微型樁基坑支護施工技術研究

陳孝賓

(福建星原建設工程發展有限公司)

隨著高層建筑的不斷增多，深基坑施工逐漸向深、難、大的方向發展，基坑周邊環境復雜，施工場地狹窄，傳統的支護結構往往無法滿足安全施工的需要。微型鋼管樁作為一種新式的支護結構，外加預應力錨桿加固，可以在保證基坑穩定的前提下，實現受限施工場地的深基坑施工作業[1]。而且，微型管樁支護結構樁位布置靈活，施工工期短，排土量較小，對周邊環境影響較小[2]，在深基坑施工中的優勢非常明顯。本文結合某科研綜合樓深基坑施工項目，對微型鋼管樁基坑支護技術展開研究，分析支護結構的作用機理，提出施工要求，保證基坑施工安全穩定。

1 項目概況

福州市某科研綜合樓，占地面積為1860m2，地上16層，地下2 層，總高度72.5m。科研綜合樓屬于高層建筑，基坑需要開挖至-9.6m。基坑施工場地四周均存在已有建筑，施工場地狹窄受限，普通的放坡開挖等常規施工方法難以施行。基坑施工采用分層開挖，分層支護的方案，支護結構采用預應力錨桿和微型鋼管樁聯合的方式。工程項目所在區域的地質情況如表1所示。

表1 工程項目所在區域地質情況

2 基坑施工方案

2.1 預應力錨桿和微型鋼管樁聯合支護結構

微型鋼管樁與預應力錨桿聯合支護結構如圖1所示。

圖1 微型鋼管樁支護結構

微型鋼管與預應力錨桿聯合支護結構主要包括冠梁、腰梁、微型鋼管樁、預應力錨桿。由于基坑深度接近10m，采用兩級支護結構。第一層為雙排鋼管樁加預應力錨桿，設置一道腰梁。微型鋼管樁的直徑為0.4m，內置直徑為168mm 的鋼管，鋼管的壁厚為8mm，樁間距為1.6m。錨固桿的水平間距為2m。第一級微型鋼管樁嵌入第二級重疊部分為1.5m。第二層為單排鋼管樁加預應力錨桿，設置兩道腰梁。上下兩級冠梁之間有1m 寬的承臺，承臺與第二級冠梁一體施工。該支護體系協同作用較好，預應力錨桿和微型鋼管樁共同承擔土壓力和彎矩，抵抗基坑變形。

2.2 支護結構的作用機理

預應力錨桿和微型鋼管樁是支護體系的承載結構。預應力錨桿的注漿體凝固后，處于穩定的土體中，土體與注漿體之間有摩阻力，錨桿施加預應力后，會使得錨固桿通過腰梁對鋼管樁產生拉力，限制基坑變形[3]。基坑開挖施工過程中，鋼管樁后的土體壓力與鋼管樁的抗力以及錨固桿的壓力處于平衡中。鋼管樁與錨固桿的作用機理如圖2所示。

圖2 鋼管樁與錨固桿的作用機理

微型鋼管樁受到土體的壓力，會產生變形S1，錨固桿預設拉力，有變形S2。預應力使得微型鋼管樁由擋土側受壓變為擋土側受拉，而且軸向受拉分量增大，水平抗力增大。隨著基坑深度增加，土體壓力增加，微型鋼管樁的變形量S1 增大，將會帶動錨固桿的變形S2 增大，使得錨固桿的軸向拉力增大，二者處于動態平衡中。錨固桿與微型鋼管樁共同作用，協同抵抗土體壓力[4]，阻止土體下滑，提高支護結構的抗傾覆性能。

2.3 施工技術要求

該科研樓的基坑采用預應力錨桿和微型鋼管樁聯合支護結構，施工復雜。項目管理要求安全等級為一級，質量管控要求沉降量不得大于0.2%的基坑深度，水平位移不能大于0.2%的基坑深度，且最大變形量不得大于20mm。支護結構體系必須安全可靠，不能出現局部失穩坍塌，現場施工采取分層開挖，分層支護的作業方案，水泥混凝土達到設計強度的80%才能進行錨固桿的預應力張拉[5]，然后進行下層土體的開挖。基坑施工階段劃分為14個過程，如表2所示。

表2 基坑施工階段劃分

2.3.1微型鋼管樁施工要求

微型鋼管樁的施工主要包括自鉆成孔和壓力注漿2 個工序。直徑為168mm 的鋼管樁以自鉆方式進入土層，本身即可對松散的土體起到壓實作用，增加土體強度。鋼管樁位置的水平偏差需要嚴格控制。鋼管鉆至設計深度時，沿管樁進行注漿作業，漿液的水灰比控制在0.6∶1 左右，漿液滲透到土體的縫隙中，可以改善土體性質，進一步對周邊的土體起到壓實加固作用，再次提升土體強度，樁體和樁間土協同受力。

2.3.2冠梁、腰梁施工要求

冠梁施工時，應先放坡開挖，達到冠梁底部標高，用C30 混凝土噴射厚度為100mm 的底襯[6]。冠梁澆筑時，應采取可靠的圍護措施，清理樁頂的雜物。腰梁的施工與之類似。冠梁或者腰梁達到設計強度后才能進行錨固桿張拉。

2.3.3預應力桿施工

預應力桿的位置偏差應控制在30mm 以內，鉆孔角度誤差控制在5°以內[7]，端部套管的長度誤差應控制在50mm以內。鉆孔完成后，采用水灰比為0.6∶1的漿液進行注漿，漿體強度應大于15MPa。待混凝土達到設計強度的90%時，遵循間隔張拉的原則，進行預應力張拉，張拉應力不得大于設計值的120%。

3 微型樁支護體系變形分析

3.1 變形監測

為了實時掌握基坑施工過程中的變形情況，需要制定監測方案。

3.1.1監測頻率

基坑施工期間，每天觀測一次變形量。基坑開挖完成后的15 天內，仍然按照每天一次的頻率進行觀測變形量。

3.1.2監測項目

微型鋼管樁的豎向位移和水平位移，能夠有效的反映基坑變形，屬于重點監測項目。此外，錨桿的內力可反映支護結構的受力情況，也需要監測。監測項目的控制指標和預警值如表3所示。

表3 監測項目控制指標和預警值

3.1.3監測點位置

對于樁頂的豎向位移和水平位移，以基坑邊線的4處中點為基準，每隔10m 設置一個監測點。對于錨桿內力的監測，僅在基坑邊線的4 處中點處的錨固桿上設置應變片，上層支護結構的腰梁處的錨固桿設置一個應變片，下層支護結構的兩道腰梁處的錨固桿各設置一個應變片。

3.2 監測結果分析

3.2.1微型鋼管樁豎向位移分析

微型鋼管樁豎向位移曲線如圖3所示，Z1～Z4為基坑邊線的4處中點位置。

圖3 微型鋼管樁豎向位移曲線

開挖最上部的素填土時，樁頂的豎向位移波動較大，原因在于開挖初期，土體的卸荷作用非常顯著，外加施加預應力，使得樁頂發生豎向位移。基坑施工的前半段，由于上層的支護結構為雙層微型鋼管樁，所以樁頂的豎向位移量不大。基坑開挖到下層支護結構時，豎向位移快速增大，原因在于下層支護體系為單層鋼管樁結構，在抵抗變形方面，較雙層樁結構要低。整個基坑施工完成后，最大的豎向位移為12.8mm，小于變形控制指標19.2mm，也小于預警值15.4mm，符合設計要求。

3.2.2微型鋼管樁水平位移分析

微型鋼管樁水平位移曲線如圖4所示，H1～H4為基坑邊線的4處中點位置。

圖4 微型鋼管樁水平位移曲線

基坑開挖的最初階段，鋼管樁的水平位移較小，由于監測點附近的挖掘機擾動，出現向土體側的位移。H1監測點位置附近出現堅硬巖塊，在3 月底的時候，進行過小范圍的低烈度爆破，導致附近區域的支護結構發生較大變形量。同樣的，在基坑施工的前半段，由于上層的支護結構為雙層微型鋼管樁，所以樁頂的水平位移量不大。當挖至上層雙排鋼管樁結束的深度時，各處的水平位移均出現快速的躍增。通過激活預應力錨桿，控制土體變形，水平位移出現回彈，并最終趨于穩定。H1 處的水平位移最大值為9.33mm，約為基坑深度的0.1%，小于變形控制指標19.2mm，也小于預警值15.4mm。整個基坑施工過程中，支護體系結構穩定，施工安全可靠。

3.2.3錨桿內力分析

錨桿內力曲線如圖5所示，F1為上層支護結構的腰梁處的應變片數據，F2、F3 分別為下層支護結構的腰梁處的的應變片采集的數據。該應力監測數據選取了最不利的數據，其余監測點處的錨桿內力均小于圖示。

圖5 錨桿內力曲線

由圖5 可知，錨桿內力在整個基坑施工過程中，相對較為平穩。圖中所示，在3 月底的時候，內力曲線出現波動，與H1 監測點的水平位移波動原因一致。F1 處的初始預應力為100kN，F2處的初始預應力為180kN，F3處的初始預應力為300kN，至施工結束，所有錨桿的應力均未超過設計值的110%，預應力錨桿體系安全穩定。

4 結語

結合福州某科研綜合樓項目，對微型樁基坑支護施工技術展開研究，得出以下結論：

⑴預應力錨桿和微型鋼管樁是支護體系的承載結構，二者共同抵抗土壓力和彎矩，阻止土體下滑，維護支護結構的穩定性，保證施工安全；

⑵基坑開挖過程中，對變形進行了監測。數據表明，最大豎向位移為12.8mm，最大水平位移最大值為9.33mm，均小于預警值和控制指標，所有錨桿的應力均未超過設計值的110%，支護體系結構穩定，基坑施工安全可靠。