高壓旋噴樁內插鋼管在基坑支護中的穩定性計算及應用

鄒劍斌

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

進入21世紀以來，我國高度重視水利高質量發展，不斷創新改革，水利工程建設不僅要達到傳統水利的功能性要求，還要滿足現代化城市建設的景觀需求，因此越來越多的水利工程則由郊區轉向城市。在城市中建設水利工程，特別是在老城區，待建建筑的四周可能都已建好，這就要求待建建筑在施工過程中需減少對周圍建筑的擾動、保證施工過程中不造成周邊建筑物發生沉降開裂、保證周圍居民的正常生活，同時還要考慮工程能節約建設成本、縮短工期。針對城市人口密集、用地緊張、征拆困難等問題，城市水利工程基坑支護又成為了一個新的研究課題[1]；而基坑支護工程涉及對土體的開挖卸載，對周圍環境容易造成擾動，若支護方案不適宜或施工不當，一旦發生基坑坍塌和邊坡滑移，會造成巨大生命財產損失和工期延長[2]。因此，基坑支護是當前城市水利工程建設中的重點、難點。

本文以龍舌埔廣場水景壩建設工程的基坑為例，依據地域環境、水文地質等特點，對該工程的基坑支護方案進行分析比較，選取了高壓旋噴樁內插鋼管的支護方式，應用理正深基坑結構計算軟件，進行基坑穩定性計算，將計算結果與現場基坑監測數據進行對比，分析其支護效果，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程概況和地理位置

龍舌埔廣場水景壩位于汕尾市海豐縣境內，主要功能為抬高水位，保證河道的常水位，打造景觀效果。擬建的水景壩位于澎湃故居對面龍舌埔廣場上游處，左岸瀕臨龍舌埔廣場，有寬闊場地可放坡開挖；右岸緊挨龍津西二路河堤和沿河建筑物，建筑物主要為5 層、6 層住宅樓（框架或磚砼結構，基礎埋深和地基處理不詳），基坑頂線離住宅樓約8.0 m～9.8 m，無條件放坡開挖，需對右岸進行基坑支護。項目地理位置及基坑支護示意圖,見圖1。

圖1 項目地理位置及基坑支護示意圖

1.2 工程地質

根據工程地質勘探資料，右岸龍津西二路場地自上而下土層依次為：②-1 淤泥、淤泥質土，流塑～軟塑狀，分布厚度0.4 m～3.1 m，地基承載力建議值為fak=50 kPa；②-4 砂卵礫石，中密狀，分布厚度3.0 m～4.4 m，地基承載力建議值為fak=300 kPa；③-1 全風化粉砂巖，地基承載力建議值為fak=300 kPa，分布厚度12 m～15 m，可作為樁基礎樁端持力層。場地土質分布不均勻，上層為軟弱層，土的力學性能差，主要物理力學指標見表1。

表1 各巖土層物理力學參數建議值

2 基坑支護設計

2.1 基坑支護方案選擇

在選擇基坑支護方案時，需考慮基坑深度、地質情況及地下水條件、基坑周邊環境對基坑變形的承受能力及支護結構失效的后果。

本工程經現場勘察，擬建的水景壩右岸緊挨龍津西二路河堤，河堤為懸臂式擋土墻，路面寬平均約10 m，根據水景壩結構布置，需破壞河堤及路面寬2.5 m，基坑頂線距離路邊兩棟住宅樓8.0 m～9.8 m。基坑最大開挖深度為5.52 m，根據廣東省《建筑基坑工程技術規程》（DBJ/T 15-20-2016），水景壩基坑屬于二級基坑；若基坑直接采用放坡開挖方式，由于作業面限制，坡比不能滿足基坑穩定要求，且可能會對周邊建筑物造成不利影響，故需采用支護開挖的方式。結合地質資料及工程自身的特點進行具體分析，選擇了高壓旋噴樁內插鋼管的支護方案，主要從以下幾點考慮：

（1）龍舌埔廣場水景壩建設為河道水環境綜合整治工程其中一子項，工程投資有限，無條件選擇投資較大的基坑支護方案，需要綜合考慮基坑支護方案的安全性和經濟性。

（2）基坑頂線距離現狀建筑最近僅為8.0 m，且為5 層住宅樓，如何盡可能減少對周圍建筑的擾動的施工方法是支護方案的關鍵。若采用廣東地區常見的鉆孔灌注樁加支撐的方式，一則緊挨住宅居民區，場地空間有限，泥漿池無法布置，容易產生泥漿污染，二則由于地基有砂層和巖層，灌注樁只能選擇沖孔或沖擊鉆的施工方法，該施工方法對周邊擾動較大，施工過程中容易發生不穩定因素；若采用鋼板樁加支撐的方式，由于基坑較深，鋼板樁容易發生變形，樁間易形成滲漏通道；而采用高壓旋噴樁的支護結構，該結構構造簡單、施工速度快、施工機械小、占地少、造價低，能有效的地減少對周圍建筑的擾動、基本無泥漿污染，同時在旋噴樁中插入鋼管，可以增加支護結構的承載力（抗彎和抗剪強度）。

（3）水景壩地基有較厚砂層，具強透水性，如何做好防滲帷幕是支護方案的重要指標之一。若采用灌注樁，由于最小樁徑和施工機械的因素，灌注樁需采用咬合式或樁之間加素砼樁才能達到止水封閉的效果，這樣會增加灌注樁的數量，從而增大投資及影響工期；若采用水泥土重力式圍護墻，水泥攪拌樁成樁質量較不穩定，強度及質量難以保證；高壓旋噴樁是以高壓旋轉的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合，形成連續搭接的水泥加固體，根據以往本地工程經驗，成樁質量較好，止水效果好，是工程中做為防滲帷幕的常用樁型。

通過以上三點具體分析比較，本工程最終采用高壓旋噴樁內插鋼管的支護方案。

2.2 基坑支護布置

根據水景壩結構布置，基坑支護長45 m，基坑最大深度為5.52 m，對水景壩右岸采用高壓旋噴樁內插鋼管+冠梁進行支護。

高壓旋噴樁為雙重樁，管徑為φ500 mm，樁縱橫間距為@350 mm，樁長12 m，入基巖5.8 m；內插鋼管規格為圓形φ100 mm，采用雙排跳一型布置，鋼管中心間距為@1050，內插鋼管主要是與旋噴樁結合成一整體，從而增加支護結構的抗彎和抗剪強度，以滿足穩定要求；樁頂冠梁采用C30 砼澆筑，尺寸為500 mm×1000 mm，鋼筋保護層厚度為50 mm。基坑支護平面布置及大樣見圖2～圖3，基坑支護斷面示意見圖4。

圖2 基坑支護平面布置

圖3 基坑支護平面大樣

圖4 基坑支護斷面示意圖

2.3 高壓旋噴樁成樁可行性分析

以往實際工程表明，高壓旋噴樁在松散、軟弱土層中成樁效果較好，在堅硬土層、含大直徑塊石中成樁效果較差。針對砂卵礫石層地層粒徑大不易攪動、且屬含水層，漿液易流失等特點，本工程采用以下措施，保證成樁效果。首先，在水泥漿液中添加一定數量的膨潤土，以提高水泥漿液懸浮能力。其次，降低鉆桿提升速度，增加漿液噴射流量，通過試驗選取合適的提升速度，以保證成樁效果。鉆孔取芯表明，芯柱連續、較完整，表面氣泡較少，攪拌較為均勻，經檢測，抗壓強度滿足設計要求。

3 基坑支護穩定計算及分析

本工程屬于支擋式結構，可采用彈性支點法進行支護結構的受力變形分析和穩定分析，在穩定分析時，主要分析支護結構的位移分析、抗傾覆穩定性及整體穩定性。計算高壓旋噴樁內插鋼管支護結構時，參照《廣東省建筑基坑工程技術規程》（DBJ/T 15-20-2016）第12.2.6 條的等效剛度轉換原理，將鋼管的彈性模量折算給相鄰的砼，等效成厚度為h 的地下連續墻進行計算，計算公式如下：

式中：E 為地下連續墻彈性模量，kN/m2；I 為地下連續墻慣性矩，m；E1為原砼彈性模量，kN/m2；I1為原砼慣性矩，m；E2為鋼管彈模，kN/m2；I2為鋼管慣性矩，m；S 為鋼管截面面積，m2。

按公式計算：

根據計算結果，應用理正深基坑結構軟件計算0.4 m 厚鋼筋砼地下連續墻的支護穩定，通過計算，本工程支護結構整體穩定安全系數 Ks= 1.85＞[1.30]，抗傾覆穩定安全系數Kt=1.93＞[1.30]。支護結構最大水位位移為13.58 mm，水平位移滿足《廣東省建筑基坑工程技術規程》（DBJ/T 15-20-2016）規范表3.2.1 規定的“水平位移控制值取45 mm～50 mm且不大于0.004 倍基坑深度”要求。

計算土層物理力學參數取值見表2，基坑支護位移示意見圖5。

表2 計算土層物理力學參數取值

圖5 基坑支護位移示意圖

4 基坑監測

本工程屬于二級基坑，根據《建筑基坑工程監測技術標準》（GB 50497-2019）施工期應對基坑變形進行監測，包括水平位移和垂直位移。基坑開挖時通過預埋測斜管及觀測鐵釘進行位移監測，一共布置3 個位移監測點。

根據基坑開挖過程中的監測成果，從2021年12月23日至2022年3月26日，共監測了16 次，坑頂最大水平位移為10.50 mm，與理正計算結果基本一致，小于規范允許值。監測數據見圖6。

圖6 水平位移監測數據

5 結語

本文以海豐縣龍舌埔廣場水景壩建設工程的基坑支護結構為例，依據地域環境、水文地質等，對支護結構在技術可行性、周邊影響性及經濟合理性等方面進行比較，選取了高壓旋噴樁內插鋼管的支護方案，通過計算分析，并結合觀測和實際施工反饋，可以得到以下結論：

（1）高壓旋噴樁內插鋼管在本工程應用成功，對周圍環境影響較小，基坑穩定性和基坑變形滿足規范要求，保證了基坑附近建筑的安全。

（2）施工靈活和進度快，不受場地限制，且未產生泥漿污染和擾民噪音，保證了周圍居民的正常生活，在城市中條件比較受限的場地施工是可行的。

（3）高壓旋噴樁內插鋼管形成了一個良好的阻水層，止水效果好。

（4）本工程目前已施工完成，經過工程檢驗，達到了預期效果，可供類似工程參考。