深基坑前排倾斜双排桩设计与施工技术研究*

马雪兵，余地华，郑 刚，黄晓程，叶 建，赖国梁，程雪松

(1.中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北 武汉 430064； 2.天津大学土木工程系，天津 300072)

1 前排倾斜双排桩概述

前排倾斜双排桩由前排倾斜桩、后排垂直桩、前排桩顶冠梁、后排桩顶冠梁、前后桩间连梁组成。前后排桩都采用大直径钻孔灌注桩，整个支护体系为一整体受力的空间结构，如图1所示。

图1 前排倾斜双排桩示意

本支护体系受力机理为：后排垂直桩承受桩后主动区土压力作用，支护桩后土体通过桩顶连梁，向前桩输出水平推力；前排倾斜桩承受桩前被动区土压力作用，通过连梁为后桩提供水平抗力；同时因倾斜角度的存在，也可承受轴向荷载，通过连梁为后排提供水平支抗力；桩间土体相当于土弹簧，在桩间受压。

本支护体系最大受力优势为：前排倾斜桩相对于常规垂直桩，可承受的桩前被动土压力更大，承受的桩间主动土压力更小；因倾斜角度的存在，在支护结构整体向坑内变形时，可承受轴向力，通过连梁为后排垂直桩提供水平抗力。

2 前排倾斜双排桩结构参数影响研究

以武汉地区常青三金潭深基坑项目坑中坑某区段设计工况为例，采用Plaxis2D2018有限元软件进行前排倾斜双排桩的多种结构参数组合计算分析，包括前后桩桩长、桩间距、连梁长度等主要结构参数对前排倾斜双排桩性状的影响。

表1 土体模型参数

2.1 工程地质条件及模型概况

场地地貌属于河流冲积平原类型，相当于I，II级阶地，为第四系全新世运动中地壳升降形成的冲、洪积地貌形态，地层具有二元地层结构特性，模型采用土体及材料参数如表1，2所示。

表2 材料模型参数

因塔楼区坑中坑先施工，拟从地面开始设计施工前排倾斜双排桩，基坑开挖从地面标高22.000m至集水井基底标高12.050m，开挖深度取10m计算。计算采用的前后灌注桩直径均为1m，前后排桩之间的连梁截面尺寸0.9m×0.9m，前桩倾斜角度15°。双排桩支护采用板单元模拟，土体采用小应变硬化本构模型，土体的小应变参数依据勘察报告结合工程经验确定。

表3 结构模型

2.2 桩身受力变形特征

以组合2的计算结果为例，前桩倾斜双排桩桩身受力变形情况如图2所示。

图2 桩身位移与弯矩曲线

从图2可以看出，后桩的桩身位移小于前桩、弯矩略大于前桩，这从连梁受压也能反映双排桩前后桩的位移与弯矩大小关系。从位移曲线可以看出，桩身位移最大点在开挖面以上一定距离，不在桩顶，主要因前桩为倾斜桩起到一定的支撑作用；从弯矩曲线可以看出，前桩弯矩相对较小，后桩相对大，主要因前桩受一定轴力作用，且倾斜状态受桩间土压力作用相对小；前后桩的受弯方向正好相反。

2.3 结构参数影响分析

将结构参数组合2与组合10进行对比如图3所示。由图3可知，随着桩体长度增加，基坑水平位移及基坑外沉降均减小，支护桩内力减小。当桩长由30m减小为28m时，基坑位移增加幅度较大，主要是由于桩长30m时，斜桩和直桩均可进入土质相对较好的粉细砂层。

图3 位移与内力随前桩长度变化曲线

将结构参数组合2与组合10进行对比如图4所示。由图4可知，随着后桩桩体长度增加，基坑水平位移及基坑外沉降均减小，变化规律与效果同前桩相似，但整体效果提升没有前桩增长好，图3中位移减小约18mm，图4中位移减小13mm。

图4 位移与内力随后桩长度变化曲线

将结构参数组合2、组合5、组合7进行对比如图5所示。由图5可知，随着连梁长度增加，基坑水平位移及基坑外沉降均减小，支护桩及连梁弯矩呈减小或平稳趋势。

图5 位移与内力随连梁长度变化曲线

将工况1，2，3进行对比如图6所示。由图6可知，随着桩体间距增加，基坑水平位移及基坑外沉降均略有增加，其原因为桩体间距增加会导致支护结构刚度减弱，进而引起位移增大。

图6 位移与内力随桩体间距变化曲线

通过综合分析12种结构参数计算结果可得出以下结论。

1)随着桩体长度的增加，桩体嵌固进入粉细砂层，可以有效减小基坑变形及支护结构内力。在本工程中，由于软土层较厚，建议直桩与斜桩桩长均取30m。

2)本工程中，当前后排桩间距适当增大时，支护性能较好。但前排桩间距不宜过大，否则会占用较大的空间，建议本工程前后排桩间距取3m。

3)在每排桩内，随着桩间距增大，支护结构位移略有增加，但增加幅度不大，因此为了降低造价，可以适当增加桩间距。但桩间距过大将使得桩间土容易塌落，本工程建议桩间距取1.5m左右。

4)综上所述，建议本工程采用结构参数组合2的支护结构方案，即桩直径1m，前后排桩中心距3m，每排桩内桩间距1.5m，直桩与斜桩桩长均取30m。此方案基坑最大变形约为50mm，但由于前排倾斜双排桩应用区段位于基坑内，具有试验应用性质，能满足支护要求。

3 前排倾斜双排桩支护体系设计

本工程应用前排倾斜双排桩区段的设计大样如图7所示。在解决双排桩前桩与坑内主体工程桩空间碰撞问题时，主要采用将双排桩往坑外后退一定距离，同时尽量将前排倾斜桩设计在2个承台与工程桩之间，避开工程桩，在无法避开的个别区域，采用缩小前桩的方式，如倾斜角度采用12°以避开工程桩。

在前桩配筋时，主要考虑受弯与受剪进行桩身配筋；因支护桩桩径较大，前排倾斜桩桩身抗压能力较土层提供的轴向承载力大，因此轴向受压为验证性计算，同时在土层差异较大时，在考虑经济合理状况下，尽量使前桩进入较硬土层，以提高轴向承载力。

图7 前桩倾斜双排桩支护结构设计大样

支护桩与冠梁、冠梁与连梁之间节点的可靠连接是保证支护体系整体受力的关键。为此，依据GB50010—2010《混凝土结构设计规范》(2015版)，支护桩主筋锚入冠梁的长度、连梁主筋应锚入前后冠梁的长度均不应少于1.5La(La为受拉钢筋锚固长度)。

4 倾斜钻孔灌注桩施工技术

4.1 施工难点

1)成孔困难 因倾斜钻孔灌注桩施工成孔时为斜向，容易形成塌孔，特别是在软土区域，即便是在泥浆护壁作用下，依然容易塌孔，若在高承压水头区域，塌孔现象更为严重。

2)施工设备特殊要求 现阶段能进行斜向成孔，特别是大直径斜向成孔的设备较少。类似旋挖钻机等设备，设计都基于垂直施工，斜向时在重力作用下，钻杆刚度不足，容易弯曲，成孔中心线成曲线形下坠，动力头易发热。

3)钢筋笼吊装困难 斜向状态下钢筋笼吊放困难，容易造成卡笼，且在重力作用下钢筋笼紧贴下部孔壁，无法居中，较难保障支护桩保护层厚度。

4)导管下放困难 由于倾斜下放及重力作用，吊放导管容易卡笼，下放过程中顶到钢筋笼，导管无法居中下放。

4.2 主要设备与机械原理

本项目倾斜钻孔灌注桩施工主要采用全回转钻机下压全套管形成孔壁支护，在套管下压过程中，采用改进的旋挖钻机进行套管内取土；在下笼与混凝土灌注过程中，形成全套管支护，混凝土灌注过程中不断回拔回收套管，如图8所示。

图8 全回转全套管倾斜灌注支护桩施工原理

全套管全回转钻机工作装置一般包括：楔形夹紧装置(包含直径变更装置)、套管回转驱动装置、套管压拔装置、辅助夹紧装置、水平调节装置。

全套管全回转钻机可带动套管360°回转钻进、回拔，是一种机械性能好、成孔深、桩径大、经济环保、高效的钻进技术，适合各类复杂地质地层。

4.3 主要工艺流程

主要施工流程如下：平整土地→测放桩位→混凝土导向垫层浇筑→桩中心定位→全回转钻机就位→通过调节支腿油缸确保施工角度→下放套管→全回转夹紧套管进行回转下压施工→旋挖钻机套管内部取土→持续取土及套管跟进→成孔至设计孔深→清孔→下放钢筋笼→下放导管→灌注混凝土，逐节起拔套管及导管→测定混凝土桩面→成桩。

4.4 主要施工技术

4.4.1混凝土导向垫层

设置倾斜导向混凝土垫层，提前定位倾斜桩孔位，设置固定环与固定牛腿，用于固定全回转钻机，使其在斜向回转下压套管时，有足够的反力，如图9所示。本导向垫层不仅起设备固定与使设备成角度的作用，同时起地面硬化作用。

图9 斜桩施工导向垫层

4.4.2双层钢筋笼

在本项目倾斜钻孔灌注桩施工中，钢筋笼采用内外双笼的形式，如图10所示，以确保导管能顺利下放，并且居中放置。内外层钢筋笼之间通过连接钢筋连接在一起。其中内笼导向钢筋采用8号圆钢，固定在内笼的内部，在混凝土导管吊装过程中，导管随内笼导向钢筋向下滑动。

图10 斜桩双层钢筋笼大样

在全回转钻机的全套管中，节与节之间有内部凸起，且在套管端部有20mm的钻齿外凸，因此成孔直径大于内径，在套管提起后，混凝土会下沉，形成保护层。在套管内节与节连接处20mm的凸出可起支点作用，保障钢筋笼居中并平顺下放，同时保障保护层厚度。

5 结语

1)根据结构特点，简单介绍了前排倾斜双排桩支护的受力机理，相对于常规双排桩，前桩倾斜桩可承受轴向力，通过连梁为后排桩提供水平支抗力，为该支护体系的最大受力优势。

2)前排倾斜双排桩的后桩桩身位移小于前桩、弯矩略大于前桩，因前桩起到一定的支撑作用，桩身位移最大点不在桩顶。

3)在桩径和倾角一定时，增加前后桩桩长、缩小桩间距、缩短桩间连梁，都可以提高支护效果，特别是土层差异比较大时，前桩进入底部硬层土，对支护效果提高明显。

4)前桩倾斜双排桩设计时，重点需考虑与坑内工程桩碰撞问题，采用后退空间、调整前桩桩位、个别减小倾斜角度的方式以避开工程桩；前桩配筋主要考虑受弯受剪，轴向承载力以土层承载力为主。

5)前排倾斜桩施工采用全套管全回转钻机结合旋挖钻机斜成孔施工，在成孔、下笼、灌注的成桩过程中形成全过程套管护壁，采用双层钢筋笼等专项技术措施解决斜桩成桩特殊工艺问题。