深基坑管桩支护的影响效果分析

(1.十四冶建设云南勘察设计有限公司，昆明 650031； 2.昆明理工大学建筑工程学院，昆明 650500)

1 引言

近年来我国城市化建设的快速发展，建设用地紧张、交通不便、空间狭小等问题突出，随着对地上地下寻求发展空间[1]，从而产生了很多的深基坑。深基坑工程是一个非常复杂的岩土工程问题[2]，涉及到土层性质、地下水、周边环境等。基坑支护结构一般都为临时性的，进行支护设计时，如何充分考虑场地的工程地质、水文地质条件及周边环境情况，因地制宜的设计稳定性好、变形小、投入少、工期能够保证，施工难度又不大，即在多指标考察下，综合效益最优的支护方案，是对基坑支护设计人员的挑战，也是建设方关心探讨的问题。现在基坑支护设计对使用锚索的限制[3]以及工程质量为第一要求，大直径的旋挖灌注桩在基坑支护工程中的应用越来越广泛[4]。现以某实际深基坑支护设计方案为例，根据基坑周边建(构)物的变形监测结果、支护结构内力及变形计算结果、工期、造价、成桩工艺及成桩效果等资料，对同一基坑不同剖面分别采用旋挖灌注桩及钢管桩进行支护效果进行对比分析，分析结果可为今后类似基坑支护方案选择设计时提供参考。

2 工程概况

2.1 基坑及周边环境条件

拟建主要建筑物为三栋超高层住宅楼，其余为低层商业建筑及地下室，均为剪力墙结构。项目设整体的三层地下室。根据建设单位提供地勘报告资料、周边路网管线资料、现场放线测量结果，考虑坑内300mm深的排水沟后，基坑实际开挖深度为14.1m，基坑周长517.6m。基坑周边红线外环境情况：基坑东侧为围墙及30m宽有重车运行的白塔路； 南侧为20m宽规划路，路对面为住宅小区； 西侧为15m宽规划路； 北侧为围墙及24m宽规划路，路对面为10F国税局办公楼。基坑白塔路一侧安全等级取一级，其余为二级。

2.2 工程水文地质条件

表1 土层物理力学参数

根据钻探揭示的土层结构及其物理力学性质，场地地基土按成因类型可分为第四系人工堆积层(Qml)、冲洪积层(Qal+pl)、冲湖积层(Qal+l)、残坡积层(Qel+dl)及二迭系下统茅口组(P1m)基岩等5个大层。场地土层呈典型的多韵律交替沉积特征，基岩(灰岩)面起伏较大。

场地地下水类型为第四系松散层孔隙水及基岩(灰岩)岩溶水。根据钻孔抽水试验结果，地下水影响半径为86.1～92.9m，故对基坑影响较大。松散层孔隙水具弱承压性，主要含水层为②2层圆砾，其透水性和富水性较强； 其次为②2a、③1、③2b、③3、④4a、③4b等层粉砂，其透水性中等，富水性弱至中等。场地浅部松散层地下水水位埋藏较浅，地下水位、水量随季节变化较大，对基坑工程影响较大。各土层的物理力学性质指标如表1所示。

2.2 基坑支护

基坑支护剖面的划分[5]见基坑支护平面布置图1。为节约支护成本，基坑东侧局部支护桩采用可回收钢管桩，型号为Q235φ830×12焊接钢管。支护剖面中1-1、4a-4a、4b-4b剖面，上部3.5m取台放坡后采用φ830钢管桩@1.1m+4排锚索@2.2m； 5a-5a剖面(主楼距坑边12.2m)，整体取土3.5m取台放坡后采用φ830钢管桩@1.1m+4排锚索@2.2m； 5b-5b剖面整体取土3.5m后采用φ830钢管桩@1.2m+4排锚索@2.4m； 2-2剖面宽4m、高3.5m取台后采用φ800 @1.3m灌注桩+4排锚索@2.6m； 3-3剖面宽1.8m、高3.5m取台后采用φ800灌注桩@1.1m+4排锚索@2.2m。止水帷幕桩采用φ600@400的长螺旋搅拌桩，桩长18～20m。所有支护面都进行了挂网喷砼支护，桩顶设置锁口梁。采用钢管桩及灌注桩的支护剖面图详见图2及图3所示。

3 支护效果分析

3.1 两种支护桩受力分析

图1 基坑支护平面图 图2 钢管桩+锚索支护剖面图

图3 灌注桩+锚索支护剖面图

采用理正深基坑支护结构设计软件7.0，对直径为0.8m的C30钢筋混凝土支护桩及Q235φ830×12.0的无缝钢管支护桩进行支护内力计算。为方便比较分析，选择的两个支护剖面的基坑深度都是14.1m，支护桩嵌固深度7.4m，桩顶标高在-3.50m，桩间距1.2m，冠梁尺寸1.2x1.8m，周边附加荷载等条件都基本相同的支护剖面进行计算分析比较。计算出钢管桩及钢筋混凝土桩的桩身位移、弯矩及剪力结果分别见图4及图5。对比计算结果发现，采用钢管桩支护较钢筋混凝土桩支护时，其桩身的最大位移值偏大，而桩身的最大弯矩则较钢筋混凝土桩小，而对桩身最大剪力分布也偏小一点。分析其原因是钢筋混凝土支护桩刚度较钢管桩的大，即在水平力作用下位移就小，同理钢筋混凝土桩身刚度大，承受水平荷载的能力强，相应的桩身弯矩就大，力分配时锚索承受的锚拉力小； 反之，钢管桩刚度小，承受的水平剪力大小，相应的桩身所受弯矩偏小，力分配时锚索受力就大。

图4 钢管桩支护内力计算结果

图5 灌注桩支护内力计算结果

3.2 变形分析

对周边建筑物、道路、地下管线及围护墙顶位移的第三方监测结果进行分析，监测结果如表2所示。围护墙顶竖向位移最大变化值-4.17mm，水平位移最大变化值4.3mm，位移量都较小； 地下管线最大沉降5.51mm； 周边建筑物竖向位移4.82mm； 周边道路竖向位移大于水平位移，最大竖向位移仅4.99mm。即变形值都远小于控制值[6]，支护结构安全可靠。图5给出了变形监测最终结果，从监测结果可以看出，采用管桩支护的变形监测结果稍微大一点，最大4.3mm，采用钢筋混凝土灌注桩支撑，最大变形达3.0mm，相差不大，变形很小，只是允许的控制值30mm的1/10，所以采用钢管桩支护也完全能够满足要求，且施工工期短。

3.3 造价分析

因是试验研究，所以大部分的支护还是采用采用φ800的长螺旋钻孔灌注桩。采用φ800的旋挖成孔C30的混凝土灌注桩，工程量是5 173m，每米的单价是697.8元，总价是3 609 709.05元。φ830钢管桩的工程量是630m，综合单价是525元，总价是330 750元； 止水采用直径600深层搅桩，总价是897 582元。

表2 基坑围护桩顶及周边环境监测值及控制值

从比较φ800的长螺旋钻孔灌注桩每米的单价就高于φ830钢管桩172.8元，若把长螺旋钻孔灌注桩都改为钢管桩支护，则总价上就可节约893 894.4元。

图6 基坑变形监测结果

4 钢管桩施工及回收

钢管桩采用隔桩施工，接头绑搭焊采用ICE液压振动锤施工。鉴于项目地处市中心，建筑垃圾及圆砾层较厚，故钢管桩在②2圆砾层以上采取引孔工艺，平均引孔深度2.5m，具体深度根据现场实际情况确定。基坑上部揭露较厚松散状圆砾层，根据现场旋挖成孔灌注桩试钻情况，若泥浆护壁塌孔严重，就在上部圆砾层段采用钢护筒护壁工艺。

为便于施工及回收，桩顶跳格出露冠梁0.5m、1.0m； 对需回收的钢管桩在网片与钢管桩间设置薄膜，以确保喷射混凝土不与钢管桩粘结。

钢管桩回收要点： 1)分段回收，分段长度20m内； 2)同一回收段内，先施工的后回收、后施工的先回后(即先拔桩头较高部分，再拔桩头较低部分)； 3)土方分层回填至设计锚索标高，放张锚索，然后回填土方至上层锚索标高、放张锚索……循环施工至冠梁顶后，方可回收； 4)采用ICE液压振动锤悬挂于履带吊上，起拔前先振动钢管桩以液化桩边土体，便于回收； 5)钢管桩部分锚索考虑钢管桩回收需要，需对锚索放张，故应保证锚头钢绞线预留长度>70cm，且钢绞线端头采用扎丝缠绕，避免破损。

图7为φ830钢管桩支护示意图，图8为φ800灌注桩支护交界位置图； 桩顶跳格出露0.5m、1.0m与冠梁相连，而灌注桩桩顶露钢筋伸入冠梁。图9、10分别为焊接后的钢管桩及钢管桩施工图。从施工的速度来看，管桩施工较灌注桩施工快得多，灌注桩施工是先成孔，放钢筋笼及浇灌混凝土，混凝土达到一定的强度还需要一定的时间，而钢管桩打入就可，所以钢管桩的施工工期较灌注桩的短，而且钢管桩可以回收重复使用，而灌注桩不行。

图7 φ830钢管桩支护示意图

图8 φ830钢管桩及φ800灌注桩交接位置

图9 焊接好的φ830钢管

图10 φ830钢管打桩机示意图

6 结论

1)在场地及周边环境条件复杂的情况下，建议进行多种支护方案分析比较，择优方案进行支护设计。

2)通过对钢管桩及钢筋混凝土灌注桩两种支护形式在同一基坑的支护效果进行比较分析，采用钢管桩进行支护效果好，工期短，可回收，节约资源，降低造价。支护结构的竖向及最大水平位移，周边道路及管线的变形均在相应规范要求允许的范围内。即采用钢管桩进行支护设计的方案是十分有效和安全的，能够很好的保护周边环境、节约资源、降低造价。