软土地区复杂边界条件下深大基坑钢前撑支护应用研究

2021-02-23谢弘帅李正阳何林南郑鹏亮王宗生杜维彬

建筑施工 2021年11期

关键词：支护桩垫层钢管

谢弘帅李正阳何林南郑鹏亮王宗生杜维彬

1. 上海海洋地质勘察设计有限公司上海 200120；2. 中建二局第一建筑工程有限公司北京 100176

1 工程概况

1.1 工程简介

项目位于浙江省玉环市，分为住宅区和商业区，整体设一层地下室。基坑周长1 768.00 m，基坑面积7.85万 m2。基坑开挖深度为4.35～7.05 m。

基坑西侧为规划道路，其余三侧为已建市政道路，其中住宅区北侧地库外墙距用地红线最近2.10 m，距外墙5.50～8.30 m分布有消防、供水、电力等市政管线，基坑周边环境如图1所示。

图1 基坑周边环境示意

1.2 工程地质条件

根据地质资料，场地地貌属冲海积平原，基坑开挖影响深度内以淤泥为主，基坑开挖的坑底位置均位于该土层上。土性物理力学指标如表1所示。

表1 基坑围护设计土性物理力学指标

地下水类型主要为孔隙潜水和微承压水，潜水埋深0.5～1.5 m，微承压水头埋深约2.8 m。

2 基坑支护方案选型

住宅区北侧基坑距用地红线较近（最近仅2.10 m），且红线外分布有诸多市政管线。基坑跨度较大，若采用常规的水平支撑需设置大范围的角撑，支护造价高，且支撑系统养护和拆除时间长，造成资源浪费；若采用斜抛撑支护，则需跨越北侧坑边主楼设置，并需待中心岛底板养护后进行斜撑下土方的二次开挖，延误工期，无法满足建设单位主楼先施工、先预售的工期要求。

因此本工程引入钢前撑支护技术[1]，通过在坑内设置斜向钢管撑，并在基底软土中对钢管注浆以提高摩阻力，形成超前支撑。不仅不占用基坑开挖工期，且底板可一次性施工完成，既减少了资源浪费和土方开挖难度，也可以避免因底板分区可能引起的渗漏风险。从造价、工期和施工便利性方面都具有明显的优势。

3 数值模拟分析

住宅区北侧支护采用φ700 mm钻孔灌注桩＋高压旋喷桩止水帷幕，钢前撑采用φ325 mmh 8 mm，间距2 700 mm，长度24.0 m，倾角45e ，单根钢管注浆3.5 t，坑边7.0 m范围设厚200 mm配筋垫层，坑内设高压旋喷桩加固，厚3.0 m。基坑支护典型剖面如图2所示。

图2 基坑支护典型剖面示意

通过有限元数值模拟对其受力特征进行分析，基坑开挖至基底标高时，最大位移位于钢前撑与基底交界部位，位移值为17.45 mm，钢前撑轴力为404.46 kN，支护桩最大位移为15.24 mm。取距离基坑最近的消防管线进行分析，基坑开挖到底时，管线最大位移为11.61 mm，基坑变形可控（图3～图5）。

图3 基坑位移云图

图4 支护桩位移图

图5 管线位移图

4 施工工艺技术要点

4.1 施工工艺流程

支护施工流程为：施工支护桩→施工圈梁及钢前撑并跟踪注浆→采用岛式挖土分层分块挖除坑边配筋垫层设计宽度的土方→施工配筋垫层，钢前撑穿越底板区域设置止水钢板→待配筋垫层达到80%设计强度，分层分块挖除基坑中部区域土方，并浇筑垫层底板→地下室结构施工→基坑回填→割除钢前撑。

4.2 施工技术要点

1）单节钢管杆体长度一般可控制在6～12 m；上下节钢管采用套管焊接连接。

2）注浆钢管成孔可采用振入注浆式或自钻式成孔这2种方式，根据土层情况可预先引孔。

3）本工程宜采用约束式注浆工艺，水泥浆液水灰比宜取0.5～0.7。应结合约束体位置针对性实施注浆作业，钢管杆体沉放到位后跟进注浆。注浆应按约束体位置由下到上依次单独实施；注浆流量宜控制在20～40 L/min，注浆最终完成的标准以单根桩水泥用量或最终注浆压力控制：φ325 mmh 8 mm单根桩水泥用量不宜少于3.5 t或最终注浆压力1.5～2.0 MPa；注浆完成后钢管内填满20～40 mm级配碎石，并用纯水泥浆液灌满。

4）基坑分段开挖长度需控制在20 m以内，配筋垫层一端应浇筑至围护桩边，另一端从型钢桩入土点外延不小于2.0 m。

5）钢前撑拆除应在相应区域底板以及可靠换撑形成，且达到设计强度80%后进行，若周边环境条件较为敏感，则可保留部分注浆钢管待地下室施工至f 0 m后再进行拆除回收。

6）钢前撑应通过调整角度避开工程桩、电梯井及消防集水井等部位，且需对钢前撑进行准确定位。

4.3 荷载试验

钢前撑应根据规范[2]要求进行静载荷试验以确定单桩承载力，试验桩的数量不少于3根，加载应分多级进行，且应采用逐级等量加载，最大加载量为1 000 kN，变形按总沉降量100 mm控制。

根据钢前撑竖向抗压静载试验分析报告，钢支撑竖向抗压极限承载力不小于1 000 kN，最大沉降量在18.08 mm～23.52 mm，满足设计要求，卸载至零后，有明显的回弹量，钢支撑结构基本完整。钢前撑静载荷试验成果详见表2。

表2 钢前撑静载荷试验成果汇总

5 基坑支护效果

为保证基坑的安全，在基坑施工过程中对基坑进行了各项变形和应力观测。本文主要对围护结构有直接检验效果的深层土体水平位移、支撑轴力和体现对周边环境影响的管线沉降进行分析。

图6为开挖至基底标高时深层土体水平位移监测曲线。从图中可以看出，支护桩最大位移发生在基坑顶部，位移值为15.21 mm，与有限元模拟结果基本一致。考虑到基底以淤泥为主且分布厚度较大，主要是因钢前撑在斜向荷载作用下，在淤泥土层中出现沉降和变形。

图6 深层土体水平位移监测曲线

图7为深层土体水平位移最大值在不同施工时期的位移曲线。从图中可以看到，在基坑开挖阶段位移变化速率较大，为0.55～1.31 mm/d。至底板浇筑后，位移曲线出现明显拐点，水平侧向位移趋于稳定，变形速率逐步下降至0.07 mm/d，但随着基坑暴露时间增加，累计变形仍在逐步增大。至基坑回填，深层土体最大位移值为25.72 mm，满足设计要求。