沿海砂质土地区深基坑支护技术的应用

罗 芳 孔雪灵 李 航

(1.郑州财经学院土木工程学院，河南 郑州 450000； 2.黄河流域水资源保护局，河南 郑州 450004)



沿海砂质土地区深基坑支护技术的应用

罗 芳1孔雪灵1李 航2

(1.郑州财经学院土木工程学院，河南 郑州 450000； 2.黄河流域水资源保护局，河南 郑州 450004)

针对沙特沿海地区奥马尔市立交桥深基坑工程现状,利用有限元模型,结合国内外先进的深基坑支护技术,提出了“型钢支护桩+预应力锚索+方木挡土板”的综合支护体系，施工实践表明：该支护体系满足了基坑施工要求。

深基坑支护，水位，砂性土，支护体系

0 引言

随着城市建设的迅猛发展，基坑工程面临着各类新出现的问题，比如越来越深，面积越来越大，施工环境越来越复杂，场地限制以及土质情况的多样性等。深基坑必须进行支护设计，根据不同的基坑深度、地质、环境与荷载情况采用不同的支护结构。

1 深基坑支护概述

国内外采用的各种深基坑支护技术日益完善,常用的如排桩(型钢)挡板支护技术、钢板桩支护技术、挡土灌注桩支护技术、地下连续墙、土层锚杆支护等。然而传统的深基坑技术对于大范围、含水层较厚的现场情况而言，有其不可忽视的局限性。例如：排桩(型钢)挡板支护技术：开挖深度受限、不能有效防水、劳动强度大；挡土灌注桩支护技术：造价高、施工周期长、单独使用不适用于砂性软土；地下连续墙：造价高、废泥浆地处理麻烦；钢板桩支护技术：防水效果有限；土层锚杆支护：只适用于坚硬土层、需要专门的成孔和注浆设备、不适用地下水位高的地质。

2 工程实例

2.1 工程概况

中石化国际工程公司和中原油田相关单位在沙特阿拉伯承建的项目之一——奥马尔城市立交桥：共分3层，下层是最大开挖深度为13.5 m、双向八车道的地下通道；中层是内径为95 m的交通环岛,环岛内利用环岛与地下通道的高差分层绿化；上层是双向六车道的跨线桥。

由奥马尔立交桥深基坑平面图和地下通道纵面图可知： 75 000多立方米钢筋混凝土的基础工程主要集中在直径95 m的环岛、自然地面下13.5 m的深基坑内。

2.2 工程地质及水文情况

根据桥位地质水文资料显示，该处土质为砂质土，地下水位距地表为5.5 m，桥位离海岸线直线距离约5 km。能否成功顺利实施基础工程的施工作业是决定奥马尔立交桥成败的关键因素。

在地质调查报告显示：第①层为自然地面至地下13 m～13.6 m，为不良级配砂；第②层为平均厚度1.5 m的粉质砂土；第③层为平均厚度为5.9 m的石灰质粉土；第④层为塑性粉土。

地下水位为5.45 m～5.8 m之间，平均深度5.5 m，施工深度内土壤渗透系数为2.0×10-5～3.5×10-4之间。主动土侧压力系数Ka=0.333；被动土侧压力系数Kp=3.00；自由侧压力系数Ko=0.50；土壤和混凝土摩擦系数为0.40。

2.3 基坑支护设计及施工方案选择

根据地质调查报告分析，奥马尔项目支护面积内大部分为砂质土，失水后流动性高，因此需要沿基坑边沿设置致密的挡土板；考虑到交通维护实际需要，现场支护工作区域严格受限，因此埋入式结构比较适宜，同时由于砂质土锚固能力的不足，需另外设计锚定结构。因此在考察当地类似工程施工实际，并和监理、专业设计公司充分结合的基础上，决定本项目拟采用H型钢和钢绞线锚索相结合提供支护骨架，方木嵌入H型钢用作挡土板的支护方式。

3 基坑支护方案的确定

基于作业面积大、含水层的厚度大的现场情况，现有的深基坑支护技术尚不能满足现场支护开挖的需要，必须对传统施工技术方案进行比对、优化，本方案创造性地提出运用“支护桩+预应力锚索+方木挡板”的新型技术，并在施工效果上进行验证，为解决此类深基坑支护的施工难题提供新的技术支持。

3.1 传统分析方法

传统的分析方法是按规范方法进行挡土墙的计算，并确定支护具体方案。主要涉及JGJ 120—99建筑基坑支护技术规程，GB 50330—2002建筑边坡工程技术规程，CECS 96∶97基坑土钉支护技术规程，JGJ 79—2002建筑地基处理技术规程和本工程勘察报告及相关规定进行支护计算。

3.2 有限元分析法

由于该项目的特殊性，国外工程采用的设计标准不同于国内，故本例采用有限元支护体系力学分析方法。这对于国内传统地根据挡土墙的经验公式近似计算的模式，无疑是一个新的尝试，也更具实用性。分析情况如下：

根据现场情况对基坑的要求，通过对地质调查及土壤应力分析，利用WALLAP弹性有限元分析法，按支护高度分为0.0 m～7.0 m，7.0 m～10.0 m，10.0 m～13.8 m建立3个深基坑计算模型(见图1)；支护桩桩长分别为：10 m,14 m,18 m；计算长度：1 000.00 m；计算宽度：主动侧20 m，被动侧20 m。拟定支护范围K0+191.682～K0+881.943，计算参数如下：

墙体材料：墙体高度 10，14，18(对应不同的支护高度)；有限元长度0.6 m；杨氏模量E=2.0×108；惯性矩I=1.2×10-4；EI=2 400 kN·m2/m。

锚索参数：立柱间距2 m；截面面积0.000 745 m2；杨氏模量1.9×108kN/m2;自由端长度5 m;倾斜角度10°。

附加荷载：平行边计算宽度50 m；垂直边计算宽度50 m；荷载取值10 kN/m。

分析结果以支护高度7 m为例，如表1，表2，图1，图2所示。

表1 土壤侧压力记录(支护7 m,开挖高度7 m) kN/m2

表2 内力及变形记录

分析结果表明：支护桩最不利荷载出现在-2.5 m处，弯矩为64.3 kN·m,剪力为68.3 kN。锚索最大预应力22 t,横梁截面面积最小为628.6 cm2,根据计算结果拟选用两根26的槽型钢梁。

4 施工工艺及技术要求

沿挡土位置预先打入H型钢，间距2 m，然后边挖方，边将10 cm松木挡土板塞进型钢桩之间挡土，并在横向挡板与型钢桩之间打入楔子，使横板与土体紧密接触。做好以下施工准备：

1)支护材料：中心圆环区支护桩采用45a工字钢，其他部位采用26a槽型钢，支护桩统一间距2 m。挡土板统一采用10 cm×10 cm松木。钢绞线规格为12.7 mm，模量为1 860 MPa，支护周期24 d。

2)对原有道路及地下设施采取有效防护和加固措施。

3)做好降低地下水位工作。

4)按图纸要求进行测量放线，设置定位桩、龙六板和水平桩，放出支护位置线。在邻近埋设沉降观测点，以使支护期间对建筑物沉降变形进行定期观测。

5)对建筑物沉降变形进行定期观测。

在施工中应遵循以下技术要求：

1)支护桩施工。

对于支护桩施工按地质情况分两种施工方法，一种是对于深度在14 m以上，由于属于砂性土质，使用振动锤沉桩法；另一种是对于深度在14 m的断面，由于要穿越坚硬的粘土层，使用旋挖钻配合振动锤沉桩来完成支护作业。

质量标准：支护的设置位置、垂直度、标高必须符合设计要求，位置偏差不大于100 mm，垂直度偏差不大于H/100(H为支护高度)，标高偏差不大于30 mm,且挡土板必须紧贴上壁。

2)挡土板施工。

挡土板采用10 cm×10 cm松木，根据现场实际长度，结合开挖深度，每1.5 m一个层次，逐步安装。

3)锚索施工。

怎样在砂土土质下锚索成孔是现场的技术关键。通过大量实验，证明采用压缩空气配合潜孔钻能够较好地解决这一难题；冲击器以中高压压缩空气(工作气压达1.0 MPa～2.4 MPa)为动力，行走、回转、推进、液压系统以经减压的压缩空气为动力，充分发挥气动马达的软特性和压缩空气所特有的蓄能作用，使钻车动作强劲有力、安全可靠、施工效率高，由原来的每天完成4孔，提高到每天完成12孔。

4)安装横梁。

横梁安装有吊车配合人工完成。

5)锚索张拉。

注浆11 d后，即可进行预应力张拉锚索张拉使用手动液压千斤顶，张拉应力严格控制在设计应力上(见图3)。

6)变形观测。

严格坚持每周进行一次变形观测，并形成变形观测记录，经观测，支护最大变形1.5 cm，并未有异常变形现象的发生，完全达到了安全施工的需要。

5 应用效果

通过现场应用及监测，最后完成的该支护体系完全能满足现场施工需要，安全可靠。完成支护后的基坑见图4。

通过和设计紧密结合，充分利用了沙特项目部现有的降水设备和型钢，仅支护型钢一项就节约材料费84万沙币，折合人民币152.88万元。

本成果采用的支护体系与传统的支护类型相比，可以与工程主体施工同步进行，除主体支护桩外，锚索和方木挡板都可以和主体工程同步进行，仅此一项就节约工期1.5个月以上，仅人工和设备费就节约180万沙币，约合人民币324.5万元。

6 结语

通过支护桩设计和施工研究，提出了型钢支护桩+预应力锚索+方木挡土板的综合支护体系，有效的解决了砂性土壤大面积深基坑支护难题，通过合理的利用体系中的每一部分的优点，针对性的解决了施工作业面受限、边坡欠稳定、工期压力大等难题，经济高效地满足了工程需要，在国内深基坑支护技术中具有领先意义。

[1] JGJ 120—2012，建筑基坑支护技术规程[S].

[2] GB 50330—2013，建筑边坡工程技术规程[S].

[3] CECS 96∶97，基坑土钉支护技术规程[S].

[4] JGJ 79—2012，建筑地基处理技术规程[S].

Application of deep foundation pit supporting technology in coastal sandy soil

Luo Fang1Kong Xueling1Li Hang2

(1.SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouInstituteofFinanceandEconomics,Zhengzhou450000,China；2.YellowRiverBasinWaterResourceProtectionBureau,Zhengzhou450004，China)

According to the current status quo of deep foundation pit engineering of coastal overpasses in Omar Saudi Arabia, the composit support system of “steel supporting pile+prestressed anchor cable+wood block soil”is proposed, combined with advanced technology of deep foundation pit and used the finite element to creat a model. The result shows that the system can satisfy construction requirements.

deep foundation pit supporting, water level, sandy soil, support system

1009-6825(2016)13-0095-03

2016-02-21

罗 芳(1978- )，女，硕士，讲师，一级注册结构工程师； 孔雪灵(1979- )，女，工程师； 李 航(1984- )，女，工程师

TU463

A