深基坑工程支護(hù)樁侵限切除及加固處理研究

房江鋒，嚴(yán) 樹，劉國棟，趙鑫波，李 靜，王傳龍

（深圳宏業(yè)基巖土科技股份有限公司，廣東 深圳 518029）

0 引言

隨著城市化建設(shè)的不斷深入，城市建設(shè)用地越來越緊張，逐步出現(xiàn)了越來越多的項目面臨周邊環(huán)境復(fù)雜、毗鄰地鐵、高壓電纜、地下室結(jié)構(gòu)無退線等困境，該類項目對基坑支護(hù)樁施工的精度和垂直度要求極高，由此給深基坑施工帶來了新的難點。深圳地區(qū)深基坑支護(hù)多采用咬合樁，而咬合樁施工中采用旋挖硬咬合工藝的較多。硬咬合施工受到地質(zhì)條件、施工工序、素樁強(qiáng)度、鉆具導(dǎo)向性、操作人員技術(shù)水平等諸多因素影響，經(jīng)常會出現(xiàn)支護(hù)樁對地下室外墻的侵限事故。孫玉輝等［1］根據(jù)侵限程度，提出了接樁法、補(bǔ)樁法、力傳遞法、增設(shè)錨索法等處理方法。謝軍等［2］在地鐵車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)侵限處理中對比了鉆孔灌注樁+MJS 旋噴樁支護(hù)、鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁支護(hù)、鉆孔咬合樁及高壓旋噴樁支護(hù)等處理方案，認(rèn)為MJS 旋噴樁施工所需場地小、樁長大、樁間咬合充分，在粉土粉砂層中成樁質(zhì)量有保證，止水效果好，工程可實施性強(qiáng)。孫一鳴［3］按圍護(hù)樁侵限程度不同將侵限事故劃分為輕微、較嚴(yán)重、嚴(yán)重、極嚴(yán)重等4 類，并計算了樁身截面損失引起的承載力變化規(guī)律，并提出了不同程度下的處理措施。丁曉軍［4］使用二次逼近法，對工程建設(shè)中常見的支護(hù)結(jié)構(gòu)侵限問題處理而引起的削樁問題，建立了支護(hù)樁局部破除混凝土后的正截面抗彎承載能力計算方法，并與現(xiàn)場實施的工程項目相結(jié)合，對侵限削樁后的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系安全性進(jìn)行了分析。

本文研究的工程所面對的問題涉及到周邊無施工空間、管廊等級高、建設(shè)方用地面積狹小等綜合因素，同時出現(xiàn)連續(xù)侵限的情況，處理難度較大；而目前研究的成果均無可借鑒案例。通過借鑒結(jié)構(gòu)加固的施工方法和經(jīng)驗，對樁截面切削和加固后承載力進(jìn)行計算，對處理前的深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析、充分考慮基坑體系的空間效應(yīng)，最終形成粘鋼加固處理方案。處理過程中，加強(qiáng)基坑監(jiān)測頻次，同時對加固后樁身的深層水平位移監(jiān)測結(jié)果、裂縫等進(jìn)行分析，討論了樁身剛度變化及土壓力重分布對樁身受力的影響，為今后類似的工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 基坑支護(hù)概況

項目位于深圳后海片區(qū)，紅線內(nèi)占地2911.25 m2，場地極為狹小。基坑支護(hù)采用咬合樁+3 道內(nèi)支撐，基坑開挖深度19.6～22.3 m。北側(cè)及東西側(cè)采用?1.2 m（東南段1.4 m）、間距1.8 m 的葷素咬合樁結(jié)合3 道鋼筋混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)方式；南側(cè)在利用在建項目咬合樁的基礎(chǔ)上，增加了1 排?1.2 m、間距1.8 m 的灌注樁加掛網(wǎng)噴錨支護(hù)（本項目比南側(cè)在建基坑深3.2～5.4 m）?；游鱾?cè)鄰近在建的深圳地鐵13 號線后海站，位于地鐵安全保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)；北側(cè)分布有110 kV 高壓電纜，電纜管溝侵入紅線內(nèi)；東側(cè)沿紅線分布有高壓電纜及臨建。因用地緊張，設(shè)計肥槽僅預(yù)留15～30 cm，基坑典型剖面見圖1。

圖1 典型設(shè)計剖面Fig.1 Typical design profile

1.2 侵限情況統(tǒng)計

開挖至基坑底后，利用全站儀分別在坑底及第三道支撐梁施放地下室外墻控制線，使用量尺對每一根支護(hù)樁進(jìn)行了測量，東側(cè)剖面統(tǒng)計的侵限樁位示意見圖2。

圖2 侵限樁示意Fig.2 Schematic diagram of invasion limit pile

經(jīng)現(xiàn)場測量，東側(cè)支護(hù)樁在底板處樁身入侵地下室結(jié)構(gòu)為20～81 cm，侵限支護(hù)樁為16 根。

2 處理方案比選

在土方開挖過程中，隨著土方開挖進(jìn)度，分別測量每層支撐標(biāo)高處的侵限情況。經(jīng)對比、分析結(jié)構(gòu)圖紙和測量數(shù)據(jù)，侵限影響嚴(yán)重的區(qū)段為第三道支撐至基坑底部區(qū)段；第三道支撐以上部分，侵限程度較低。因此，本次處理的重點區(qū)域為第三道支撐以下段的支護(hù)樁。結(jié)合地質(zhì)條件、周邊場地條件、地下室結(jié)構(gòu)設(shè)計等多種因素，論證了基坑外側(cè)補(bǔ)樁+注漿方案［5-7］、地下室外墻退線方案和粘鋼加固方案［8-10］。從地下室面積損失、建筑使用功能、施工可行性、經(jīng)濟(jì)損失等方面綜合考慮，采用粘鋼加固方案處理為最優(yōu)方案。

3 計算分析

3.1 異形截面建模

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）（2015 年版）［11］和《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）［12］等相關(guān)規(guī)范僅提供了圓截面承載力計算相關(guān)理論，尚無法計算樁切除后形成的異形斷面及張貼鋼板后截面的承載能力，因此需進(jìn)行選取適當(dāng)?shù)挠嬎愎ぞ哌M(jìn)行復(fù)核計算。

纖維模型有限元計算程序廣泛應(yīng)用于異形截面分析領(lǐng)域，可以對任意截面進(jìn)行全過程截面分析。工程中常用來分析各種截面（如異形柱、組合截面等）的非線性特征點及承載力校核。本次采用纖維模型有限元計算程序?qū)χёo(hù)樁截面進(jìn)行計算復(fù)核。切除侵限部分、粘鋼加固后截面模型見圖3。

本文利用纖維模型有限元計算程序計算支護(hù)樁極限受彎承載力設(shè)計值，因此材料強(qiáng)度均取用設(shè)計值。混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范給出的單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以考慮箍筋約束作用、應(yīng)變梯度等因素，通過對抗壓強(qiáng)度代表值、峰值壓應(yīng)變、曲線形狀參數(shù)適當(dāng)修正而得到對應(yīng)本構(gòu)關(guān)系；鋼筋本構(gòu)模型采用不考慮強(qiáng)化階段的雙直線型模型，詳見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）附錄C 及條文說明［11］。

3.2 承載力分析

計算選取東側(cè)剖面支護(hù)樁進(jìn)行計算，該部位原設(shè)計支護(hù)樁樁徑為1.4 m，混凝土為水下C30，樁內(nèi)鋼筋為28 根C28、HRB400 鋼筋。由原設(shè)計可知，在開挖至坑底工況下，支護(hù)樁樁身彎矩最大出現(xiàn)在基坑底與第三道支撐之間，彎矩值為3068.70 kN·m，如圖4 所示。

圖4 支護(hù)樁設(shè)計彎矩Fig.4 Bending moment diagram of support pile

經(jīng)統(tǒng)計分析，采用粘鋼加固法處理，樁身切除量最大為500 mm，選取該樁作為最不利工況進(jìn)行計算。此時該樁將切除11 根鋼筋，經(jīng)計算切除后該樁剩余截面的彎矩-曲率（M-φ）曲線如圖5 所示，鋼板材質(zhì)為Q355，規(guī)格為1000 mm×10 mm。計算結(jié)果顯示，樁身切除500 mm，主筋切除11 根，樁身抗彎承載力降低為原樁的31.3%；粘鋼加固后，樁身抗彎承載力為原樁的71.7%，且大于設(shè)計工況下樁身彎矩。從各截面的M-φ曲線可知，各截面發(fā)揮出有效彎矩抗力時對應(yīng)的曲率不同，即樁身切除、加固后相較于原樁身的變形將有所增大。

圖5 各截面M-φ 曲線Fig.5 M-φ curves of each section

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

（1）基坑支護(hù)樁主要承受側(cè)向土壓力，為受彎構(gòu)件。樁身變形曲線和變形曲率之間的關(guān)系可以用如下公式表示：

式中：x——支護(hù)樁沿著基坑深度方向坐標(biāo)數(shù)據(jù)；R——函數(shù)圖象的曲率半徑；φ——函數(shù)曲率。

基于彈性地基梁的假設(shè)，對支護(hù)樁受力進(jìn)行分析，可以采用如下的微分方程求解支護(hù)樁的變形曲線方程：

根據(jù)材料力學(xué)純彎構(gòu)件假設(shè)，桿件結(jié)構(gòu)的變形函數(shù)、變形曲率和桿件所受彎矩M間的關(guān)系如下：

式中：EI——桿件截面抗彎剛度；M——截面彎矩。

根據(jù)式（3）可以計算出支護(hù)樁各個截面上所受彎矩值。

王佳賀等［13］研究了基于深層水平位移監(jiān)測監(jiān)測曲線的基坑圍護(hù)樁彎矩反分析，通過反分析可以充分掌握樁身實際受力情況。李文廣等［14］提出了光順樣條擬合圍護(hù)墻變形求曲率的計算方法，將計算得到的彎矩，與通過鋼筋應(yīng)力計推算得到的彎矩進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)與通過鋼筋應(yīng)力計推算得到的彎矩有著相當(dāng)好的吻合性。王燁晟等［15］研究了多項式擬合法作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)彎矩反分析的方法，多項式擬合的關(guān)鍵在于選擇合理的擬合次數(shù)，一般取值范圍為5～8 次為宜。

（2）根據(jù)該剖面的深層水平位移監(jiān)測成果，選取第三道支撐以下的樁身深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用多項式擬合，擬合次數(shù)為7 次，擬合結(jié)果如圖6所示。

圖6 處理前深層水平位移實測曲線與擬合曲線的對比Fig.6 Comparison of measured curve and fitting curve of deep horizontal displacement before treatment

由擬合結(jié)果可見，樁身最大彎矩出現(xiàn)在第三道支撐梁下3.0～4.0 m 之間，該位置與圖4 所示位置相近。對該擬合曲線求導(dǎo)并計算曲線在彎矩最大點的曲率，代入公式（3），可求得該位置樁身的彎矩約為1382.12 kN·m，該彎矩值小于圖4 所示的設(shè)計彎矩值。

3.4 分析結(jié)果

經(jīng)對加固前、后樁身抗彎承載力計算分析可知，通過粘鋼加固的方法對侵限支護(hù)樁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，可以補(bǔ)償因截面和鋼筋損失造成的承載力損失。同時，經(jīng)對樁身深層水平位移監(jiān)測成果的反分析，判斷在開挖至坑底工況下，樁身實際承受的彎矩較計算值偏小。

經(jīng)參建各單位多次論證分析，采取粘鋼加固方案可以滿足建設(shè)單位地下室功能需求、基坑安全及施工可行性要求，為最優(yōu)方案。經(jīng)基坑設(shè)計單位復(fù)核計算，最終確定需要切除侵限部分的支護(hù)樁13根，粘鋼加固支護(hù)樁為4 根；充分考慮基坑的空間效應(yīng)，施工時需要采取分序、跳樁施工。

4 侵限處理施工

4.1 侵限處理原則

4.1.1 分層分序處理，確?；影踩?/p>

充分利用支護(hù)體系的空間效應(yīng)，結(jié)合侵界支護(hù)樁的分布情況，地下室結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)支護(hù)樁分為4 序施工，一序支護(hù)樁鑿除完成后，在鑿除樁表面粘貼10 mm 厚Q355 鋼板進(jìn)行加固，加固完成后鑿除二序侵界支護(hù)樁，二序侵界樁鑿除完成樁身加固后，鑿除三序侵界樁并完成樁身加固后，鑿除四序侵界樁并進(jìn)行加固（見圖7）。

圖7 分序施工示意Fig.7 Schematic diagram of step?by?step construction

4.1.2 加強(qiáng)監(jiān)測，信息化施工

施工期間除原基坑監(jiān)測項目外，新增加了樁后土體深層水平位移、粘貼鋼板應(yīng)變監(jiān)測，對鑿樁期間的變形進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷監(jiān)測對象是否安全、是否需要采取緊急措施，以確?；庸こ贪踩约肮こ探ㄔO(shè)的順利實施。

4.2 粘鋼加固施工

4.2.1 止水帷幕加強(qiáng)

為防止基坑支護(hù)樁在切除及加固過程中，樁身咬合量較小或者開叉部位土體流失造成滲漏，采用在基坑內(nèi)側(cè)增加超前小導(dǎo)管注漿的方式預(yù)防樁間滲漏。超前小導(dǎo)管注漿施工現(xiàn)場見圖8。

圖8 超前小導(dǎo)管注漿施工現(xiàn)場Fig.8 Advanced small pipe grouting construction site

4.2.2 侵限切除

支護(hù)樁侵限處理根據(jù)侵限支護(hù)樁分布情況，分為4 序進(jìn)行切樁后加固施工，參見圖7。

切樁施工采用繩鋸切割，人工風(fēng)鎬輔助的破除形式。切樁工藝如下：施工準(zhǔn)備→支撐腳手架搭設(shè)→劃線定位→水鉆鉆孔→定位切割→混凝土塊吊裝→場地清理→支架拆除。

4.2.3 粘鋼施工

因受現(xiàn)場工作面及吊裝設(shè)備的限制，將加固的鋼板分割為30～40 cm 的條帶狀，更有利于現(xiàn)場組織施工。

粘鋼施工工藝如下：基層處理、打磨→定位、放線→壓條及鋼板鉆孔→下料、制作→安裝、焊接→化學(xué)錨栓植入固定→封口→密封檢查→漿料調(diào)配→灌漿→空鼓檢驗→空鼓位置處理。 加固施工現(xiàn)場見圖9。

圖9 加固施工現(xiàn)場Fig.9 Reinforcement construction site

粘鋼施工的關(guān)鍵在于保證鋼板與樁身切面之間的有效粘結(jié)。因此，待結(jié)構(gòu)膠固化后，應(yīng)采用小錘敲擊鋼板，進(jìn)行空鼓檢驗，若無空洞聲，表示灌漿密實。灌漿的密實度應(yīng)＞95%，否則應(yīng)在適當(dāng)部位鉆孔補(bǔ)灌，直到滿足要求。

4.3 施工期間監(jiān)測結(jié)果

4.3.1 裂縫監(jiān)測

支護(hù)樁侵限部分被切除后，樁身截面發(fā)生改變，樁身剛度退化，該樁外側(cè)土體應(yīng)力重新分布，樁身發(fā)生變形，荷載向相鄰樁轉(zhuǎn)移，直至達(dá)到新的平衡狀態(tài)。部分樁切割后在切面上出現(xiàn)水平裂縫，為樁身剛度退化、變形所致。裂縫出現(xiàn)后，在裂縫位置設(shè)置裂縫監(jiān)測點，裂縫寬度均比較穩(wěn)定，未進(jìn)一步發(fā)展。

4.3.2 加固施工期間基坑監(jiān)測

支護(hù)樁切除和加固施工時間為2022 年8 月6—29 日，選取該側(cè)基坑（第三道支撐至基坑底部）的深層水平位移監(jiān)測成果（如圖10 所示）分析，由監(jiān)測成果可知，支護(hù)樁在侵限切除期間，樁身截面改變、剛度退化，水平位移發(fā)生變化，待樁后土體應(yīng)力重分布完成后，位移即收斂穩(wěn)定，最大水平位移約為21.79 mm，小于深層水平位移控制值（樁體深層水平位移控制值40 mm，報警值32 mm）。施工期間，基坑穩(wěn)定性良好。

圖10 深層水平位移監(jiān)測成果Fig.10 Deep horizontal displacement monitoring data

4.3.3 加固處理后基坑監(jiān)測結(jié)果分析

按照前文3.3 節(jié)所述的分析方法，對粘鋼加固施工完成后的深層水平位移監(jiān)測成果（以2022 年10月1 日監(jiān)測成果作為分析對象）進(jìn)行擬合分析，擬合次數(shù)為7 次，擬合結(jié)果如圖11 所示。由擬合結(jié)果可見，樁身最大彎矩位置與處理前基本一致，位于第三道支撐梁下3.5～4.5 m 之間。對圖10 所示擬合曲線求導(dǎo)并計算曲線在彎矩最大點的曲率，代入式（3），可求得該區(qū)段內(nèi)樁身的彎矩約為2437.00～2737.00 kN·m，由前述3.2 節(jié)分析可知，該區(qū)段內(nèi)彎矩值小于粘鋼加固后截面的受彎承載力。

圖11 處理后深層水平位移實測曲線與擬合曲線的對比Fig. 11 Comparison of measured curve and fitting curve of deep horizontal displacement after treatment

5 結(jié)論

經(jīng)過對侵限支護(hù)樁原樁、切除侵限、粘鋼加固等形態(tài)的抗彎承載力分析，并結(jié)合基坑監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行反分析，確定了粘鋼加固的處理方案，并有效實施，取得良好實踐效果，同時得到如下結(jié)論及成果：

（1）支護(hù)樁截面和鋼筋的切除對受彎承載力影響顯著，且隨著切除量的增加承載力損失呈非線性增加。支護(hù)樁受截面形態(tài)和鋼筋分布影響，工作狀態(tài)下受力極為復(fù)雜。處理方案論證階段，建議對樁身深層水平位移等監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用構(gòu)件截面的M-φ關(guān)系，對樁身受力狀態(tài)進(jìn)行研究，為侵限處理提供計算支持。

（2）采用粘鋼加固方法處理切除侵限的支護(hù)樁，可以補(bǔ)償因樁身截面和鋼筋損失造成的承載力損失。施工監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，樁身侵限切除后，受樁身截面及剛度發(fā)生改變、土體應(yīng)力重分布的影響，水平位移值有所增大。經(jīng)對加固后截面的M-φ關(guān)系分析可知，支護(hù)樁樁身彎矩也隨之增大，但仍小于加固處理后支護(hù)樁的承載力，基坑處于安全狀態(tài)。

（3）對于連續(xù)侵限的支護(hù)樁處理，應(yīng)充分利用基坑體系的空間效應(yīng)，合理安排工序，分序、跳樁進(jìn)行切除和加固施工。施工期間，應(yīng)加密基坑監(jiān)測頻率，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果信息化指導(dǎo)施工。