復雜地質(zhì)條件下樁支撐體系在綜合管廊深基坑施工中的應(yīng)用

楊洪镅

（山西誠信市政建設(shè)有限公司， 太原 030008）

1 引言

隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，城市中心區(qū)土地資源稀缺，需要在有限的土地面積上充分利用地下空間，使得深基坑工程越來越多，并表現(xiàn)出很強的復雜性和獨特性。通過多項工程實踐研究表明，卸荷狀態(tài)下土體的工程性質(zhì)與加荷狀態(tài)下有很大差異[1,2]。大量的深基坑工程實踐表明，影響基坑安全的因素主要集中在設(shè)計缺陷和施工質(zhì)量等方面。

在山西省太原市晉源東區(qū)綜合管廊十字交叉口深基坑工程實踐中，采用卸荷應(yīng)力路徑下的土體參數(shù)，實測活絡(luò)接頭剛度系數(shù)，進行樁支撐體系設(shè)計計算，施工過程統(tǒng)籌優(yōu)化設(shè)計、土方開挖工況，避免最不利工況出現(xiàn)，并通過現(xiàn)場監(jiān)測，驗證設(shè)計成果和應(yīng)用效果，為綜合管廊及類似深基坑工程的設(shè)計、施工提供借鑒。

2 工程概況

山西省太原市晉源東區(qū)綜合管廊緯三路段長約3.1 km，標準斷面采用5倉形式，分別為污水倉、電力倉、綜合倉、燃氣倉和雨水倉，管廊凈高6.8 m，位于道路下方，道路寬30 m，道路兩側(cè)分布有住宅小區(qū)、學校、民房建筑等。本工程為綜合管廊十字交叉口基坑，該范圍基坑深度12.7 m，基坑南側(cè)為6層住宅樓，磚混結(jié)構(gòu)，筏板基礎(chǔ)，天然地基，基礎(chǔ)埋深6.8 m，基礎(chǔ)邊緣距管廊外墻3.5 m。

3 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

建筑場地位于汾河西岸Ⅰ級階地，該場地地下水埋深1.5～2.0 m。各土層的分布及特征如表1所示。

表1 土層的分布及特征表

4 支護設(shè)計

該基坑開挖范圍土層強度低、壓縮性高、地基承載力低。交叉口西南部6層磚混住宅采用天然地基，抗變形能力弱，且地下水位高。為控制基坑變形，用排樁結(jié)合內(nèi)支撐體系進行基坑支護，止水帷幕采用深層攪拌樁，坑內(nèi)采用管井降水。

4.1 支護設(shè)計方案

排樁采用鋼筋混凝土灌注樁，樁徑900 mm，樁間距1.3 m，嵌固深度13 m，混凝土強度等級C30。基坑內(nèi)側(cè)設(shè)3道支撐。為控制基坑位移，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐，其他為鋼管支撐。（1）鋼筋混凝土支撐為矩形截面800 mm×800 mm，兩端設(shè)八字撐，與冠梁相連。（2）鋼管支撐選用φ609 mm@16 mm、Q235B，支撐間距為4.0 m。通過鋼圍檁與排樁相接。

4.2 支護設(shè)計計算

4.2.1 土工試驗參數(shù)

對于支撐式結(jié)構(gòu)，常將整個結(jié)構(gòu)分解為擋土結(jié)構(gòu)、內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)進行分析。擋土結(jié)構(gòu)采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點法進行分析，內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)按平面結(jié)構(gòu)進行分析[3]。

采用彈性支點法時，作用在支撐結(jié)構(gòu)上的土壓力主要取決于各層土的黏聚力和內(nèi)摩擦角。基坑開挖時，土體卸荷并引起剪切變形，隨變形增大進入主動或被動極限平衡狀態(tài)是一個動態(tài)卸荷的過程，該過程應(yīng)隨開挖深度的增加而逐步產(chǎn)生。土體的力學性質(zhì)受其應(yīng)力數(shù)據(jù)、應(yīng)力路徑影響較大。墻后土體的應(yīng)力路徑接近于減壓的三軸壓縮試驗，此時豎向應(yīng)力為主應(yīng)力σ1，并在試驗過程中保持為常數(shù)。而側(cè)向應(yīng)力σ3逐步減少，直到達到極限應(yīng)力狀態(tài)。

常用的摩爾應(yīng)力圖中，每個試樣三軸壓縮的全過程可用一系列的摩爾圓反映應(yīng)力的變化，剪切破壞面與大主應(yīng)力作用面之間夾角為45°+φ/2，由每個摩爾圓上相應(yīng)位置確定該破壞面上的應(yīng)力狀態(tài)，利用繪圖方法得到常規(guī)三軸壓縮試驗中剪切破壞面的應(yīng)力路徑。按照卸載應(yīng)力路徑，通過室內(nèi)試驗得到現(xiàn)場各土層的參數(shù)見表2。

表2 土層物理力學指標

4.2.2 彈性支點剛度系數(shù)

對水平支撐，當支撐腰梁的撓度忽略不計時，彈性支點剛度系數(shù)kR按下式計算：

式中，λ為支撐不動點調(diào)整系數(shù)，λ=0.5；支撐兩對邊基坑的土性、深度、周邊荷載等條件或開挖時間有差異時，對土壓力較大或先開挖的一側(cè)，取λ=0.5～1.0；αR為支撐松弛系數(shù)，對混凝土支撐和預加軸向壓力的鋼支撐，取αR=1.0；E為支撐材料的彈性模量，kPa；A為支撐截面面積，m2；l0為受壓支撐構(gòu)件的長度，m。

本工程采用φ609 mm@16 mm鋼管支撐，經(jīng)計算kR=374.55 MN/m。

目前，鋼管內(nèi)支撐體系大多數(shù)由多段法蘭連接的鋼管和活絡(luò)接頭組成，活絡(luò)接頭與圍檁相連，另一端通過法蘭盤與鋼管連接?；罱j(luò)端起到施加軸力、傳遞荷載的作用。活絡(luò)接頭是整個鋼管內(nèi)支撐體系的一個重要組成部分，實際工程中活絡(luò)接頭多采用市場租賃形式，當鋼管支撐與活絡(luò)接頭共同作用時，未必能夠達到“等強度、等剛度”。

現(xiàn)場隨機抽取3個活絡(luò)接頭，利用錨樁反力裝置分級加載，利用位移傳感器監(jiān)測變形。彈性變形階段的剛度系數(shù)kR=235～258 MN/m。，設(shè)計計算時取為200 MN/m。

4.3 基坑陽角的處理

基坑陽角是變形控制的不利位置，若在設(shè)計中考慮不周，極易造成整個基坑體系失效。本基坑采取下列措施對陽角處進行處理[4]：（1）支護樁外側(cè)補強加固；（2）在陽角的兩條直角邊分別設(shè)置對撐將其頂牢；（3）設(shè)置鋼筋混凝土拉梁。

4.4 基坑土方開挖順序

本基坑為十字交叉基坑，周邊建筑物距離近，抵抗變形能力差，基坑陽角多，受力復雜，易發(fā)生破壞，為提高基坑工程的安全儲備，控制基坑支護體系的變形，需統(tǒng)籌安排設(shè)計、土方開挖工況，分區(qū)域、分階段實施土方開挖，避免最不利工況的出現(xiàn)。

5 基坑監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)文獻[5]選取適當?shù)幕颖O(jiān)測內(nèi)容，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析基坑開挖過程中基坑變形性狀及基坑開挖過程中南側(cè)住宅樓的變形。選取該基坑監(jiān)測內(nèi)容如下：基坑頂部位移，樁身深層側(cè)向位移，南側(cè)住宅樓沉降、鋼支撐軸力發(fā)展變化情況。

5.1 基坑頂部水平位移

取基坑南側(cè)樁頂水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過基坑頂部水平位移變化可以看出基坑頂部水平位移在5～10 mm，主要是因為基坑頂部為鋼筋混凝土支撐，限制了支護樁頂部位移。

以本施工6層樓樓房北側(cè)及東側(cè)為例，支護樁中布設(shè)有側(cè)斜管，通過測斜儀監(jiān)測支護樁的深層水平位移，見圖1、圖2。

圖1 水平位移-深度關(guān)系曲線（6層樓東側(cè))

從圖1和圖2中可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，樁體水平位移逐漸增大，最大水平位移位置也隨基坑開挖的下降而逐漸下降。樁體水平位移最大值為24.54 mm。

5.2 基坑南側(cè)住宅樓沉降

基坑開挖期間，基坑南側(cè)住宅樓沉降量不斷增加，累沉降量為11.81～21.14 mm。樓房北側(cè)沉降量大于南側(cè)沉降量，樓房東側(cè)沉降量大于西側(cè)沉降量。南北向最大傾斜0.42‰，東西向最大局部傾斜0.18‰。均未超過建筑物容許變形值。

5.3 鋼支撐軸力

在鋼支撐一端布設(shè)軸力計，監(jiān)測軸力的變化。隨著基坑開挖深度加大，支撐軸力均有明顯增長，達到1 650 kN。

圖2 水平位移-深度關(guān)系曲線(6層樓北側(cè))

6 結(jié)論

1）在復雜條件下，在綜合管廊十字交叉基坑工程中采用樁支撐體系，根據(jù)項目實際施工效果和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用樁支撐體系確保了基坑、周邊建筑物及道路的安全，是復雜條件下深大基坑支護的成功應(yīng)用，為類似工程提供指導。

2）采用卸荷應(yīng)力路徑下的土體參數(shù)，符合土體開挖過程中土的實際應(yīng)力狀態(tài)，實測活絡(luò)接頭剛度系數(shù)，符合鋼管支撐體系的實際受力工況，消除鋼支撐的安全隱患。

3）統(tǒng)籌優(yōu)化設(shè)計和土方開挖，避免不利工況出現(xiàn)，確?；庸こ痰闹ёo安全。

本文中的相關(guān)數(shù)據(jù)均來源于綜合管廊施工實時監(jiān)測。