钻孔结合旋喷隔离桩在紧邻高压铁塔的深基坑工程中的应用

上海外高桥保税区开发股份有限公司 上海 200131

1 工程概况

1.1 基坑工程概况

背景工程位于上海浦东外高桥，基坑面积约为22 700 m2，开挖深度8.85～10.15 m，围护结构采用φ800 mm@1 000 mm钻孔桩结合φ850 mm@600 mm三轴搅拌桩止水帷幕。基坑西侧有较多高压铁塔及架空线，高压铁塔距离基坑最近处为14 m，故需对铁塔及架空线进行针对性保护（图1）。

图1 基坑与高压铁塔关系示意

1.2 铁塔基础形式及保护要求

高压铁塔基础采用独立基础，埋深约1.9 m。由于其对沉降要求较为敏感，沉降限值为10 mm，倾斜速率限值为1/10 000H，累计值为5/1 000H（H为铁塔高度）。

1.3 隔离桩形式初步选型分析

根据初步选型，分别采用以下2种隔离桩形式：

1）φ600 mm@1 500 mm钻孔灌注桩隔离桩，桩间设置2根高压旋喷桩，桩长20 m。

2）φ400 mm树根桩隔离桩，桩长20 m，树根桩呈拱形布置。由于其桩径较小，单排刚度较小，故设置双排，并设置成拱形，以利用空间效应进一步减小变形影响（图2）。

图2 双排拱形树根桩隔离桩平面示意

2 隔离桩有限元数值分析

2.1 分析模型及本构模型

2.1.1 分析模型

计算采用平面有限元分析软件plaxis，模型计算宽度为充分考虑工程的影响范围，取基坑实际宽度1/2，深度取至坚硬土层。土体采用HS模型，围护桩采用梁单元模拟，围护桩结构与土体之间接触面采用弹塑性无厚度Goodman接触面单元模拟其相互作用[1,2]。

2.1.2 边界条件及计算简化

对水平向及竖直向边界分别施加水平向及竖直向约束，采用等三角形六节点平面单元模拟土体。通过“单元生死”模拟基坑开挖过程。

计算时作部分简化：铁塔4个基础采用梁单元模拟，不考虑单个基础间沉降不均匀的影响；支撑、围护体与土体的变形一致，且刚度不受变形影响。

2.2 隔离桩隔离效果数值模拟分析

2.2.1 钻孔桩隔离效果数值模拟分析

采用φ600 mm@1 500 mm钻孔灌注桩隔离桩，桩间设置2根高压旋喷桩，在基坑开挖至基底后，围护桩变形25.13 mm，高压塔近基坑处最大沉降9.07 mm，远端10.23 mm。

2.2.2 树根桩隔离效果数值模拟分析

采用φ400 mm树根桩隔离桩，在基坑开挖至基底后，围护桩变形25.0 mm，高压塔近基坑处最大沉降9 mm，远端10.16 mm。

2.3 隔离桩隔离效果对比分析

根据上述计算结果分析，钻孔桩隔离桩方案采用大刚度的钻孔桩进行隔离，间距1.5 m布置，开挖至最后的围护桩变形达到25.13 mm，铁塔的最大变形为10.23 mm，倾斜率为0.046‰。

树根桩隔离桩方案考虑到树根桩刚度较小，采用呈拱形双排密集布置的树根桩，刚度上进行了增强，开挖至最后的围护桩变形达到25.0 mm，铁塔的最大变形为10.16 mm，倾斜率为0.046‰。

可见，采用上述2种隔离桩方案对减少围护体变形及铁塔变形控制有一定的作用，能满足铁塔的沉降及倾斜保护要求。从两者的效果而言，双排拱形树根桩对铁塔的保护性能稍优于钻孔桩方案，但两者相差不多，均在1%左右。

根据后续计算分析，当钻孔桩桩径逐渐加大到一定程度后，对周边环境的变形控制影响程度逐渐减弱。

3 钻孔桩结合旋喷桩控制要点

由于钻孔桩与旋喷桩在实施效果上相差不大，从经济方面，树根桩较钻孔桩方案贵40%，故而最终选择采用钻孔桩隔离桩结合旋喷桩方案。然而旋喷桩由于有一定的挤土效应，故而在铁塔旁进行旋喷桩的施工需要有一定的控制要求。

为防止旋喷桩过大的压力导致铁塔变形，要求旋喷桩在其邻近钻孔桩隔离桩施工结束，并达到设计要求强度后方可施工，且采用间隔跳孔施工法，相邻桩施工间隔不小于1.5 m或48 h，并在铁塔侧设置防挤沟槽。旋喷桩桩机建议采用锚杆钻机，以防桩机高度对铁塔造成影响。

4 工程监测效果及分析

根据监测结果，从隔离桩施工至结构回填完成，高压铁塔最大沉降量为9.41 mm，其中在旋喷桩施工阶段对铁塔基础有一定抬升，但抬升量较小，主要为旋喷施工阶段施工单位连续施工旋喷桩，未遵守间隔施工的要求，在明确此要求后变形量逐渐趋于稳定。

隔离桩桩体测斜最大值为8.99 mm，由监测结果可以看出，该铁塔最大沉降被控制在10 mm以内，与有限元分析结果基本吻合，由于铁塔初期即有一定的差异沉降，故而最终铁塔基础间也存在一定的差异沉降，但其沉降差值与初期沉降相差不大[3,4]。

根据实践表明，采用钻孔结合旋喷隔离桩对控制基坑开挖对周边环境的影响有一定的作用，但需要严格控制旋喷桩的施工速度及节奏。

5 结语

通过钻孔桩结合旋喷桩作为隔离桩的实施效果，可以得出以下结论[5]：

1）钻孔结合旋喷隔离桩的实施效果与工程监测数据趋势一致，验证了钻孔桩结合旋喷桩作为隔离桩在邻近深基坑的浅基础构筑物保护中的良好作用。

2）当隔离桩刚度达到一定程度后，对周边环境的变形控制影响程度逐渐减弱。故而采用钻孔桩作为隔离桩时，间隔可适当加大；采用树根桩时，由于刚度较小可采用双排紧密排列的形式。

3）采用钻孔桩作为隔离桩时，桩间可采用三重管旋喷桩进行充填，加强隔断效果。但需采用间隔施工的方法，以控制旋喷压力对周边土体的影响。

4）由于隔离桩的隔离效果与隔离桩的形式、刚度、间距、桩长、桩底嵌固效果、与保护对象间的间距等有关，故需要根据实际情况综合考虑工程安全性及经济性。