复杂环境条件下咬合桩环形支撑支护设计与施工

郑添寿

(1.福建永强岩土股份有限公司　福建龙岩　364000；2.福建省岩土与环境企业工程技术研究中心　福建龙岩　364000)



复杂环境条件下咬合桩环形支撑支护设计与施工

郑添寿1,2

(1.福建永强岩土股份有限公司福建龙岩364000；2.福建省岩土与环境企业工程技术研究中心福建龙岩364000)

城市建设的发展，出现越来越多工程条件复杂的城区旧城改造项目，周边老旧建筑众多，深基坑支护工程的应用，特别是深基坑的开挖、降水会对周边环境产生多方面影响。文章介绍某旧城区深基坑支护中旋挖钻孔咬合桩的设计方案确定、旋挖咬合桩施工技术措施，说明不同的方案和技术措施对周边环境的影响有明显不同。工程实践表明，旋挖咬合桩支护方案对类似老城区旧城改造基坑支护工程具有可参考价值。

复杂环境；咬合桩；环形支撑

0　引言

随着城市化进程的加快，城市中高层建筑越来越多，深基坑的开挖以及深基坑的支护相当常见。基坑支护工程技术相对复杂、与各个学科关系紧密，是综合性较强的工程技术问题，在城市建筑林立、管道密集、地质情况复杂以及交通繁忙的地区开挖，除了要保证深基坑本身的安全，同时还要对周边环境进行可靠保护，要满足地面沉降要求、周边建筑物的安全要求、地下管道的安全与稳定要求，因此，深基坑支护必须可靠，安全[1]。

内支撑支护结构强度及刚度大，对控制深基坑的变形具有优势，在基坑工程中越来越得到大家的认识，并广泛应用。常规内支撑方式有对撑方式设置、角撑设置，以上的内支撑方案对基坑土方的开挖、地下室的施工都会产生很大的问题，比如土方开挖的工期可能延长、工程造价费用高等。而根据基坑形状合理布置支撑，采用环形或椭圆形内支撑方案替代常规的对撑方案，可以有利于土方开挖、节约造价。在圆形支撑环梁支护体系中，环梁的刚度和强度对基坑的安全影响很大[2]，对一些开挖面积较大的软土深基坑工程，为了提高内支撑的刚度，也可采用双环梁的支护体系。

旋挖现浇钢筋混凝土咬合桩是一种新型围护结构之一，通过旋挖钻机旋挖切割混凝土桩或砂浆桩咬合成排桩围护，咬合桩起到挡土和止水的双重功能，与现有比较常见的地下连续墙、排桩加搅拌止水桩等深基坑支护形式相比，旋挖桩成孔精度高，施工速度快，施工过程的噪音小，对周边环境影响小等优点，因此更适合在繁华城市的杂填土、粘性土、砂土及碎石土等地层地质条件下的深基坑围护结构，因此近年来咬合桩施工技术得以越来越广泛应用，并在应用过程中得以推广、创新。

1　工程概况

1.1场地及周边环境

某工程由2幢18～20层的高层住宅和5层的裙楼及2层地下室组成。位于山区县城老城区。沿河北路西侧，地势较平，临近沿河路，交通较便利。场地东侧为沿河北路，南侧、北侧及西侧均有已建的多层砖混结构民宅。地下室设计底板标高约为174.7m，地下室占地面积为2 778.57m2。现有地面标高约181.07～182.50m，整平后，基坑需开挖深度约8.5m。场地周边环境平面图如图1，场地周边环境实景图如图2。基础为钢筋混凝土筏板基础。

场地周边建筑大多数都是有一定年代的混合结构民用建筑，基础形式根据调查都是浅基础，有些建筑已经出现裂缝。西侧建筑物离地下室外墙边线仅有5m，南侧仅有4m，北侧8m，同时，东侧距离25m处为永定河，与基坑存在水力联系。以上客观因素，对基坑设计及施工提出了挑战。

1.2场地工程地质及水文地质情况

基坑坑壁土主要为①杂填土、②泥质粉砂和③卵石层，基坑底落在卵石层上。

基坑底面位于地下水位以下约1.57～3.32m，对基坑开挖有影响，泥质粉砂和卵石在地下水渗透力的作用会产生流沙、涌土或管涌现象。

2　基坑支护设计方案

2.1基坑支护设计方案确定

根据场地临近永定河，土层有卵石存在的地质情况及周边复杂的环境条件，本工程基坑支护设计单位提出了3个不同类型的设计方案进行对比分析。

方案一采用Φ1000钢筋混凝土排桩作为围护桩，在围护桩桩间采用Φ600双重管高压旋喷桩止水，同时采用一道钢筋混凝土内支撑。本方案为传统基坑支护方案，但存在卵石层中施工旋喷桩质量难以保证，对后续基础施工存在渗漏水的可能性极大。

方案二采用钢筋混凝土双排桩作为悬臂围护桩，在围护桩桩间采用高压旋喷桩止水。本方案同样存在旋喷桩施工质量问题，同时，双排桩悬臂支护桩顶位移经计算最大达到65mm，周边民房众多，可靠性不够。同时也考虑施工空间不足。

方案三采用钢筋混凝土排桩作为围护桩，同时，在钢筋混凝土桩间采用一根粘土砂浆桩作为止水桩，两种桩形成咬合桩。桩顶采用一道钢筋混凝土内支撑。

在可行性论证的基础上，经过经济、安全、质量等多方面对比分析，最终各方接受采用方案三进行施工图设计。

2.2基坑支护设计概况

本工程基坑为不规则基坑，对内支撑的布置提出新的挑战。本着安全、经济、施工方便原则，对基坑支护结构的形状进行了大胆尝试。采用大椭圆形环形支撑，外接小圆形或椭圆形支撑。内支撑形状如图3所示。

钢筋混凝土环形内支撑体系由四周的冠梁、中间大的椭圆环梁、周边3个小环梁、环梁之间的次梁和立柱组成一个封闭系统，其优点如下。

(1)受力合理

支撑结构体系的整体刚度较大，能够较好地发挥圆拱的受力优势，将基坑四周产生的土压力通过次梁和环梁转化为梁的轴向压力，有效地利用混凝土材料的受压特性。

(2)土方工程施工速度快

深基坑支护工程中土方的挖运速度决定了基坑暴露时间的长短，以及地下室施工的工期长短。采用圆环内支撑结构，可在基坑平面内形成较大面积的无支撑空间，为土方挖运施工提供了便利，土方施工速度快。

(3)造价较低

采用圆环内支撑结构，省去了较多的支撑梁结构，节约了大量的混凝土及钢筋材料，与其他支撑方式相比造价有较大的下降，因此具有较高的经济效益。

但是，环形支撑体系也存在一定的缺点，对于此类基坑，比如环形支撑必须遵循对称开挖原则，地质不能差异过大，环形结构的尺寸较大，拆撑不方便。总体来说，环形支撑对施工单位的组织能力，技术能力的要求是比较高的[3]。

基坑支护土层设计参数如表1所示。

表1　基坑支护设计参数

根据基坑周边原有建筑的状况，其安全等级为一级。

围护桩采用直径Φ800mm的旋挖灌注桩，桩身混凝土强度等级C35，桩长10～15m，桩端持力层为碎块状强风化花岗岩。桩间距1 300mm；桩间采用Φ800mm粘土砂浆桩，砂浆桩强度等级M2.5。水泥粘土砂浆咬合桩吸收了混凝土咬合桩止水效果可靠的优点，可采用价格低、制备工艺简单的水泥粘土砂浆为止水材料，水泥粘土砂浆桩强度较高、抗渗性好、成桩可靠，可以结合不同的土质条件选择不同的成桩工艺[4]。

水泥粘土砂浆桩与钢筋混凝土桩咬合150mm，桩长以穿过卵石层进入风化岩层1.5m为控制标准。基坑支护平面如图4所示。

设计计算采用理正深基坑结构设计软件整体计算，剖面采用单元计算。根据地质情况及周边环境不同，整个基坑分成8个计算分区。通过分析计算基坑整体稳定性、抗倾覆稳定性、抗隆起稳定性的各项安全系数均满足规范要求。典型支护剖面如图5所示。

同时，采用有限元的计算方法对支护结构、内支撑结构及土的三维整体协同作用下的各工况下内力、变形进行分析计算。经分析计算，基坑最大位移为26mm，围护桩最大弯矩为627.50kN·m，内支撑最大轴力3 600kN。根据内支撑系统结构内力、变形计算结果，按现行《混凝土结构设计规范》中的方法并结合工程经验，对冠梁、环梁、支撑梁等进行结构设计。

3　基坑支护施工及监测

3.1基坑支护施工总体顺序

(1)施工止水桩、围护桩、立柱桩。

(2)桩顶土方开挖，然后施工冠梁、环形、支撑构件，施工后应进行浇水或覆盖养护。

(3)环形支撑达到设计强度后土方开挖至基坑底。

(4)桩基承台、地下室结构底板施工，在底板与围护桩之间采用C20素混凝土浇筑，进行换撑。

(5)换撑混凝土浇筑后待达到一定强度后可拆除支撑。

3.2咬合桩施工要点

3.2.1施工难点

咬合桩对成孔精度、容许偏差、工艺和混凝土的配合比有严格的要求，由于钢筋混凝土桩与水泥粘土砂浆桩的咬合厚度只有150mm，如成孔垂直度控制不好，将会可能发生桩间渗水。

3.2.2施工工艺

咬合桩施工的总体原则是先施工需被切割的M2.5水泥粘土砂浆桩(A桩)，然后施工钢筋混凝土桩(B桩)，施工顺序为A1—A2—A3—A4—B1—B2—B3—B4，如图6所示。

3.2.3水泥粘土砂浆桩成桩

水泥粘土砂浆的构成是以水泥为胶结料，加入部分细骨料、水和适量粘土膏等掺加料，各种材料根据设计强度需要按一定比例配置而成。水泥起胶结作用，掺量多少直接影响砂浆流动性、粘聚性和强度。起着骨架和填充作用的细骨料，影响砂浆流动性，对粘聚性和强度具有一定的影响较大。而粘土膏掺加料主要是改善砂浆和易性，以及使得砂浆桩渗透系数减小，从而增强止水效果。

砂浆桩施工时采用泥浆护壁，旋挖钻进取土，直至孔底。通过清孔后，采用导管法浇注流态水泥粘土砂浆成桩。

3.2.4旋挖灌注桩施工工艺

(1)沉入钢护筒：钢护筒比桩径大200mm，钢护筒穿过泥质粉砂层。

(2)旋挖钻机就位：移动旋挖钻机，使钻头中心对应定位孔位中心。

(3)用旋挖钻机把钢护筒和护壁孔内的岩土钻掘出来。

(4)钢筋笼制作和吊放钢筋笼。钢筋笼按设计院给出的钢筋笼图纸加工制作。成孔检查合格后进行安放钢筋笼工作。安放钢筋笼时应采取有效措施保证钢筋笼标高的准确。

(5)灌注砼：如钻孔内有水时则采用水下导管灌注混凝土法施工；如孔内无水时则采用干孔导管法流态灌注混凝土。

(6)拔护筒：50T履带吊挂振动锤振拔护筒。拔出护筒不宜过快，防止钢筋笼被拔出。

3.2.5咬合桩的施工技术措施

(1)桩的垂直度控制

为保证旋挖钻孔咬合桩下部咬合量，除根据常规方法严格控制钻孔孔口定位误差外，还应严格地控制钻孔的垂直度，确保桩的垂直度控制在0.5%以内。在成孔过程中要较好控制桩的垂直度，重点抓好以下3个环节。

①护筒应在施工前进行垂直度检查和校正。

②成孔过程中利用旋挖钻机自身的垂直度监控设备进行桩的垂直度监测和检查。

③成孔过程中必须及时对过大垂直度偏差进行纠偏调整。

(2)砂浆桩的强度控制

水泥粘土砂浆桩的配合比为水泥∶河砂∶粘土膏∶水=120∶1 450∶230∶300。水泥强度等级P.O42.5，砂可采用就地挖掘的砂砾石经过筛分后使用。

水泥粘土砂浆桩的抗渗压力1.0～2.0MPa，完全能满足基坑施工过程的止水需要。

水泥粘土砂浆桩的强度等级在M2.5左右，护筒可以很容易对其进行切割，旋挖钻头钻进时也很容易，能保证硬切割实现咬合桩。因此可以全部砂浆桩施工后再进行钢筋混凝土桩的施工。

3.3环形内支撑施工措施

环形钢筋混凝土支撑的施工在整个深基坑支护工程中相当重要。在施工中要确保支撑水平位置、竖向标高、各截面几何尺寸准确无误，对于圆形环梁、冠梁、支撑梁不宜留设施工缝，一次浇筑为好，使得各个位置强度能比较均匀。

3.4土方施工措施

土方开挖的主要原则是“分层、分段、对称”，不得一次性开挖过深。挖土时应遵循设计计算工况要求，如单向挖土不分层或不对称挖土容易造成环梁和桩顶受力不均匀、位移过大。

3.5基坑监测

深基坑工程监测也是保证基坑安全的一个重要的环节。基坑信息化施工都是依赖基坑监测的数据进行及时调整，因此，应认真做好基坑监测工作[4]。

环形支撑位移及轴力变化会影响周边支撑杆件、冠梁的位移和轴力。根据支撑整体计算可知，环形支撑所受的轴力及弯矩最大，因此环形支撑的位移和轴力是基坑监测中重点监测的项目。从监测点的布置到监测次数都应严格控制，如发现环形支撑的位移或轴力超过设计的预警值，应立即采取果断措施，否则可能产生基坑变形、建筑沉降的严重后果。

3.5.1椭圆环形支撑监测点布置情况

椭圆环形支撑根据设计计算结果在轴力较大及受力不利的位置上布置了8个监测点，其中布置的位移监测点共4个(监测点编号为CWY1～4)，钢筋应力计轴力监测点4个(监测点编号为CNL1～4)。具体布置如图7所示。

3.5.2椭圆环形支撑监测点监测情况

从基坑土方开挖开始至地下室施工完，整个过程根据设计图纸要求进行了详细监测。所测最大位移和最大轴力值如表2、表3所示，均满足设计和规范要求。

表2　椭圆环梁位移监测数据　mm

表3　椭圆环梁轴力监测数据　kN

3.6咬合桩止水效果

基坑开挖过程采用明排，仅用了小型潜水泵抽取卵石层中的潜水，基本上保持土方开挖干作业。开挖至基底施工基础过程中保持了干燥无水作业，止水效果良好。

钢筋混凝土桩与水泥粘土砂浆桩咬合效果良好，垂直度控制较好。

开挖效果实景图如图8所示。

4　结语

该工程采用钢筋混凝土桩与水泥粘土砂浆桩咬合，结合钢筋混凝土椭圆形环形支撑体系的基坑支护体系在老城区周边复杂环境条件下成功应用，取得了较好的经济效益。

工程实践证明，钢筋混凝土椭圆形环形支撑体系受力明确，支撑体系简单，水泥粘土砂浆桩施工简便，造价低，具有以下优点。

(1)变形小：从监测情况看，支护体系本身的变形很小，周边建筑物、道路未出现沉降过大现象，总体安全稳定。

(2)速度快：采用环形支撑，土方机械操作空间大，有利于挖土作业，工期大为缩短；地下室结构施工材料运输便捷，施工进度加快。

(3)止水效果好：钢筋混凝土桩与水泥粘土砂浆桩咬合，能顺利实现粘土砂浆桩硬切割施工，止水效果好。

(4)水泥粘土砂浆桩具有施工方法灵活，施工质量可控性强，止水性能可靠，可实现原位土的利用，可节约造价。

基此，水泥粘土砂浆桩与钢筋混凝土桩进行咬合，结合环形内支撑体系，在条件复杂的旧城改造基坑支护中应用具有很大的发展潜力，可进行进一步推广。

[1]刘建航，侯学渊．基坑工程手册[M]．北京:中国建筑工业出版社，1997:717—724.

[2]陈忠汉，程丽萍．深基坑工程[M]．北京：机械工业出版社，1999:239—251.

[3]蔡群,赵晖.双圆环内支撑在软土深基坑支护中的设计与应用[J].浙江建筑， 2010,27(3).

[4]林奇.水泥粘土砂浆咬合桩应用研究[J].福建工程学院学报，2010,8(1).

[5]刘少文，谢昭宇.组合结构环形支撑体系在某基坑工程中的应用[J].施工技术，2012,41(360)

Design Design and construction of ring shaped supporting support for occlusive pile under complex environmental conditions

ZHENGTianshou1,2

(1.Fujian YongQiang geotechnical Co.LTD,Longyan 364000;2.Geotechnical and Environmental Enterprise Engineering Technology Research Center of Fujian province,Longyan 364000)

The development of city construction,more and more engineering condition is complex,the urban transformation of the old city project,surrounding the old building is numerous,deep foundation pit support engineering application,especially in deep foundation pit excavation and precipitation will have influence on the surrounding environment.From the introduction of an old city deep foundation pit support support rotary digging drilling occlusive pile design scheme is determined,rotary drilling occlusive pile construction technology measures,indicating different scheme and technical measures on the surrounding environment have significantly different effects,engineering practice shows that,rotary drilling occlusal pile retaining scheme of similar to the old urban transformation of the old city of foundation pit support support engineering with reference value.

Complex environment; Occlusal pile; Annular support

郑添寿(1972.03-)，男，高级工程师。

E-mail:yqytzts@163.com

2016-04-01

TU47

A

1004-6135(2016)06-0052-06