懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)中幾種控制變形的方法

孫立寶

(浙江有色建設(shè)工程有限公司天津分公司，天津300092)

0 引言

近年來，隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，可提供的建筑空間越來越小，尤其是城市的繁華地帶，更是寸土寸金。相應(yīng)的地下空間開發(fā)利用逐漸加大，尤其是商業(yè)和民建項(xiàng)目，幾乎都有地下室，使基坑工程變得越來越普遍。由于受施工空間和周圍環(huán)境的限制，很多基坑工程無法放坡開挖，必須采取有效的支護(hù)措施進(jìn)行垂直開挖。

有些基坑周邊存在有老舊的建筑物或大量的地下管線，對(duì)基坑開挖變形很敏感。這就對(duì)基坑工程提出了更高的要求，控制基坑的變形變得至關(guān)重要。很多基坑工程又是臨時(shí)工程，建設(shè)單位不愿意投入較大的工程成本，因此如何平衡經(jīng)濟(jì)與安全這對(duì)矛盾，在基坑工程中變得越來越突出。垂直開挖的基坑支護(hù)工程從支撐體系來劃分，可分為有內(nèi)撐的和無內(nèi)撐的2種形式，對(duì)于無內(nèi)撐的支護(hù)體系通常稱為懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)。

1 懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)概述

懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)是基坑工程中常用的設(shè)計(jì)形式，可以簡單地理解為沒有內(nèi)撐的支護(hù)體系，鋼筋混凝土排樁、地下連續(xù)墻、工法樁、鋼板樁、混凝土預(yù)制樁等都可以設(shè)計(jì)成懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)。懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)形式簡單、施工方便、占用空間小、施工周期短，有利于基坑采用大型機(jī)械開挖和主體結(jié)構(gòu)順作施工。由于沒有內(nèi)撐體系，因而造價(jià)相對(duì)低廉。懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)又稱為自立式支護(hù)結(jié)構(gòu)，適用于一般開挖深度不大，工程地質(zhì)條件好，土體有較大的c、φ值，對(duì)變形要求不嚴(yán)格的基坑工程。

懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)也有自身的弱點(diǎn)。由于沒有內(nèi)撐體系，相同的開挖深度位移大、內(nèi)力大、支護(hù)結(jié)構(gòu)需采用更大的插入深度，基坑的變形控制相對(duì)較難。在實(shí)際應(yīng)用中，有些基坑只是局部對(duì)變形要求敏感，或者受到一些自身?xiàng)l件的限制，無法實(shí)施局部內(nèi)撐體系，這類的基坑支護(hù)工程往往需要采取一些輔助措施來減小基坑的局部變形，保證周圍環(huán)境的安全。

2 幾種控制變形的方法

對(duì)于懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)，常用的控制局部變形的措施有雙排樁外拉、錨桿(索)加固、基坑內(nèi)斜撐、坑內(nèi)土加固、預(yù)留反壓土等方法。

2．1 雙排樁外拉

雙排樁支護(hù)是近幾年經(jīng)常采用的一種基坑支護(hù)形式，尤其是對(duì)控制懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)的局部變形作用顯著。雙排樁可以理解為將密集的單排支護(hù)樁的部分樁向后移，并在前排樁頂用冠梁連接，前后排樁之間用連梁連接，發(fā)揮空間組合的整體剛度和空間效應(yīng)，來維持基坑穩(wěn)定、控制變形。雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的布樁形式靈活，主要有之字式、雙三角式、梅花式、并列式(也可稱其為矩形格構(gòu)式)、丁字式、連拱式等(見圖1)，其中以并列式和丁字式較為常用。

圖1 雙排樁的主要布樁形式

2．1．1 雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)

(1)雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)中，前后排樁均分擔(dān)主動(dòng)土壓力，其中前排樁主要起分擔(dān)土壓力的作用，后排樁兼起支擋和拉錨的雙重作用。

(2)懸臂式雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，在復(fù)雜多變的外荷載作用下能自動(dòng)調(diào)整結(jié)構(gòu)本身的內(nèi)力，使之適應(yīng)復(fù)雜而又往往難以預(yù)計(jì)荷載條件。雙排支護(hù)結(jié)構(gòu)能形成空間格構(gòu)，增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性和整體的剛度。

(3)充分利用樁土共同作用的土拱效應(yīng)，改變土體側(cè)壓力分布，增強(qiáng)支護(hù)效果，是代替樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)的一種好的支護(hù)形式。

(4)地下水位較高的軟土地區(qū)采用雙排支護(hù)樁時(shí)，應(yīng)做好擋土止水措施，避免樁間土流失而造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失效。

(5)雙排樁支護(hù)體系缺點(diǎn)是基坑周邊需要一定的水平空間作業(yè)面，當(dāng)?shù)孛嬗薪?構(gòu))筑物或有地下管線在施工范圍內(nèi)時(shí)，雙排樁是無法實(shí)施的。

2．1．2 應(yīng)用實(shí)例

某工程有2層地下室，基坑開挖深度為10.7～12.0 m。由于北、西、南3側(cè)均為開闊地帶，為后期施工預(yù)留地，這3側(cè)均有放坡條件，唯獨(dú)東側(cè)臨既有建筑物，距離為14.7 m，而且是5層磚混結(jié)構(gòu)，對(duì)變形要求嚴(yán)格。該側(cè)如果設(shè)計(jì)為單排灌注樁支護(hù)，經(jīng)驗(yàn)算位移無法滿足要求，為此東側(cè)設(shè)計(jì)成“┗┛”形的懸臂式排樁支護(hù)，“┗┛”形的兩個(gè)轉(zhuǎn)角，采用水平角撐，東側(cè)整個(gè)支護(hù)邊長為161 m，為了控制中間部位的撓曲變形，中間部位采用雙排樁，雙排樁水平總長度為東側(cè)邊長的1/3，前后排間距為4.0 m，布樁形式如圖2。

圖2 雙排樁支護(hù)布樁示意圖

基坑開挖后，經(jīng)監(jiān)測(cè)整個(gè)東側(cè)的基坑位移均在設(shè)計(jì)要求的范圍內(nèi)，對(duì)周圍道路和建筑物沒有產(chǎn)生任何影響，該雙排樁支護(hù)較好地解決了大基坑中局部變形過大的問題。

2．2 錨桿(索)加固

當(dāng)水平施工空間受限或地表淺層埋有管線時(shí)，可采用錨桿(索)加固的方法來控制基坑的變形。土層錨桿(索)是一種埋入土層深處的受拉桿件，它一端與支護(hù)結(jié)構(gòu)相連，另一端錨固在土層中，通常對(duì)其施加預(yù)應(yīng)力，以承受由土壓力、水壓力等所產(chǎn)生的拉力，用以維護(hù)支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，減少基坑變形。

當(dāng)錨桿(索)加固用于控制懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形時(shí)，對(duì)地層是有要求的，錨固段應(yīng)位于粘性土、粉土、砂土、碎石土中。如位于淤泥質(zhì)土層、填土層時(shí)，應(yīng)考慮土的蠕變對(duì)錨桿(索)預(yù)應(yīng)力損失的影響，并應(yīng)根據(jù)蠕變?cè)囼?yàn)確定錨桿(索)的極限抗拔承載力。

當(dāng)錨桿(索)穿過的地層上方存在天然地基的建筑物或地下構(gòu)筑物時(shí)，應(yīng)避開易塌孔、變形的地層。當(dāng)錨桿(索)穿過的地層附近存在既有地下管線、地下構(gòu)筑物時(shí)，應(yīng)在調(diào)查或探明其位置、走向、類型、使用狀況等情況后再進(jìn)行錨桿(索)施工。

某公司從國外引進(jìn)了一臺(tái)新型的鍛壓機(jī)設(shè)備，設(shè)備基礎(chǔ)埋深為－17.0 m，基礎(chǔ)筏板厚度為4.0 m，為該設(shè)備新建的鍛壓車間與原有鍛造車間相連。由于該設(shè)備基礎(chǔ)埋深－17.0 m且緊臨現(xiàn)有鍛造車間，無法采用放坡開挖，只能采用垂直開挖。對(duì)于基坑支護(hù)方案的選擇，考慮到施工的難易程度、整體性、止水效果、后續(xù)生產(chǎn)所產(chǎn)生的震動(dòng)及噪聲的消弭程度，最終選用了地下連續(xù)墻的支護(hù)方案。

該基坑地下連續(xù)墻平面布置呈19.7 m×27.7 m的矩形，周長94.8 m，墻厚800 mm，墻深30.0 m，墻頂設(shè)置冠梁一道。該基坑的最大特點(diǎn)是基坑內(nèi)不能有任何內(nèi)撐措施，因?yàn)榛A(chǔ)底板施工完成后，該鍛壓機(jī)設(shè)備要吊裝入位。經(jīng)過計(jì)算，懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻變形稍大，同時(shí)為了控制以后長期震動(dòng)作用下的持續(xù)變形，在地下連續(xù)墻上加設(shè)了3道預(yù)應(yīng)力錨索，錨索長20.0 m，錨索的錨固端分別位于粉質(zhì)粘土、礫砂、卵石中。從該設(shè)備投產(chǎn)以來的監(jiān)測(cè)情況來看，地下連續(xù)墻的變形非常微小，錨索發(fā)揮了應(yīng)有的作用(見圖3)。

圖3 錨索加固懸臂式支護(hù)

2．3 基坑內(nèi)斜撐

當(dāng)雙排樁水平空間受限無法采用，錨桿(索)施工又沒有好的錨固地層，但局部對(duì)變形要求又比較嚴(yán)格，也可采用坑內(nèi)斜撐的方法來控制變形?？觾?nèi)斜撐的設(shè)置宜采用鋼管支撐，一端架在懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)上，在懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)上宜設(shè)置橫向腰梁，另一端可支在基礎(chǔ)工程樁上。對(duì)于基礎(chǔ)工程樁所能承受的剪力應(yīng)進(jìn)行事先的驗(yàn)算，如不能滿足要求，可另行單獨(dú)設(shè)計(jì)支撐樁。

基坑開挖時(shí)應(yīng)先預(yù)留支護(hù)結(jié)構(gòu)附近的土體，然后施工斜撐。在施工斜撐之前一定要把支撐樁周邊的基礎(chǔ)墊層打上，以防止支撐樁產(chǎn)生水平位移。待斜撐施工完成后，再將支護(hù)結(jié)構(gòu)前的被動(dòng)土挖走，進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工。在綁筋時(shí)可將支撐鋼管一并綁在鋼筋中，在進(jìn)行側(cè)墻混凝土施工時(shí)，可把支撐鋼管澆筑在側(cè)墻里面，待整個(gè)地下室施工完成后，再將支撐鋼管割除，然后對(duì)支撐鋼管留下的孔洞進(jìn)行止水封堵。

某基坑工程主體為5棟10～11層的中高層住宅樓，主樓有一半地下室，沿主樓的東側(cè)為一長條形的地下車庫，地下車庫為2層，車庫負(fù)一層與主樓電梯間相通。車庫基礎(chǔ)埋深為－7.5 m，與地下車庫相連的主樓基礎(chǔ)埋深為－2.4 m，地面標(biāo)高為－1.0 m，地下車庫開挖深度為6.5 m，主樓開挖深度為1.4 m，二者有5.1 m的高差。由于施工場(chǎng)地狹小，地下車庫外墻邊即為用地界線，因此基坑只能垂直開挖，為此設(shè)計(jì)采用水泥攪拌樁格構(gòu)式擋墻作基坑支護(hù)。

由于建設(shè)單位著急售房，在地下車庫的圍護(hù)樁施工完后就對(duì)主樓進(jìn)行了基坑開挖，施工與車庫相鄰的主樓主體，直至施工到地上二層，才進(jìn)行車庫的基坑開挖，造成主樓與車庫基坑的高差增大了7.4 m，這與原先設(shè)計(jì)的工況相差甚遠(yuǎn)，對(duì)于主樓下的懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)如不采取加固措施將會(huì)產(chǎn)生較大變形，甚至有垮塌的可能。

經(jīng)計(jì)算和論證，最后采用了坑內(nèi)斜撐的方法來加固懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)，減少支護(hù)體系的水平位移，斜撐采用200 mm的鋼管，鋼管支撐支在地下車庫的抗拔樁上，另一端支在懸臂結(jié)構(gòu)的橫向腰梁上。最后將支撐鋼管澆筑在地下室的側(cè)墻內(nèi)，待地下室全部完成后再將鋼管割除(見圖4)。

圖4 基坑內(nèi)鋼管斜撐

2．4 基坑內(nèi)土加固

大量的工程實(shí)踐證明，被動(dòng)區(qū)土體的加固可以改善土體的物理力學(xué)指標(biāo)，不僅能夠減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形和結(jié)構(gòu)外的地面沉降，而且可以增強(qiáng)坑底抗隆起變形的能力，防止被動(dòng)區(qū)土體的破壞，特別是在軟土地區(qū)，被動(dòng)土加固是常用控制基坑變形的方法。

被動(dòng)土的加固方法可以采用水泥攪拌法或高壓旋噴法，加固后的水泥土抗剪強(qiáng)度隨抗壓強(qiáng)度的增加而提高。當(dāng)fcu=0.3～4.0 MPa時(shí)，其粘聚力c的值為fcu的20% ～30%，其內(nèi)摩擦角在20°～30°之間變化。如果采用m法計(jì)算基坑的位移時(shí)，可適當(dāng)提高加固土的水平抗力比例系數(shù)m的值。

軟土地區(qū)坑內(nèi)的土體加固能有效地減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)的側(cè)向位移，通過彈性地基梁法分析坑內(nèi)土體的加固深度及程度對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響，可以看出加固土體的深度和加固程度均有一個(gè)臨界值，當(dāng)超過臨界值后，土體加固發(fā)揮的作用不明顯，因此應(yīng)當(dāng)合理確定土體加固的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，避免工程浪費(fèi)，既要達(dá)到控制基坑變形的目的，又要節(jié)省造價(jià)。目前常用的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)軟件可以自動(dòng)計(jì)算坑內(nèi)加固土的寬度和厚度及加固后的力學(xué)參數(shù)。

某工程合圍區(qū)域內(nèi)均有1層地下車庫，東側(cè)及南側(cè)放坡開挖，西側(cè)距原有2棟6層磚混住宅樓較近，最近處約為11.1 m，距規(guī)劃用地界線最近處為2.2 m。場(chǎng)地西側(cè)在規(guī)劃用地界線內(nèi)只能采用單排樁懸臂支護(hù)，北側(cè)距現(xiàn)有5層建筑物最近處約12.0 m，采用格構(gòu)式水泥土重力式擋墻支護(hù)。整個(gè)基坑長140 m，寬90 m，東側(cè)、南側(cè)放坡開挖，西側(cè)采用懸臂式排樁支護(hù)，北側(cè)采用重力式水泥土擋墻。西側(cè)由于受用地界線的限制，只能采用單排灌注樁加止水帷幕的支護(hù)方式，經(jīng)計(jì)算最大水平位移為42.8 mm，考慮到相鄰的2棟6層既有建筑物為老式住宅樓，建成有30余年歷史，為天然地基淺基礎(chǔ)，對(duì)基坑變形比較敏感。整個(gè)基坑不具備內(nèi)撐的條件，如果一味地加大支護(hù)樁的插入深度，勢(shì)必造成造價(jià)大幅上升，且所得到的改善效果收效甚微。經(jīng)論證后做坑內(nèi)土加固，坑內(nèi)土加固寬度2.5 m，深度5.0 m，采用水泥攪拌法(見圖5)。經(jīng)計(jì)算加固后最大水平位移為15.8 mm，完全滿足規(guī)范要求，且造價(jià)增加有限?？梢娍觾?nèi)土加固對(duì)控制基坑的局部變形性價(jià)比還是很高的。該基坑開挖后經(jīng)實(shí)際監(jiān)測(cè)，位移僅12.0 mm，在規(guī)范允許的范圍內(nèi)(規(guī)范最大位移為40.0 mm)。周邊2棟住宅樓的沉降變形只有幾個(gè)毫米，基坑開挖對(duì)其產(chǎn)生的影響微乎其微。

2．5 坑內(nèi)預(yù)留反壓土

圖5 坑內(nèi)加固土方案圖

在懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常需要采取各種措施以提高被動(dòng)區(qū)土的水平抗力，從而減少基坑的變形。目前，預(yù)留反壓土也是常用的方法之一。在條件允許的情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮坑內(nèi)預(yù)留反壓土的施工方法，以增強(qiáng)坑內(nèi)土體對(duì)擋土結(jié)構(gòu)的支撐作用。由于反壓土具有重力作用，因此坑底土體承受的豎向壓力不但包括自重，還包括上部土體傳遞來的反壓土重力。根據(jù)Rankine土壓力理論，并參照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)中關(guān)于對(duì)基坑外側(cè)附加荷載的相關(guān)計(jì)算規(guī)定，可以看出豎向壓力的增大必然使土體提供更大的被動(dòng)土壓力，從而加大坑底土體對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平抗力，進(jìn)一步強(qiáng)化基坑土體對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固作用。

預(yù)留反壓土不但可以省去水平支撐，減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、位移，而且可以減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的嵌固深度。特別是對(duì)于大型基坑，反壓土應(yīng)作為增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)體系的首選方案，采用預(yù)留反壓土的方法具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。另外，作為搶險(xiǎn)應(yīng)急手段的一種，反壓土還經(jīng)常被用于處理基坑事故。反壓土的土質(zhì)條件對(duì)反壓土作用的發(fā)揮有著顯著影響，因此在開挖前應(yīng)進(jìn)行良好的基坑降水，開挖過程中注意不要擾動(dòng)反壓土，并對(duì)反壓土進(jìn)行護(hù)坡，防止雨水侵入土坡，這些措施均有助于保證反壓土作用的充分發(fā)揮，必要時(shí)也可考慮對(duì)反壓土進(jìn)行注漿加固。

預(yù)留反壓土有2種情況，一種是坑內(nèi)有空間的可以留置永久反壓土;另一種是坑內(nèi)沒有空間，預(yù)留的反壓土最后還是要被清走，這也正是反壓土的弊端，主體結(jié)構(gòu)有時(shí)不能一次完成，需要二次施工。一般反壓土須預(yù)留在坑底邊緣，當(dāng)基坑中間部位施工完畢后，以中間的主體結(jié)構(gòu)作為支撐點(diǎn)，將懸臂式結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)撐，然后卸走反壓土，再施工預(yù)留反壓土的區(qū)域。

某基坑平面尺寸260 m×120 m，大面積開挖深度為7.8 m，局部開挖深度為9.0 m。基坑四周均臨道路，其東側(cè)鄰天津地鐵一號(hào)線區(qū)間隧道，隧道側(cè)墻距擬建地下室外墻24.0 m左右。工程實(shí)踐表明，在天津地區(qū)采用單排樁懸臂式支護(hù)的開挖深度一般不超過6.0 m，但支護(hù)樁樁頂水平位移可達(dá)10 cm以上。對(duì)于本工程來說，大面積開挖深度達(dá)7.8 m，基坑平面尺寸又很大，采用內(nèi)支撐方案造價(jià)將會(huì)非常高，同時(shí)架設(shè)水平支撐又因工期限制而不允許。采用外圍設(shè)止水帷幕、帷幕內(nèi)放坡開挖的方案周邊條件不允許。綜合考慮各種因素，為了解決懸臂支護(hù)基坑變形過大的問題，對(duì)開挖深度為7.8 m的部位，采用600 mm單排灌注樁加預(yù)留反壓土的支護(hù)方案，排樁外設(shè)水泥攪拌樁止水帷幕。排樁支護(hù)的懸臂高度為3.2 m，反壓土頂寬為1.0 m，高度為4.6 m，底寬為5.0 m。對(duì)開挖深度9.0 m處，采用雙排樁懸臂式支護(hù)加止水帷幕的設(shè)計(jì)方案。

基坑開挖后經(jīng)實(shí)測(cè)，預(yù)留反壓土部位懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)的最大水平位移為6.1 cm，在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明均處于安全狀態(tài)。由此可見，懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)的基坑中在條件允許的情況下，預(yù)留反壓土的做法可以有效減小基坑的變形，控制支護(hù)結(jié)構(gòu)的位移，降低支護(hù)工程的造價(jià)。

3 結(jié)語

控制懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)局部變形的常用措施有雙排樁外拉、錨桿(索)加固、基坑內(nèi)斜撐、坑內(nèi)土加固、預(yù)留反壓土等多種方法。在懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可根據(jù)工程地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、基坑的形狀與尺寸、施工作業(yè)空間的大小、主體施工方案、施工季節(jié)變化等各項(xiàng)因素，選擇前述的一種或幾種方法來滿足基坑局部對(duì)變形的要求，從而發(fā)揮懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，保證周圍環(huán)境的安全，使基坑工程既安全可靠，又經(jīng)濟(jì)合理、方便施工。

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