复杂地质条件下桩支撑体系在综合管廊深基坑施工中的应用

杨洪镅

（山西诚信市政建设有限公司， 太原 030008）

1 引言

随着城市建设的迅猛发展，城市中心区土地资源稀缺，需要在有限的土地面积上充分利用地下空间，使得深基坑工程越来越多，并表现出很强的复杂性和独特性。通过多项工程实践研究表明，卸荷状态下土体的工程性质与加荷状态下有很大差异[1,2]。大量的深基坑工程实践表明，影响基坑安全的因素主要集中在设计缺陷和施工质量等方面。

在山西省太原市晋源东区综合管廊十字交叉口深基坑工程实践中，采用卸荷应力路径下的土体参数，实测活络接头刚度系数，进行桩支撑体系设计计算，施工过程统筹优化设计、土方开挖工况，避免最不利工况出现，并通过现场监测，验证设计成果和应用效果，为综合管廊及类似深基坑工程的设计、施工提供借鉴。

2 工程概况

山西省太原市晋源东区综合管廊纬三路段长约3.1 km，标准断面采用5仓形式，分别为污水仓、电力仓、综合仓、燃气仓和雨水仓，管廊净高6.8 m，位于道路下方，道路宽30 m，道路两侧分布有住宅小区、学校、民房建筑等。本工程为综合管廊十字交叉口基坑，该范围基坑深度12.7 m，基坑南侧为6层住宅楼，砖混结构，筏板基础，天然地基，基础埋深6.8 m，基础边缘距管廊外墙3.5 m。

3 工程地质及水文地质

建筑场地位于汾河西岸Ⅰ级阶地，该场地地下水埋深1.5～2.0 m。各土层的分布及特征如表1所示。

表1 土层的分布及特征表

4 支护设计

该基坑开挖范围土层强度低、压缩性高、地基承载力低。交叉口西南部6层砖混住宅采用天然地基，抗变形能力弱，且地下水位高。为控制基坑变形，用排桩结合内支撑体系进行基坑支护，止水帷幕采用深层搅拌桩，坑内采用管井降水。

4.1 支护设计方案

排桩采用钢筋混凝土灌注桩，桩径900 mm，桩间距1.3 m，嵌固深度13 m，混凝土强度等级C30。基坑内侧设3道支撑。为控制基坑位移，第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，其他为钢管支撑。（1）钢筋混凝土支撑为矩形截面800 mm×800 mm，两端设八字撑，与冠梁相连。（2）钢管支撑选用φ609 mm@16 mm、Q235B，支撑间距为4.0 m。通过钢围檩与排桩相接。

4.2 支护设计计算

4.2.1 土工试验参数

对于支撑式结构，常将整个结构分解为挡土结构、内支撑结构进行分析。挡土结构采用平面杆系结构弹性支点法进行分析，内支撑结构按平面结构进行分析[3]。

采用弹性支点法时，作用在支撑结构上的土压力主要取决于各层土的黏聚力和内摩擦角。基坑开挖时，土体卸荷并引起剪切变形，随变形增大进入主动或被动极限平衡状态是一个动态卸荷的过程，该过程应随开挖深度的增加而逐步产生。土体的力学性质受其应力数据、应力路径影响较大。墙后土体的应力路径接近于减压的三轴压缩试验，此时竖向应力为主应力σ1，并在试验过程中保持为常数。而侧向应力σ3逐步减少，直到达到极限应力状态。

常用的摩尔应力图中，每个试样三轴压缩的全过程可用一系列的摩尔圆反映应力的变化，剪切破坏面与大主应力作用面之间夹角为45°+φ/2，由每个摩尔圆上相应位置确定该破坏面上的应力状态，利用绘图方法得到常规三轴压缩试验中剪切破坏面的应力路径。按照卸载应力路径，通过室内试验得到现场各土层的参数见表2。

表2 土层物理力学指标

4.2.2 弹性支点刚度系数

对水平支撑，当支撑腰梁的挠度忽略不计时，弹性支点刚度系数kR按下式计算：

式中，λ为支撑不动点调整系数，λ=0.5；支撑两对边基坑的土性、深度、周边荷载等条件或开挖时间有差异时，对土压力较大或先开挖的一侧，取λ=0.5～1.0；αR为支撑松弛系数，对混凝土支撑和预加轴向压力的钢支撑，取αR=1.0；E为支撑材料的弹性模量，kPa；A为支撑截面面积，m2；l0为受压支撑构件的长度，m。

本工程采用φ609 mm@16 mm钢管支撑，经计算kR=374.55 MN/m。

目前，钢管内支撑体系大多数由多段法兰连接的钢管和活络接头组成，活络接头与围檩相连，另一端通过法兰盘与钢管连接。活络端起到施加轴力、传递荷载的作用。活络接头是整个钢管内支撑体系的一个重要组成部分，实际工程中活络接头多采用市场租赁形式，当钢管支撑与活络接头共同作用时，未必能够达到“等强度、等刚度”。

现场随机抽取3个活络接头，利用锚桩反力装置分级加载，利用位移传感器监测变形。弹性变形阶段的刚度系数kR=235～258 MN/m。，设计计算时取为200 MN/m。

4.3 基坑阳角的处理

基坑阳角是变形控制的不利位置，若在设计中考虑不周，极易造成整个基坑体系失效。本基坑采取下列措施对阳角处进行处理[4]：（1）支护桩外侧补强加固；（2）在阳角的两条直角边分别设置对撑将其顶牢；（3）设置钢筋混凝土拉梁。

4.4 基坑土方开挖顺序

本基坑为十字交叉基坑，周边建筑物距离近，抵抗变形能力差，基坑阳角多，受力复杂，易发生破坏，为提高基坑工程的安全储备，控制基坑支护体系的变形，需统筹安排设计、土方开挖工况，分区域、分阶段实施土方开挖，避免最不利工况的出现。

5 基坑监测结果

根据文献[5]选取适当的基坑监测内容，通过监测数据分析基坑开挖过程中基坑变形性状及基坑开挖过程中南侧住宅楼的变形。选取该基坑监测内容如下：基坑顶部位移，桩身深层侧向位移，南侧住宅楼沉降、钢支撑轴力发展变化情况。

5.1 基坑顶部水平位移

取基坑南侧桩顶水平位移监测数据，通过基坑顶部水平位移变化可以看出基坑顶部水平位移在5～10 mm，主要是因为基坑顶部为钢筋混凝土支撑，限制了支护桩顶部位移。

以本施工6层楼楼房北侧及东侧为例，支护桩中布设有侧斜管，通过测斜仪监测支护桩的深层水平位移，见图1、图2。

图1 水平位移-深度关系曲线（6层楼东侧)

从图1和图2中可以看出，随着基坑开挖深度的增加，桩体水平位移逐渐增大，最大水平位移位置也随基坑开挖的下降而逐渐下降。桩体水平位移最大值为24.54 mm。

5.2 基坑南侧住宅楼沉降

基坑开挖期间，基坑南侧住宅楼沉降量不断增加，累沉降量为11.81～21.14 mm。楼房北侧沉降量大于南侧沉降量，楼房东侧沉降量大于西侧沉降量。南北向最大倾斜0.42‰，东西向最大局部倾斜0.18‰。均未超过建筑物容许变形值。

5.3 钢支撑轴力

在钢支撑一端布设轴力计，监测轴力的变化。随着基坑开挖深度加大，支撑轴力均有明显增长，达到1 650 kN。

图2 水平位移-深度关系曲线(6层楼北侧)

6 结论

1）在复杂条件下，在综合管廊十字交叉基坑工程中采用桩支撑体系，根据项目实际施工效果和环境监测数据，采用桩支撑体系确保了基坑、周边建筑物及道路的安全，是复杂条件下深大基坑支护的成功应用，为类似工程提供指导。

2）采用卸荷应力路径下的土体参数，符合土体开挖过程中土的实际应力状态，实测活络接头刚度系数，符合钢管支撑体系的实际受力工况，消除钢支撑的安全隐患。

3）统筹优化设计和土方开挖，避免不利工况出现，确保基坑工程的支护安全。

本文中的相关数据均来源于综合管廊施工实时监测。