桩撑支护体系在改扩建工程中的设计与应用

叶 培 权

(朔州市朔城区城建技术服务公司，山西 朔州 140602)

1 工程概况

本工程为朔州市朔城区人民医院门诊住院综合楼改扩建工程，主楼地上15层、裙楼5层，两层地下车库；主体结构采用框架剪力墙结构，基础形式为梁式筏板基础，地基处理采用CFG桩；地下车库采用钢筋混凝土框架结构，基础形式为柱墩加筏板。

基坑长约为99 m，宽约为60 m。场地自然地面标高1 099.000 m，基坑开挖底标高分别为1 088.330 m，1 087.730 m；基坑深度H分别为10.67 m,11.27 m。基坑底部有电梯井、集水井，该部分待基底垫层施工完毕后单独开挖。

2 周边环境

基坑东侧距原有住院楼(10F/1F)14.5 m，南侧距鄯阳街11.5 m，西侧距原有急诊科楼(2F)1.55 m，北侧距职工餐厅(1F)18.5 m。且距基坑北侧7 m处有一条东西向的管沟，内置电缆、氧气管道、供水管等管线，埋深2.5 m；距基坑北侧2.5 m处有一眼深水井，井深150 m左右。

原有急诊科楼和深水井仍在正常使用和运行。基坑周边环境如图1所示。

3 工程地质条件

1)场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g。建筑场地类别为Ⅱ类，场地标准冻深为1.4 m。

2)依据《朔州市朔城区人民医院门诊住院综合楼改扩建项目岩土工程勘察报告》，支护范围内主要是杂填土、粉土、粉质黏土等，实测地下静止水位标高介于-15.44 m～-16.27 m(1 083.08 m～1 083.91 m)之间。地基土的粘聚力C和内摩擦角φ的确定如表1所示。

表1 土层各项物理力学参数表

4 基坑支护设计方案的确定

4.1 工程难点

1)基坑西侧紧邻急诊楼，在基坑开挖过程中急诊科室仍正常运营，保证其安全稳定是本项目重中之重。

2)工程支护桩和土方作业量大，对周边环境要求较高。

3)项目位于正在运行的人民医院院内，场地狭窄，生产设施安置较为困难。

4.2 技术难点

1)钢支撑安装节点较多，当构造不合理或施工不当时，很容易造成节点变形而导致基坑过大的水平位移，安装质量较难保证；钢支撑安装时离未开挖的土方距离狭小，焊接的作业空间不够，焊接质量较难保证。2)由于钢构件在重复使用的过程中多次焊接和割断，不可避免的存在温度残余应力，容易造成钢构件局部压曲失稳。

4.3 基坑支护设计方案

结合本工程实际、施工工期及周边施工场地的情况，基坑采用钢筋混凝土灌注桩加钢管支撑的支护形式，以达到既能节约施工场地，又能很好地控制基坑变形的目的。基坑支护平面布置图如图2所示。

4.4 设计方案的优点

1)经济合理。与钢筋混凝土支撑的不可逆性相比，钢管支撑则可以重复使用，在施工过程中仅需承担钢管支撑的租赁费用，从而在很大程度上节约了工程成本、减少工程造价。

2)缩短工期。钢筋混凝土灌注桩的适用性强，施工简便；钢管支撑属于预制构件，可在施工前根据所需量租赁，施工时不用考虑龄期影响，且安装和拆卸方便。二者结合使用能大力加快施工进度，节约施工工期。

3)节约施工场地。钢筋混凝土灌注桩属于垂直支护，可用于基坑开挖深度较深、周边环境复杂的场地，施工时所需占用场地空间较小，因而能节约施工场地。

4)增大作业面。方案中角撑居多，布置在基坑角部，基坑中部两处对撑，所以坑内预留场地宽阔，便于坑内土方作业。

5 支护结构设计

5.1 钢筋混凝土灌注桩

1)支护桩采用φ800钢筋混凝土灌注桩，桩长17.5 m/16 m，桩间距1 400 mm，钻孔成孔。

2)混凝土等级：C30;钢筋采用：HPB300(φ)，HRB400()。

3)纵向受力筋的混凝土保护层厚度为50 mm。

本文选取设计方案中典型剖面作示例，见图3。

5.2 冠梁

冠梁沿支护桩顶通圈浇筑，冠梁1宽900 mm(冠梁宽一般不大于桩径),高800 mm，冠梁2宽900 mm，高600 mm。冠梁可保证排桩的刚度和承载能力，有效改善每根桩的受力性能和变形状态，对减小桩身位移起到一定的控制作用，因此与桩的连接必须可靠。

混凝土等级为C30，钢筋采用：HPB300(φ)，HRB400()。保护层厚度为35 mm。

5.3 钢管支撑

钢管支撑采用单管钢支撑(GZC)φ609×16，联系杆(LXG)采用φ273×8，钢材均为Q235。钢管(GZC)采用法兰盘螺栓连接，端部对钢管支撑施加预应力，设计预应力为600 kN。支撑布置航拍图见图4。

端头斜撑严格按设计尺寸和角度加工焊接、安装，保证支撑为轴心受力且焊接牢固，能采取双面焊的必须双面焊，不能采取双面焊的要求采用坡口焊。

设计时考虑因温度应力所导致的15%的支撑轴力对稳定性的影响；施工上遇到高温时，考虑对钢支撑进行物理降温，例如麻袋淋水等；加强钢支撑节点的控制，支撑的平面约束做成三角形的高稳定性结构。

5.4 钢立柱

方形钢立柱外形尺寸420 mm×420 mm，支杆用L125×12角钢，钢材为Q235；缀板用-400×300×8钢板，间距0.7 m；钢立柱嵌入基础底面以下支撑桩内3.0 m。

5.5 拆除设计工况

1)完成基础底板及防水做法后，将基础与桩间用C15素混凝土填实。

2)完成标高1 093.600 m楼板及外墙做法后，将外侧墙土回填(回填土要满足结构设计要求)，在楼板位置通长浇筑C30素混凝土300 mm厚的圈梁。

3)待结构梁板及圈梁达到设计强度的80%后，拆除支撑。

4)拆除期间，监测单位应加强对围护体和周围建筑物的监测。

5.6 土方开挖

1)基坑周边地面必须做排水沟，避免地面水流入基坑内，地面必须硬化，防止地表水渗入基坑。

2)土方开挖应分层、分段、适时、均衡进行，支撑部分应对称开挖。

3)基坑开挖至支撑标高时，作业面低于本层支撑底标高500 mm，禁止超挖。

4)土方开挖顺序：a.第一层的开挖深度，挖至冠梁顶标高处，开挖深度约2.5 m，设计标高-2.85 m。基坑周边根据设计要求进行刷坡，并挂网喷射混凝土。b.第二层土方开挖。第二层土方开挖至钢支撑底部以下500 mm，开挖深度1.2 m，设计标高-4.05 m，开始冠梁及CFG桩的施工。c.第三层土方开挖，采用中间拉槽施工，开挖深度约3 m，设计标高-7 m。采用反铲挖掘机拉槽，自卸汽车运输。d.第四层土方开挖，采用小型挖掘机拉槽和送土，反铲挖掘机装土，自卸汽车运输，开挖深度约3 m，设计深度-10 m。e.第五层土方开挖主要是CFG桩桩间土的开挖及裙楼、地库基底整平处理。使用小型挖掘机配合人工进行开挖，挖土至基底标高200 mm～300 mm时，应停止机械开挖，而采用人工开挖以免超挖，扰动基底。

钢支撑与冠(腰)梁通过活络头连接,见图5。

6 基坑开挖及监测结果分析

6.1 基坑开挖主要施工节点

深基坑开挖主要进度计划安排如表2所示。

表2 主要施工进度计划表

6.2 监测结果分析

基坑在开挖过程中由具有监测资质的第三方监测单位进行监测，整个开挖过程基坑顶部水平位移及竖向位移变形量均在规范要求的安全范围内，基坑变形控制良好。

其中，基坑顶部最大水平位移量为13.6 mm，此变形量对应的监测点水平位移变形图见图6。

由图6可知，基坑顶部水平位移值随开挖进度的进行而增大。在第五层土方开挖完成前变化率呈增大趋势，说明基坑开挖过程中坑内土体减少导致基坑内外土压力差变大，此时基坑更易受基坑内侧土体裸露时间及基坑本身长、宽比的影响；之后变化率则逐渐变小并趋于稳定，表明基坑回填对坑外土体进行反推力，减小土压力差，同时桩撑体系有效连接成整体，从而控制基坑变形。

7 结论

本文以朔城区人民医院门诊住院综合楼改扩建工程为依托，通过成功使用钢筋混凝土灌注桩加钢管支撑的支护形式，分析得到如下主要结论：

1)钢筋混凝土灌注桩适用性强，可用于基坑开挖深度较深、周边环境复杂的场地，施工简便。

2)钢管支撑自重轻、安装和拆卸方便、可重复利用，因此能节约工期，降低造价。

3)二者可以根据不同工程需求进行多种多样的组合支护，更有效地控制基坑变形，应用灵活。

本工程基坑支护设计方案的成功应用既印证了桩撑组合支护的合理性，又能为以后同类工程提供参考价值，具有一定的指导意义。