MJS 高壓旋噴樁在基坑支護工程中的應用研究

鮑春生 BAO Chun-sheng

（中煤長江基礎建設有限公司，南京 210046）

0 引言

隨著我國城市化建設的快速發展，地上土地資源越來越少，建筑施工向地下空間開發的力度不斷加大。在地下空間開發過程中經常會面臨復雜的周邊環境影響，許多施工項目也不可避免的需要在軟土地區建設，同時保護基坑工程相鄰的市政管線、既有房建、古建筑等構筑物的問題也十分的棘手。

MJS 工法具有成樁質量好、成樁直徑大、加固深度大等優點，常被作為基坑施工首選。本文基于中山北路202號地下車庫項目，研究MJS 工法高壓旋噴樁在秦淮河漫灘區深基坑開挖過程中，單排懸壁樁支護和內支撐排樁支護兩種不同支護方式的支護效果，分析基坑開挖過程中樁身位移和彎矩變化以及樁后地表的沉降，以求為今后類似軟土地區的基坑支護工程提供參考和依據。

1 工程概況

1.1 工程簡介

項目位于南京市鼓樓區中山北路202 號，中山北路與新模范馬路交叉口東北象限，項目用地緊鄰江蘇工會大廈、華夏銀行，地塊西側為在建地鐵五號線虹橋站。項目所在地屬長江漫灘地貌單元?？辈焓┕て陂g，場地地形較平坦、開闊，地面高程為8.63-9.56m，最大高差0.93m。該工程基坑開挖深度大，與周邊建（構）筑物距離小，且周邊管線復雜，因此基坑安全等級為一級，支護結構的使用期限為“二年”。

1.2 工程地質條件

勘察揭示，場地表層為素填土，其下為第四系全新統（Q4）淤泥質粉質黏土、粉質黏土和含礫粉質黏土，其底部下伏基巖為侏羅系象山群（J1-2x）泥質砂巖。

1.3 施工步驟

根據現場實際施工情況，基坑開挖分五步進行：①基坑開挖第一層土體至地下-3.0m；②在深度為2m 的位置架設第一道鋼支撐；③基坑開挖第二層土體至地下-6.0m；④在深度為5m 的位置架設第二道鋼支撐；⑤基坑開挖第三層土體至基坑底部-8.00m，不設支撐。

2 ABAQUS 軟件建模

從試樁處選一斷面，運用ABABQUS 有限元軟件對選取的MJS 工法高壓旋噴樁支護結構的受力及變形情況進行計算分析，為簡化計算，建模時做了如下的規定：

①土體的本構關系采用Mohr-Coulomb 模型本構，鋼管內支撐以及MJS 高壓旋噴樁均采用線彈性模型本構。

②內支撐排樁支護模型的計算分析假設為平面應變問題，在土體開挖整個過程當中無視土層的性質變化。整個有限元模擬的過程無視地下水的影響。

③對基坑模型左右兩側施加水平方向的約束，底邊施加水平方向和豎直方向的約束。

④施加過的鋼管內支撐僅僅對后續開挖起作用，即鋼管內支撐作用之前的土體應力已經全部釋放。

⑤基坑施工前為了保證地表位移接近為0，首先要對土體進行地應力平衡，之后將樁體激活。

本工程區域土層地質參數見表1，基坑開挖建模圖見圖1。

圖1 基坑開挖建模圖

表1 土層參數表

3 模擬結果分析

3.1 樁身水平位移

本次模擬中MJS 高壓旋噴樁單排懸壁樁支護由于無鋼管內支撐，所以在分析過程中只需要分析開挖施工步下樁身的水平位移，既施工步1、施工步3、施工步5?；娱_挖過程中兩種支護結構的樁身水平位移變化如圖2 和圖3。

圖2 內支撐排樁支護下樁身水平位移

圖3 單排懸壁樁支護下樁身水平位移

由圖2 可知，內支撐排樁支護下，施工步1 和施工步2 的樁體水平位移隨著樁體深度的增加而下降，這與單排懸壁樁的變形類似。隨著基坑的不斷開挖以及鋼管內支撐的設置，施工步3-施工步5 的樁體水平位移隨著樁體深度的增加呈先增大后減小的趨勢，且施工過程中樁體的最大水平位移的位置逐漸下移，由施工步1 的樁體頂部位置下移至樁體深度14m 處，此時最大水平位移為15.56mm。

由圖3 可知單排懸壁樁支護的樁體的水平位移隨著基坑開挖深度的增加而不斷增大，且增大的速度也越來越快，最大水平位移均發生在樁體頂部。相較于內支撐排樁支護，單排懸壁樁支護的最大水平位移達35.15mm，產生的最大變形接近內支撐排樁的兩倍，因此本基坑工程中采用內支撐排樁支護可以更有效地限制樁體的水平位移，安全度更高。

3.2 樁后地表沉降

與3.1 相同，內支撐排樁需考慮全部施工步的樁后土體沉降量，而單排懸壁樁只需考慮施工步1、3、5 的樁后土體沉降量。

由圖4 可知，內支撐排樁支護下，在施工步1 和施工步2 時樁后地表沉降量隨著距支護樁距離的增加而不斷降低，最大地表沉降量為5.15mm，發生在樁體旁。在施工步3 到施工步7 時，樁后地表沉降量隨著距支護樁距離的增加呈現先增加后降低的趨勢，最大地表沉降量為5.08mm，發生在距離基坑11m 處，且隨著基坑的不斷開挖，產生最大沉降值的位置距離基坑越來越遠，這說明基坑開挖的深度越大，對周圍環境的影響范圍也就越大。

圖4 內支撐排樁支護下樁后地表沉降

由圖5 可知，單排懸壁樁支護下，隨著基坑的不斷開挖，樁后地表沉降量隨著開挖深度的增加也不斷增大，且隨著距支護樁距離的增加呈現出逐漸降低的趨勢。開挖到8m 時，地表沉降量突然增大，達到14.08mm，這說明了此刻土體某些部位可能發生了較大的塑性變形，增加了施工風險。

圖5 單排懸臂樁支護下樁后土體沉降

3.3 樁身彎矩變化

與3.1 相同，內支撐排樁需考慮全部施工步的樁身彎矩變化，而單排懸壁樁只需考慮施工步1、3、5 的樁身彎矩變化。

由圖6 可以看出，施工步1 和施工步2 時樁身承受了較大的負彎矩。當基坑開挖至6m 時，施工步3 的樁身彎矩為正值，最大達到了200.45kN·m，與前兩個施工步相比彎矩值發生了較大變化，這說明基坑開挖深度對于樁身彎矩影響較大。圖6 中還可以看出，各個施工步結束后樁身的最大彎矩值均發生在基坑開挖面的附近。由施工步5 可知樁身彎矩最大值發生在樁體深度為9m 處，最大值為229.45kN·m，樁身由于施加了兩道鋼管內支撐，所以樁身承受的彎矩隨著基坑的開挖，增加幅度比較小，這說明在基坑開挖過程中施加內支撐可以調整樁身受力，控制基坑變形。

圖6 內支撐排樁支護下樁身彎矩變化

由圖7 可以看出，單排懸臂樁支護結構在整個基坑開挖的過程中承受負彎矩作用，樁身彎矩絕對值隨著開挖深度的增加而不斷增大。基坑開挖深度為2m 時，樁身彎矩最大值為-35.12kN·m，發生在樁體深度為7m 處；隨著基坑的開挖，樁身彎矩最大值的位置逐漸沿樁體不斷下移，開挖至8m 時，樁身彎矩最大值達到了-69.58kN·m，發生在樁體深度為19m 處。在本基坑工程中，單排懸壁樁承受的彎矩要小于內支撐排樁支護研究基坑繼續開挖時，內支撐排樁支護由于鋼管內支撐，彎矩增加幅度很小，而單排懸臂樁支護結構樁身承受的彎矩值會急劇增大，開挖至12m 時，樁身承受最大彎矩值達到-680.09kN·m?？梢妴闻艖冶蹣吨ёo結構對開挖深度非常敏感，開挖深度越大，其承受的彎矩值會急劇增大，增加施工風險。

圖7 單排懸壁樁支護下樁身彎矩變化

4 結論

本文運用ABAQUS 有限元分析軟件，基于南京市中山北路202 號地下車庫項目基坑支護工程實際案例，分析MJS 工法高壓旋噴樁兩種不同支護結構下，基坑開挖過程中的支護效果：

①內支撐排樁支護結構在基坑施工過程中，樁身水平位移、樁后地表沉降均小于單排懸壁樁支護。內支撐排樁支護的內支撐可調節樁體受力，隨著基坑開挖，樁身彎矩增加幅度小，而單排懸壁樁支護結構對開挖深度異常敏感，當開挖至一定深度，樁身彎矩會急劇增加，嚴重影響施工安全。

②本基坑工程位于秦淮河漫灘區，屬軟土地區，當基坑開挖超過8m，選用單排懸壁樁支護，土體可能會發生塑性變形，增加施工風險，而內支撐排樁支護可以有效的限制土體變形，宜作為施工首選。單排懸臂樁支護結構僅適用于淺基坑和較好土質基坑。

本文研究結果可為相似地區基坑開挖支護工程提供參考。