管樁結合雙半圓支撐體系在基坑工程中的應用

許 冠 曾 婕 成怡沖 王潔棟 吳才德

（浙江華展工程研究設計院有限公司，浙江寧波 315012）

0 引言

先張法預應力管樁（以下簡稱預應力管樁）指的是采用先張法預應力工藝，并摻加高效減水劑，經過高速離心成型和蒸汽養(yǎng)護而成的空心圓筒體細長混凝土預制構件[1]。按照混凝土強度等級又分為普通預應力混凝土灌樁（代號為PC，混凝土強度等級不低于C50）和預應力高強度混凝土管樁（代號為PHC，混凝土強度等級不低于C80）。常用的預應力管樁外徑有400 mm、500 mm、550 mm 和600 mm 等規(guī)格，按預應力管樁的抗彎性能分為A 型、AB 型、B 型和C 型[2]。預應力管樁常規(guī)的施工方法有靜壓法、錘擊法以及插入水泥攪拌墻中形成復合支護墻的方法。

隨著國家產業(yè)結構的調整，粗放式、高耗能的傳統(tǒng)基坑支護結構與施工技術逐漸向低排放、少污染的方向發(fā)展[3]，預應力管樁采用工廠化生產，且具備綠色環(huán)保的優(yōu)勢。此外，預應力管樁樁身混凝土強度高，再加上使用了高強度、低松弛的預應力鋼筋使樁身具有較高的有效壓力，從而提高了其抗彎和抗拉性能，將其應用于支護工程中在經濟上更具有競爭性[4]。因此，預應力管樁在基坑工程中應用的越來越多[5-10]，但預應力管樁大范圍擠土施工對土體造成擾動，可能影響后期基坑的安全性。

寧波地區(qū)常用的支撐體系有對撐、角撐和圓環(huán)撐等。相比于對撐和角撐體系，圓環(huán)支撐體系具有較強的整體性，內力分布更均勻，適用于形狀不規(guī)則基坑[11-12]；此外，圓環(huán)支撐體系可較大程度減少支撐覆蓋面積，節(jié)約成本費用，方便土方開挖和地下室施工，極大地提高出土效率，節(jié)約施工工期[13-14]。但是圓環(huán)頂部剛度較小，需采取有效的加強措施。

本文結合寧波民和·惠風和暢文化產業(yè)園項目，開展了預應力管樁結合雙半圓內支撐體系的工程應用研究，對不同支護體系及不同支護樁的優(yōu)缺點進行了對比分析，并介紹了預應力管樁和雙半圓內支撐體系的設計和施工要點，分析了基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)，驗證了預應力管樁結合雙半圓內支撐體系的可靠性。

1 工程概況

民和·惠風和暢文化產業(yè)園項目總用地面積34896 m2，總建筑面積117957 m2，其中地上建筑面積88614 m2，設有一層地下室，地下建筑面積29343 m2?；又苋﹂_挖深度為5.5 m，局部坑中坑開挖深度達到7.0 m。

基坑周邊環(huán)境較復雜。南側和西側緊鄰現(xiàn)狀道路和市政管線。南側楊帆路距離地下室側壁6 m，楊帆路上由近到遠分別埋設有電力管線、給水管和雨水管；西側院士路距離基坑邊約20 m，院士路上由近到遠分別埋設有電力管線、電信管和給水管，基坑周圈管線情況見表1。施工道路、材料堆場和臨時用房設置在基坑的東側和北側，東側施工道路距離基坑最近約6.5 m，臨時用房距離基坑15 m，北側材料堆場距離基坑邊最近約5 m，施工道路距離基坑邊約15 m。基坑西側為本工程臨設用地?；优c周邊環(huán)境相對關系見圖1。

表1 基坑周圈既有管線情況一覽表

圖1 基坑與周邊環(huán)境相對關系圖

2 工程地質情況

根據(jù)巖土工程勘察報告，基坑支護范圍內土層主要包括2-1 層淤泥質黏土、2-2 層淤泥質粉質黏土、3-1 層含黏土粉砂和3-2 層含黏土粉砂?；涌拥茁湓?-1 層淤泥質黏土中。3 層含黏土粉砂為微承壓含水層，賦水性和透水性較好，有一定的水量，勘察期間實測水位埋深2.0 m，滲透系數(shù)為1.2×10-6cm/s，經計算，基坑抗突涌穩(wěn)定性滿足規(guī)范[15]要求。土層物理力學參數(shù)見表2，地層分布見圖2。

圖2 基坑范圍內典型地質剖面圖

表2 土層物理力學參數(shù)

3 基坑支護設計

3.1 基坑的特點和難點

通過工程概況和地質條件分析，本工程存在以下特點和設計難點：

（1）基坑周邊環(huán)境復雜

周邊緊鄰重要市政道路、燃氣管線、電力管線和給水管線等，基坑開挖要考慮對周邊環(huán)境的影響，基坑變形控制要求高。

（2）基坑開挖面積大，地下室形狀不規(guī)則

基坑開挖面積大，達到30000 m2，地下室形狀不規(guī)則，支撐體系的布置難度大。

（3）分布有深厚軟土層

本工程位于軟土地區(qū)，基坑支護結構范圍內分布11 m 厚的的流塑狀淤泥質土，作用在支護結構上的水土壓力大，控制變形難度大。

（4）基坑周邊用地緊張

紅線內可利用的場地較少，基坑周邊不滿足坑外大量卸土條件，支護結構的選型受限。

（5）基坑開挖體量大，出土效率較低

基坑開挖面積大，開挖深度較深，土方量大，軟土層較厚，若采用常規(guī)的對撐+角撐體系，存在挖土效率低的問題。

3.2 基坑支護方案選型

針對本項目的特點和難點，支護設計采取了以下幾個方面的方案比選。

（1）支護結構選型比較分析

地下室基坑周圈開挖深度為5.5 m，土體物理力學性質較差，基坑周邊可利用的場地較少，且周邊環(huán)境變形控制要求較高，適用于本基坑的支護結構形式主要包括排樁+1 道支撐和排樁+2 道錨索。支護體系比選見表3。由表3可知，排樁+1 道支撐支護體系優(yōu)點為安全性高，控制變形能力強，缺點為造價較高；排樁+2 道錨索優(yōu)點為造價相對較低，缺點為控制變形能力較弱，二者施工周期相差不大。因此，本基坑工程選取排樁+1 道支撐的支護結構形式。

表3 支護體系比選表

（2）支護樁樁型比較分析

本基坑工程為一層地下室，可采用的支護樁樁型包括鉆孔灌注樁、SMW 工法樁和預應力管樁，對三種樁型比較分析見表4。由表4可知，鉆孔灌注樁和預應力管樁造價相對較低，兩者相比，預應力管樁施工效率高，但施工對周邊環(huán)境影響較大。綜合考慮，為了能夠較好地控制和減小對臨近市政道路和地下管線的影響，在基坑的西側和南側采用鉆孔灌注樁；為提高整體施工效率，在基坑北側和東側采用預應力管樁。

表4 支護樁樁型比選表

（3）支撐體系比較分析

基坑開挖面積大，支撐體系需綜合考慮安全、施工便利和工程投資等各方面因素，對支撐的布設要求較高。相比常規(guī)對撐+角撐支撐體系，對撐+半圓環(huán)支撐體系一方面具有較強的整體性，使得內力分布較均勻，有利于對支護結構變形的控制；另一方面減少了支撐覆蓋面積，節(jié)約了成本費用，方便土方開挖，極大地提高了出土效率。

3.3 基坑支護設計

（1）平面支撐體系設計

平面支撐采用對撐+半圓環(huán)的支撐體系，支撐平面圖見圖3。

圖3 支撐平面布置圖

兩個半圓環(huán)內支撐直徑均為125 m，圓環(huán)弧頂及拱腳區(qū)域采取多種措施以確保安全，包括：（1）圓弧和拱腳位置設置鋼筋砼板帶，加強這些區(qū)域的整體剛度；（2）適當增加拱腳支撐剛度，增加圓環(huán)的約束；（3）適當增加圓環(huán)的寬度和配筋，確保圓環(huán)受力可靠；（4）基坑東側坑外設置樁、鋼筋砼梁板結構形成施工平臺，同時也對東側弧頂起到了加固作用。圍梁和支撐結構混凝土強度等級為C25，具體內支撐構件尺寸和截面見表5。

表5 內支撐尺寸及截面表

（2）豎向支護體系設計

圍梁及支撐面標高降到自然地坪以下1.5 m 處，一方面改善墻身內力分布，減少墻身變形，另一方面也給挖土施工作業(yè)提供了足夠的空間。典型支護剖面見圖4。

圖4 基坑典型支護剖面圖

（3）支護樁設計

根據(jù)基坑計算，支護樁長度13～15 m，嵌固比約1∶2，墻底進入3-1 層含黏土粉砂層，滿足各項穩(wěn)定性計算要求?；游鱾群湍蟼炔捎勉@孔灌注樁，樁徑600 mm，樁體縱向受力鋼筋按內力包絡圖沿墻體縱向分段配置，此法大大減小了樁體的配筋量，提高了鉆孔灌注樁的經濟性。基坑東側和北側采用預應力管樁，樁型分別為PC 600 AB 130-14 和PC 550 AB 110-14（其中“PC”表示普通預應力管樁，600 和550 表示樁外徑，AB 為管樁型號，130 和110 為管樁壁厚，“14”表示樁長）。預應力管樁相關構造示意圖與工藝參數(shù)分別見圖5和表6。預應力管樁和圍梁或連梁連接見圖6。

圖5 預應力管樁結構示意圖(單位：mm)

表6 預應力管樁工藝參數(shù)

圖6 管樁與圍梁（連梁）連接詳圖（單位：mm）

4、止水帷幕設計

基坑外采用φ500 密排水泥攪拌樁作為止水擋漏土措施。

4 基坑施工與監(jiān)測

為減少預應力管樁施工對周邊環(huán)境及工程樁的影響，采取了以下措施：（1）合理安排管樁施工線路，控制日沉樁數(shù)量；（2）先施工管樁，再施工工程樁；（3）必要時采取取土、植樁、挖隔震溝、孔隙水壓力釋放孔等措施。本項目從支護樁施工開始到地下室頂板施工結束共歷時約8 個月，由于基坑東側和北側采用預應力管樁，施工效率高，較完全采用鉆孔灌注樁減少了1 個月工期。圖7為施工開挖現(xiàn)場圖。

圖7 基坑開挖現(xiàn)場圖

基坑設計布置了比較全面的基坑支護監(jiān)測體系，主要監(jiān)測內容有：深層土體位移、支撐軸力、地表沉降、地下水位、立柱沉降、樁頂水平位移和樁頂沉降。圖8為深層土體位移監(jiān)測平面布置，表7為深層土體位移最大值統(tǒng)計表。

圖8 基坑監(jiān)測平面布置圖

表7 深層土體位移最大值統(tǒng)計表

由表7可知，因為基坑面積大，空間效應不明顯，各測點深層土體位移最大值均較大?；訓|側和北側變形均超出了設計報警值（60 mm），這是因為基坑東側和北側材料堆場和施工道路距離基坑較近（未按設計要求布置），且預應力管樁的抗變形能力較鉆孔灌注樁弱。預應力管樁變形雖超出報警值，但管樁表面未產生裂縫，說明樁身實際承受彎矩小于抗裂彎矩值，安全性較好。

基坑西側的深層土體位移監(jiān)測點CX14 和CX15 的變形也超出了報警值，原因分析為，基坑開挖至坑底標高后，未及時施工基礎加固墊層，增加了基坑的暴露時間，導致基坑變形持續(xù)發(fā)展，此外，監(jiān)測點CX14 位于圓環(huán)弧頂位置，支撐剛度相對較弱，故變形相對較大。

基坑南側和西側地表沉降曲線見圖9。由圖9可見，基坑南側沉降最大值約為15.5 mm；基坑西側沉降最大值約為34.5 mm，最大值發(fā)生在距離基坑最近的監(jiān)測點處?；游鱾群湍蟼鹊缆飞系乇沓两抵稻∮谠O計報警值，管線變形和道路沉降控制效果較好。

圖9 監(jiān)測地表沉降曲線圖

5 結論

本文結合民和·惠風和暢文化產業(yè)園項目基坑工程，介紹了預應力管樁結合雙半圓支撐體系在軟土深大基坑工程中的應用情況，并得出以下結論和建議：

（1）軟土地區(qū)的深基坑變形控制難度大，采用排樁+1 道支撐進行支護，由于支撐體系整體性好，可較好地控制基坑支護結構變形。

（2）平面支撐采用對撐+兩個半圓環(huán)撐的支撐體系，有效地減小了支撐覆蓋率，提高了基坑出土效率，加快了工程施工進程。

（3）對于周邊環(huán)境簡單的基坑可選用預應力管樁作為支護樁，其具有造價低、工期短、無泥漿排放、綠色環(huán)保等優(yōu)點，其缺點是施工過程有擠土效應，但可通過合理安排沉樁線路和順序來降低不良影響。

（4）本項目基坑工程預應力管樁區(qū)域變形雖超出報警值，但管樁表面未產生裂縫，說明樁身實際承受彎矩小于抗裂彎矩值，預應力管樁作為支護樁使用安全性較好。

（5）基坑開挖到底后應立即施工基底墊層以封閉槽底，避免因槽底土層長時間暴露而導致基坑變形加劇。