。

5 圍護結構受力驗算

5.1 驗算參數

(1)基坑等級及支護措施

根據基坑深度及安全要求，支護安全等級為二級，支護結構重要性系數取1.0，荷載組合分項系數取1.25。基坑深度10.05 m，采用15 m長鋼板樁，嵌固深度4.65 m。鋼板樁截面面積242.5 cm2，每延米慣性矩I＝38 600 cm4，每延米抗彎模量W＝2 270 cm3，地面荷載 20 kPa。

(2)土層參數

圍護結構深度范圍內土質分9層，包括雜填土、粉土、黏性土等，地下水位深度1.0 m。土層參數見表1。

表1 土層參數

(3)支護參數

圍檁采用雙拼 45型鋼，內支撐采用?606厚度16 mm鋼支撐。第一層支撐距離地面1 m，第二層支撐豎向間距3.5 m，第三層支撐豎向間距3.5 m，距離基坑底2.05 m。驗算支撐力時支撐水平間距均暫按1 m取值。

(4)工況信息

基坑開挖分三層進行，開挖至支撐底以下0.5 m處架設支撐，支撐架設完成后施加預加軸力，然后繼續開挖下一層，共分7步。施工工況信息見表2。

表2 工況信息

5.2 不預加軸力時支反力及變形

經計算，第一層支撐最大軸力73.85 kN，第二層支撐最大軸力177.59 kN，第三層支撐最大軸力173.7 kN。不預加軸力時各工況支撐軸力值見表3。

表3 不預加軸力時支撐軸力值統計 kN

基坑圍護結構位移包絡圖如圖1所示。

基坑外側地面沉降量如圖2所示。

5.3 預加軸力時支反力及變形

(1)支撐預加軸力方案

為研究支撐預加軸力對基坑變形和地表變形的影響，擬定幾種預加軸力值對比分析基坑支護效果。方案一為不預加軸力狀態，統計每道支撐的最大軸力，依次作為每道支撐軸力標準值N。方案二～方案八對每層支撐預加軸力，預加軸力值以方案一中各層支撐最大軸力N為基數，分別對每層支撐預加50%N、55%N、60%N、65%N、70%N、75%N、80%N軸力時，分析基坑圍護結構變形規律。各方案具體軸力值見表4。

表4 擬定支撐預加軸力大小

(2)最優預加軸力值區間分析

方案一不預加軸力，以及方案二～方案八預加不同軸力時，各層支撐在開挖架撐期間最大軸力值見圖3，各層支撐最大軸力增加差值見表5。

表5 預加軸力后各層支撐最大軸力遞增量

根據預加軸力值與最終每層支撐最大軸力值進行對比可以分析各層支撐最大軸力隨預加軸力大小的變化規律，即預加軸力值為50%N～70%N之間時，各層支撐最大軸力變化平緩，增加值速率均衡。說明在該區間取支撐預加軸力值時，能有效避免支撐軸力過大，同時對基坑變形抑制效率更高。

(3)第一層支撐最優預加軸力值分析

通過對預加軸力后基坑圍護結構變形可知，開挖至距離地面最近的第一層支撐底及架撐期間基坑變形量較大，該階段預加軸力未發揮作用，各方案效果一致。開挖至第一層支撐底時基坑變形情況見圖4。

通過經驗分析認為，對雜填土層較厚、表層地質軟弱、地下水位較高區域，須注意首層支撐位置距地面深度不宜過大，且要及時架設支撐，同時建議提高首道支撐預加軸力值。按上文分析，取最優區間內接近70%N的較大值。第一層支撐取68%N軸力值(即50 kN)時，預加軸力后基坑變形基本可以抵消。第一層支撐預加軸力后基坑變形見圖5。

(4)第一層以下支撐最優預加軸力值分析

方案二～方案八在50%N～80%N較大區間范圍內取預加軸力值，對比不同預加軸力對基坑變形和坑外地面變形的影響，同時與不預加軸力工況作對比。選取軸力差別較大的方案二(50%N)和方案八(80%N)進行分析，再與不預加軸力的方案一(0%N)進行對比來說明預加軸力對基坑變形和坑外地面變形的控制效果。開挖至基底時，基坑變形及坑外地面沉降量見圖6～圖11。

通過方案二、方案八分別預加50%N、80%N軸力后基坑變形及坑外地面變形對比分析，可以看出在該區間內增加預加軸力對兩者影響都很小，因此預加軸力值控制在50%N～60%N之間即可達到較好效果，不需對第一層以下支撐施加太大的預加軸力值。

通過方案一不預加軸力和方案二預加軸力時基坑變形及坑外地面變形對比分析，可以看出預加軸力后兩者變形明顯減小。在地質條件較差，周邊存在地下管線、市政道路及其他建筑物時，對地面沉降要求較為嚴格的條件下，通過對內支撐預加軸力，對抑制基坑變形和坑外地面變形均能起到較為明顯的效果。

6 結束語

本文以電力頂管工作井基坑支護為例，對比分析了不預加軸力和預加軸力工況對基坑變形的影響[9-12]。通過合理分配不同層內支撐預加軸力值，可明顯減小基坑變形，減小對周邊構筑物的影響。經研究對比，第一層內支撐預加軸力值控制在70%N左右、以下層內支撐預加軸力值控制在50%N～60%N之間更為科學合理。