托换桩－土钉墙组合支护结构在基坑工程中的应用

陈鑫

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司 200092）

引言

随着城市建筑密度不断增大，有时紧邻基坑即存在既有建筑物和管线，基坑开挖易引起建筑物的倾斜、管道开裂等破坏情况。因此，基坑开挖过程中对周边建筑物、地下管线等周围环境的保护成为基坑支护的首要问题。土钉墙支护施工方便、经济高效，但需要一定放坡空间，且基坑侧向变形和坡顶竖向变形相对较大。桩锚式支护结构较土钉墙支护刚度大，通过锚杆锚拉力可以有效控制基坑侧向变形，但费用较土钉墙支护高。托换桩可以用来控制既有建筑物基础的沉降，将托换桩与土钉墙组合，形成托换桩－土钉墙组合支护结构（简称“托换支护法”），即应用托换桩直接限制建筑物沉降，同时与土钉墙一起限制基坑开挖土体的侧向变形，二者结合则可以达到限制坡顶建筑物基础沉降和基坑侧向变形的双重目的。传统的支护方法都是通过限制基坑侧向变形间接保护既有建筑物，属于被动的保护，而托换支护法对临近建筑物基础的预防性托换则属于主动保护［1］。

1 作用原理

托换支护法首先施工托换桩，然后分级开挖土体并施工土钉墙。随着基坑开挖，上部建筑物荷载使托换桩侧向受力，在侧向力作用下托换桩产生侧向变形，引起土钉受力，土钉依靠自身摩阻力限制基坑侧向变形。基坑侧向变形促使坡顶建筑物基础在一定范围内产生沉降，而托换桩通过把建筑物上部荷载传递到深层土体限制了建筑物基础的部分沉降，减小了基底压力，进而降低了基坑侧向变形及坡顶沉降。另外，传递至托换桩的荷载会使其产生沉降。托换支护体系的荷载传递，使得坡顶建筑物基础沉降大于托换桩沉降部位的荷载传递至托换桩，传递至托换桩上的荷载越多，坡顶荷载越小，基坑侧向变形越小，坡顶沉降越小，反过来使传递至托换桩上的荷载越小。这一反复的荷载分配过程和变形协调过程就是托换支护法的作用原理。

托换桩－土钉墙组合支护结构的作用原理主要具有以下三方面特征：（1）随着基坑开挖，托换桩的受力不断发生变化，坡顶建筑物基础沉降、基坑侧向变形和托换桩的桩顶沉降也不断发生变化，构成一种动态变化的变形协调过程；（2）托换桩和土钉墙共同限制土体侧向变形和分担侧向土压力，从而构成托换桩－土钉墙相互作用体系；（3）托换桩－土钉墙组合支护结构的变形协调影响到土压力的传递与分布，具有支护结构特征，形成托换桩－土钉－上部结构相互作用的支护体系。

2 工程概况

本文基坑工程位于新疆乌鲁木齐高铁片区核心区，长52.2m，宽43.8m，形状约为倒梯形，开挖深度分别为7.55m、9.00m、12.30m。基坑周围环境复杂，基坑北侧紧邻既有电力隧道及未建成纬七路，开挖深度为7.55m～9.00m；基坑西侧距电力隧道距离为7.45m、距离既有围墙4.3m，开挖深度为10.85m ～12.30m；基坑东侧及南侧为现状空地，开挖深度为9.00m。电力隧道起于卓越110kV变电站，至市政综合管廊，为矩形钢筋混凝土结构，净宽2.00m，净高2.10m，顶板和壁板厚度均为350mm，底板厚度为500mm，隧道底板面标高为1956年黄海高程816.2m～810.6m。基坑支护平面布置见图1。基坑安全等级为二级。为保证既有电力隧道安全，基坑北侧采用托换支护法，西侧采用桩锚支护，东侧和南侧采用放坡开挖。本文重点讨论托换支护法在基坑工程中的应用，因此，以基坑北侧托换支护法为例进行分析研究。基坑北侧纬七路为待建道路，现已施工至路基，路基下已铺设雨、污水管，燃气管。为减小既有电力隧道北侧侧土压力，电力隧道北侧采用放坡＋喷射混凝土面层支护，支护剖面见图4。

图1 基坑支护平面布置Fig.1 Layout plant of building foundation excavations

3 工程地质条件

工程场地总体地势西高东低，场地高程在814.20m～818.27m，地形起伏较大。根据岩土工程勘察报告，场地土层由上至下依次为①层杂填土、②层粉土、③层圆砾、④层强风化基岩、⑤层中风化基岩。各层土体物理力学参数见表1。

表1 土体物理力学参数Tab.1 Soil mechanics parameters

勘察工作期间勘探深度范围内未见地下水。考虑到基坑开挖深度内局部为风化基岩层，根据周边工程经验，风化基岩层中普遍存在裂隙水，施工期间应采取有效排水措施。

4 基坑支护设计

托换支护法通过托换桩限制临近建筑物的竖向变形和承担一部分侧向土压力，并通过土钉保持基坑的整体稳定性，土钉在减小基坑侧壁的侧向变形的同时也可以减小坡顶沉降，进而减小托换桩桩顶的竖向荷载。因此，托换桩支护法是通过托换桩－土钉－上部结构－土体的协同作用达到减小基坑侧壁变形和坡顶沉降的目的。

4.1 托换桩设计

1.桩体设计参数

托换桩采用矩形人工挖孔桩，桩身截面尺寸为500mm×700mm。为满足人工挖孔桩施工空间要求，孔尺寸为700mm×1000mm，待500mm×700mm人工挖孔桩钢筋绑扎完成后，整个操作坑采用混凝土浇筑，具体做法见图2。桩身竖向配筋814，箍筋φ8＠100（φ8＠200），桩身混凝土强度等级为C30。

图2 人工挖孔桩做法示意Fig.2 Practice diagram of manual excavation pile

根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94－2008）表5.3.5－1 及表5.3.5－2，以及土层性状选取合适的极限侧阻力标准值qsik和极限端阻力标准值qpk，选择③层圆砾作为托换桩的持力层，桩长暂定为6m。极限侧阻力标准值qsik和极限端阻力标准值qpk见表2。

2.单桩承载力特征值

托换桩单桩承载力特征值根据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94－2008）式5.2.2 及式5.3.5 计算，由于基坑紧邻电力隧道进行开挖，造成桩体一侧暴露，所以仅考虑人孔挖孔桩三面的侧摩阻力。

式中：u为桩身周长（m）；li为桩周土厚度（m）；Ap为桩截面面积（m2）。

计算所得托换桩单桩承载力特征值Ra＝1154.2kN，取Ra＝1150kN。

表2 极限侧阻力标准值qsik和极限端阻力标准值qpkTab.2 Nominal value of ultimate shaft resistance and ultimare tip resistance

3.托换桩间距

为使电力隧道底板纵向受力更均匀，托换桩间距暂取5m，计算所得5m长电力隧道总荷载Q为480kN，Q＜Ra，满足要求。托换桩平面布置见图3。

图3 托换桩平面布置Fig.3 Layout plant of underpinning piles

4.2 土钉墙设计

根据本基坑工程现场实际情况，考虑基坑北侧与既有电力隧道的位置关系和其他相关设施布置情况，基坑北侧分为AB（13m）、BC（31m）、CD（20m）3个区段布置土钉，区段划分见图3。其中，BC段离既有电力隧道最近距离仅有80mm，对应1－1剖面；AB、CD段对应2－2剖面。

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120－2012）中有关规定，利用理正深基坑软件（SFPW7.0）进行土钉墙设计。土钉均采用125钢筋，土钉与水平面夹角取20°，水平间距1.0m，竖向间距1.2m，钻孔直径120mm，注浆材料采用水泥砂浆，水泥砂浆水灰比为0.45。喷射混凝土面层厚100mm，混凝土强度等级为C20，布置φ8＠200单层双向钢筋网片。1－1、2－2剖面土钉布置如下：1－1剖面布置3排土钉，剖面见图4a；2－2剖面布置4排土钉，剖面见图4b。

5 基坑支护施工

基坑支护施工主要包括托换桩施工和土钉墙施工两个过程，基坑施工过程及完成现场情况见图5。

5.1 托换桩施工

人工挖孔桩施工主要包括桩孔开挖、护壁、桩基钢筋笼制作及安装、桩基及承台浇注、操作坑回填几个步骤。人工挖孔桩应采用间隔开挖施工，桩孔开挖至设计标高后应排除孔底积水，承台应采用微膨胀混凝土进行浇注。

人工挖孔桩均位于既有电力隧道下方，受现场条件限制无法进行单桩承载力试验。由于人工挖孔桩可人工检查桩底沉渣厚度，并直接检验是否达到桩端持力层，因此，本工程对全部人工挖孔桩通过人工检查桩基是否达到持力层及桩底沉渣厚度，以保证人工挖孔桩单桩承载力满足要求，并对桩身进行完整性检测来判断桩身是否有缺陷，检测数量为12根。

经现场检验及测试，12根人工挖孔桩均达到桩端持力层，桩底沉渣均满足要求，桩身完整性类别均为I类桩。

5.2 基坑开挖及土钉墙施工

基坑土方开挖必须根据支撑布置按分层、分块、对称、限时、限量的原则，分段均匀连续进行。土钉墙施工随基坑开挖进行，基坑开挖深度根据现场实际情况确定（不超过1.5m），随挖随支。施工过程应尽量减少开挖对上部既有建筑的影响。基坑坡顶、坡脚设置排水沟，及时排出地表及基坑内集水，并要求对基坑坡顶的地面进行硬地化处理，以防止地表水渗入到坑外土体中。

土钉采用成孔注浆型土钉，水泥砂浆的水灰比为0.45，同时，灰砂比取1∶1。注浆压力不应小于0.4MPa，并在孔口采取封堵措施，保证孔内注浆饱满。每层土钉注浆完成后应及时施工喷射钢筋混凝土面层。

图4 基坑支护剖面Fig.4 Retaining and protection section of building foundation excavations

土钉必须进行抗拔承载力检测及面层喷射混凝土试块强度检测。面层喷射混凝土每500m2检测数量不得少于1组，每组检测点不应少于3个，全部检测点的厚度平均值不得小于设计厚度，最小厚度不应小于厚度设计值的80%。土钉抗拔承载力试验每道土钉不得少于3根，抗拔试验土钉数不得少于土钉总数的1%，抗拔承载力的检测值不应小于土钉轴向拉力标准值的1.3倍。

5.3 基坑坡顶水平位移监测

基坑支护结构的检测和监测除按照国家标准《建筑基坑工程检测技术规范》（GB 50497－2009）和有关规范执行外，尚应满足电力部门提出的电力隧道水平位移和竖向沉降均不得超过10mm。在北侧托换桩－土钉墙组合支护结构顶部布置3个监测点a、b、c用以监测电力隧道边坡顶部水平位移。基坑坡顶水平位移监测报警值应由监测项目的累积变化量及变化速率值共同控制。基坑北侧电力隧道托换桩－土钉墙组合支护结构的监测结果如表3所示。

表3 电力隧道边坡顶部水平位移Tab.3 Horizontal displacement at the top of the slop

图5 基坑施工过程及完成现场Fig.5 Construction process and completion site of excavations

根据规范，二级基坑坡顶水平位移累计报警值为0.6%H（H为基坑开挖深度），即24mm。位移变化速率限制为10mm／d～15mm／d。本工程基坑累计报警值与位移变化速率均满足规范要求，同时满足电力部门提出的变形控制要求。

6 结语

目前工程已施工完成，施工过程中基坑未发生任何安全事故，基坑变形均满足规范要求，电力隧道及临近建筑结构安全完好。本工程实例证明托换桩－土钉墙组合支护结构达到了预期保证既有建筑物安全和基坑稳定的效果，是一种有效的加固支护措施。相对于传统土钉支护结构，托换桩－土钉墙组合支护结构变形及内力更小，整体稳定性更大；相对于内支撑支挡围护结构，托换桩－土钉墙组合支护结构施工更方便，费用更节省，经济高效。

本文可以得出以下结论：

1.工程实例证明托换桩－土钉墙组合支护结构达到了预期保证既有建筑物安全和基坑稳定的效果，是一种有效的加固支护措施。

2.托换支护法作为一种新型支护技术，其通过既能承受竖向荷载又能承受水平荷载的托换桩的转换作用，把部分坡顶建筑物荷载由坡顶转移至深部土体，大大减小了坡顶荷载对基坑侧壁的影响。相对传统的土钉墙支护，新型托换桩－土钉墙组合支护结构可以很明显的减小支护结构的变形和内力。

3.无论土钉相对锚索还是托换桩相对灌注桩，托换支护法所需的支护费用都大大降低。托换桩直接作用于临近建筑物基础，变形控制效果远好于传统基坑支护方法，从而能够较好地保护周围环境。该支护体系中的土钉和托换桩都具有经济、可靠、施工高效等优点。