雙排樁結(jié)構(gòu)在有限空間的基坑支護中實施對策研究

黃書葵

深圳市赤灣商業(yè)發(fā)展有限公司 廣東 深圳 518000

21世紀后進行大規(guī)模高層建筑建設(shè)，使得巖土工程快速發(fā)展。由于城市人口密度加大，迫切需要合理開發(fā)地下空間。目前各大城市興建各類地下商場等，工程建設(shè)會遇到深基坑設(shè)計問題。隨著超高層建筑的建設(shè)，基坑規(guī)模向更大面積方向發(fā)展。我國開始在深基坑中使用雙排樁支護結(jié)構(gòu)，雙排樁支護結(jié)構(gòu)是將密集的單排懸臂樁中部分樁向后移，沿深基坑長度方向形成類似門架空間結(jié)構(gòu)體系，發(fā)揮空間組合樁的整體剛度效應(yīng)。支檔因開挖引起不平衡力，達到控制變形的目的。具有整體剛度大、不需加設(shè)內(nèi)支撐、施工便捷等特點，適用于基坑空間較大的工程項目。

1.基坑工程概述

建筑工程發(fā)展隨著科技的進步不斷發(fā)展，在建筑形式上趨于復(fù)雜化，表現(xiàn)為城市高層建筑大量興起、地下鐵路增多、建筑集中于人口密度較大的市中心，在基坑平面外無足夠空間保證工程放坡[1]。因此建筑工程需要設(shè)計大規(guī)模支護系統(tǒng)，工程中普遍采用的支護結(jié)構(gòu)為深基坑支護結(jié)構(gòu)。深基坑支護工程涉及工程結(jié)構(gòu)與巖土力學(xué)等方面課題，針對基坑工程地區(qū)特點較強、施工技術(shù)較嚴的特點，施工中應(yīng)確保做到安全可靠。

基坑工程是具有時代特點的巖土工程課題，涉及土力學(xué)中典型的強度和穩(wěn)定問題，人類土木工程頻繁活動促進基坑工程的發(fā)展。隨著西方國家大量高層建筑的大量涌現(xiàn)，對基坑工程要求不斷提高，迫使工程技術(shù)人員從新的角度審視基坑工程課題，使得許多新的理論方法得以出現(xiàn)。二戰(zhàn)后歐美發(fā)達國家在工業(yè)化進程推動下，為修建城市地鐵出現(xiàn)大量基坑工程。世界各國學(xué)者投入研究[2]。我國基坑工程起步較晚，改革開放初期高層建筑不斷涌現(xiàn)，基坑開挖深度不斷增加，多數(shù)城市進入舊城改造階段，深基坑開挖為基坑工程課題注入了新的內(nèi)容。

由于基坑工程復(fù)雜性，基坑工程發(fā)生事故概率很高。許多支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力高于設(shè)計值，很多工程發(fā)生事故，主要對支護結(jié)構(gòu)與地基相互作用問題認識不夠。要求用完善的理論解決基坑支護工程中的問題，任何工程方面的課題發(fā)展是理論與實踐結(jié)合促進的成果?；庸こ坛霈F(xiàn)新的支護形式會帶動新的分析方法產(chǎn)生。放坡開挖可追溯至遠古時代，隨著開挖深度增加，產(chǎn)生支護開挖。支護型式的發(fā)展有很多種，最早的基坑支護方法是放坡開挖，隨后發(fā)展輕型支檔結(jié)構(gòu)，如錨桿支護、地下連續(xù)墻等多種支護型式。放坡開挖土方量大，很多建筑基坑采用放坡開挖[3]。支護結(jié)構(gòu)原材料常用的有鋼混樁，通過加固改良周圍土地方法的水泥土擋墻等。鋼混樁分為鉆孔灌注樁、預(yù)制樁等。

2.雙排樁支護結(jié)構(gòu)簡介

懸臂支護結(jié)構(gòu)是基坑支護常見的形式。常用的有板樁墻等，將板樁墻等間隔排列形成擋土結(jié)構(gòu)，嵌入土體部分提供抗力平衡基坑側(cè)壁對支護結(jié)構(gòu)施加的壓力。由于施工簡單，從經(jīng)濟性、作業(yè)性方面分析為較好的支護結(jié)構(gòu)類型。適用于軟土地區(qū)基坑深度不大于5m，地下水位較深地區(qū)基坑深度不大于10m。由于樁頂水平位移，隨著基坑開挖深度增加，解決問題方法是對懸臂樁墻加設(shè)支撐，雙排樁支護是有效技術(shù)手段。

雙排樁支護結(jié)構(gòu)是空間組合懸臂支護結(jié)構(gòu)，在深基坑工程中得到廣泛應(yīng)用。將密集的單排懸臂樁中間部分樁后移，形成雙排支護空間結(jié)構(gòu)體系。適用于基坑側(cè)壁安全一、二、三等級，位移較小可用于深基坑[4]。雙排樁支護結(jié)構(gòu)體系在基坑工程中應(yīng)用始于80年代末，目前已有不少計算模型，主要根據(jù)經(jīng)典土壓力理論確定壓力計算模型，用平面有限元法計算模型，雙排樁支護結(jié)構(gòu)體系研究體現(xiàn)在工程上的優(yōu)越性。目前工程中常用的分析方法是運用極限平衡法，由于有些假定條件不符合實際，其缺點逐漸暴露。土抗力法復(fù)雜度居中，目前技術(shù)規(guī)程推薦M法，考慮支護結(jié)構(gòu)與土體相互作用的影響，理論上比極限平衡法更合理。缺點是無法考慮土體本構(gòu)特性。

雙排樁支護結(jié)構(gòu)體系為懸臂類空間組合支護，支護樁按需要采用不同的排列組合，前后排有連梁拉接，發(fā)揮空間組合樁整體剛度，支檔因開挖引起不平衡力，達到控制變形與相鄰 環(huán)境安全的目的。雙排支護結(jié)構(gòu)是在樁頂用剛性連系梁把前后排樁連接的空間支護結(jié)構(gòu)，雙排樁支護結(jié)構(gòu)體系特點體現(xiàn)在前后排樁分擔主動土壓力，后排樁兼起支檔作用；充分利用樁土作用土拱效應(yīng)，增強支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。雙排樁支護結(jié)構(gòu)體系缺點是設(shè)計計算方法不夠成熟，基坑周邊需要一定空間。

3.雙排樁支護結(jié)構(gòu)在基坑中的應(yīng)用

3.1 工程概況

擬建某汽車客運站位于主城區(qū)，工程占地面積約50000㎡，基坑約280×130m，局部為六層賓館，結(jié)構(gòu)采用框架結(jié)構(gòu)，基坑局部開挖深度約14m。周邊環(huán)境復(fù)雜，南側(cè)為某軌道交通線。工程主體設(shè)計單位要求項目基坑圍護定為永久性支護，基坑安全等級為一級。場地第四系地層厚度不大，地基主要以粘性土為主，地形地貌復(fù)雜，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，勘察期間地下水位埋深1.65-6m,區(qū)段存在不良地質(zhì)作用，基坑底標高約3-10m。

圖1 工程位置圖

3.2 基坑支護方案

由于基坑開挖面積較大，對地面變形有嚴格支護要求，綜合考慮道路及土層組合等條件，避免基坑開挖對地下管線及相鄰軌道交通的影響非常重要?；哟竺娣e采用排樁加內(nèi)支撐支護形式造價高，影響施工進度，難以保證安全性。采用錨樁支護錨桿施工對臨近城軌線有影響。經(jīng)多方案對比采用混合支護結(jié)構(gòu)形式[5]。西北側(cè)BE段采用單排樁+錨索支護形式，采用鉆孔灌注樁進行支護，樁間采用φ500@1400旋噴樁止水，錨索采用7φ5/束預(yù)應(yīng)力鋼絞線。東北側(cè)FG段基坑開挖深度為10.45m,前后排樁采用φ1200@1400鉆孔灌注樁19.0m，連梁厚600mm，前后排樁間采用φ500@1400高壓旋噴水泥土樁止水。在排樁間部分區(qū)段加設(shè)高壓旋噴樁加固。

基坑開挖深度較大，基坑西側(cè)有規(guī)劃建設(shè)地鐵線限制范圍，三面支護特殊場地條件使得基坑設(shè)計條件復(fù)雜。項目主體設(shè)計單位要求地下室不能承擔基坑側(cè)壁回填土傳遞土壓力。南側(cè)AM緊鄰火車站，基坑設(shè)計受環(huán)境限制，MA基坑段開挖深度為10.45m,前后排樁采用φ1200@1400鉆孔灌注樁19m,連梁厚500m，前后排樁間采用φ700@1400旋噴水泥土樁止水，后排樁長為18m,坑內(nèi)側(cè)加設(shè)高壓旋噴樁加固。

雙排樁結(jié)構(gòu)設(shè)計計算復(fù)雜，土壓力難以確定，雙排樁門架式支護結(jié)構(gòu)需要考慮前后排樁整體抗力性能，樁間連梁作用，考慮支護中發(fā)揮的作用。目前普遍的雙排樁計算模型是基于室內(nèi)模型實驗的平面架鋼模型。假定將前后排樁與樁頂連梁視為底端嵌固，基坑開挖后連梁不產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，前后排樁在連梁標高處水平位移相等。

主動土壓力可假定作用于后排樁，應(yīng)用較多的矩形排列情況，前排樁主動土壓力Eaf=△σa=ασa,后排樁主動土壓力Eab=（1-α）σa.根據(jù)前后排樁滑動土體占樁后土體總量體積比例關(guān)系確定側(cè)土壓力，α=2L/L0-(L/L0）2，φ為土摩擦角，L為雙排樁外側(cè)排距；L0=Htan(45°-φ/2),H為基坑深度。將雙排樁假定為鋼架，對前后排樁彎矩計算，依據(jù)基坑支護技術(shù)規(guī)程，內(nèi)力采用增量法計算?？箖A覆穩(wěn)定性驗算依據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》按單排樁考慮，計算結(jié)果滿足要求。

3.3 監(jiān)測結(jié)果分析

為保證施工安全性，確保緊鄰軌道交通線與周邊建筑安全，采用信息化施工監(jiān)測。監(jiān)測內(nèi)容包括：深層土體側(cè)向位移；支護結(jié)構(gòu)樁釘水平位移；基坑周邊地表沉降。分析BE段樁頂水平位移隨時間變化曲線，基坑北側(cè)樁錨段D3測點累計水平位移量最大，次最大點水平位移值為24.3mm，D43為AM段基坑較長邊中間處冠梁水平位移，最大值為14.1mm，小于理論分析極限平衡狀態(tài)位移值。土方開挖中樁頂水平位移變化隨深度加大。水平位移累計變化量持續(xù)增加，樁頂水平位移曲線趨于穩(wěn)定，呈現(xiàn)變化速率前快后慢。

比較樁錨段與雙排樁支護段樁頂水平位移最大值小于單排樁最大水平位移值，為同條件下樁錨段樁頂最大位移變形值的55%，原因是單排懸臂樁增設(shè)錨索支護形式，依靠樁體嵌入基坑土深度承擔樁后土壓力，樁頂與樁身變形較大。雙排樁頂水平位移較小，保持坑壁穩(wěn)定，滿足相鄰施工環(huán)境安全。分析樁錨支護段CX3支護樁側(cè)向位移情況，最大側(cè)向位移值為40.9mm，支護結(jié)構(gòu)底部位置側(cè)向位移為0。土方進行開挖中樁體側(cè)向位移增大，土方開挖至基坑底部，側(cè)向位移變化速率減小，表明底板澆筑后樁體側(cè)向位移得到控制。分析前后排樁距4m處不同時刻樁間土側(cè)向位移變化曲線，位移曲線呈向坑內(nèi)拋物線形狀。隨著土方開挖支護結(jié)構(gòu)件土體側(cè)向位移呈較大向坑內(nèi)變化趨勢，受到開挖方式等因素影響，樁體底部位置向坑外發(fā)展趨勢。

結(jié)語

目前工程完成主體地下室施工。支護樁頂水平位移隨基坑土體開挖增大，呈現(xiàn)明顯拋物線型階梯狀變化。雙排樁支護段樁頂水平位移較小，樁錨支護結(jié)構(gòu)樁身側(cè)向位移隨開挖深度增加，曲線變化規(guī)律呈鼓肚型。雙排樁支護結(jié)構(gòu)整體側(cè)向位移較小，曲線變化規(guī)律呈開口向上拋物線形狀。監(jiān)測結(jié)果表明該支護結(jié)構(gòu)對施工場地周邊環(huán)境限制的工程能滿足要求。隨著雙排樁前后樁排距增加，不同排距轉(zhuǎn)交處樁間土側(cè)向位移值小于不同排距發(fā)生側(cè)向變形。由于對支護結(jié)構(gòu)受力機理理論研究不成熟，計算模型存在較大差異，施工中加強現(xiàn)場監(jiān)測非常重要。