環(huán)境復(fù)雜條件下鋼支撐支護(hù)工程的應(yīng)用

徐 飚

(山西建筑工程(集團(tuán))總公司，山西 太原 030002)

1 工程總概況

1.1 工程概況

太原市新建南路與迎澤大街東南側(cè)新建某地下室工程，地下室東西軸線間距54.4 m，南北軸線間距19.6 m，地下室基礎(chǔ)底標(biāo)高 －8.9 m，場(chǎng)地標(biāo)高 －1.0 m 左右，開(kāi)挖深度 7.9 m。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境概況

本工程南側(cè)與在建高層住宅樓相距1.8 m，高層住宅樓基礎(chǔ)埋深8.0 m，支護(hù)采取灌注樁支護(hù)體系。北側(cè)與六層住宅樓(地下一層)陽(yáng)臺(tái)距離2.5 m，該住宅樓地基處理采用深層攪拌樁，基礎(chǔ)埋深2 m?；?xùn)|側(cè)為施工車(chē)輛進(jìn)出道路，東南角六層集資樓距離基坑7.0 m;集資宿舍樓地下一層，地上六層。基坑西側(cè)新建建筑現(xiàn)已開(kāi)挖至－8 m左右，本基坑開(kāi)挖后與其貫通。

1.3 工程地質(zhì)概況

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告反映本工程支護(hù)范圍內(nèi)地層為:第①層人工填土:可以分為兩個(gè)亞層:①-1雜填土，結(jié)構(gòu)松散。該層層底埋深0.5 m ～2.4 m，平均厚度2.2 m。①-2素填土，該層層底埋深2.1 m ～3.5 m，平均埋深1.52 m，層厚 0.6 m ～2.1 m，平均厚度1.52 m。第②層粉質(zhì)粘土，軟塑狀態(tài);該層層底埋深6.7 m～7.5 m，平均埋深 7.5 m，層厚 3.5 m ～4.7 m，平均厚度 4.05 m。第③層粉土，濕、中密狀態(tài);該層層底埋深10.0 m～11.2 m，平均埋深10.57 m，厚度2.5 m ～3.6 m，平均厚度4.2 m。第④層粉質(zhì)粘土，軟塑～可塑狀態(tài);該層層底埋深12.8 m～14.9 m，平均層底埋深13.55 m，厚度2.0 m ～4.5 m，平均厚度 2.98 m。第⑤層粉土，中密～密實(shí)狀態(tài);該層層底埋深14.2 m～16.0 m，平均層底埋深 15.08 m，厚度 0.6 m ～2.3 m，平均厚度1.53 m。第⑥層細(xì)砂，中密狀態(tài)，該層層底埋深18.5 m～21.2 m，平均層底埋深20.1 m，厚度4.2 m～6.6 m，平均厚度5.02 m。水文地質(zhì)條件:地下水類(lèi)型為孔隙潛水，以第①層人工填土為主要含水層，主要受大氣降水及側(cè)向徑流補(bǔ)給;其下地下水類(lèi)型為承壓水，以第⑥層細(xì)砂為主要含水層;潛水穩(wěn)定水位埋深在地表下1.5 m～1.8 m，測(cè)得混合穩(wěn)定水位埋深在地表下1.3 m～1.8 m之間，與潛水水位相當(dāng);第⑥層細(xì)砂中承壓水水位埋深為9.8 m。

2 設(shè)計(jì)概況

因本工程周邊緊鄰建筑物、場(chǎng)地地下水位高，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為一級(jí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制值不得大于30 mm，預(yù)警值按20 mm考慮。設(shè)計(jì)支護(hù)體系采取灌注樁+鋼支撐，止水帷幕采取雙排高壓旋噴樁，地下水控制采取坑內(nèi)深井降水。

現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及支護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境及支護(hù)結(jié)構(gòu)平面圖

2.1 灌注樁

2.1.1 灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)要求

東側(cè)、北側(cè)灌注樁設(shè)計(jì)樁徑 800 mm，樁長(zhǎng) 16.2 m，樁數(shù)55根，樁間距1.2 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，混凝土超灌高度不小于600 mm，樁身主筋保護(hù)層為50 mm。

2.1.2 灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算及樁身配筋

灌注樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算采用PKPM支護(hù)軟件，按照朗肯定理(經(jīng)典法)計(jì)算灌注樁樁身最大正彎矩為630 kN·m，位于地面下5.3 m處，樁身最大正彎矩為560 kN·m，位于地面下12.3 m處。

樁身配筋:主筋按均勻布置16根φ25二級(jí)鋼，箍筋為φ8@200 mm，加強(qiáng)筋為φ16@200 mm，混凝土保護(hù)層厚度50 mm。

配筋驗(yàn)算:將樁圓截面化成等效方形截面，假設(shè)方形截面高度為b，并假設(shè)圓截面的慣性矩與方形截面慣性矩相等。

即:b4/12=πd4/64得b=700 mm。樁圓截面面積0.50 m2，方形截面面積0.49 m2，基本上可以認(rèn)為兩者是等效的。

樁的混凝土強(qiáng)度采用C30，受力鋼筋采用Ⅱ級(jí)鋼筋，樁上最大負(fù)彎矩 M=1.1×1.25×630=866 kN·m。h0=600 mm，fcm=14.3 N/mm2;

樁身按均勻布置16根φ25Ⅱ級(jí)鋼筋，滿(mǎn)足樁身彎矩設(shè)計(jì)要求。

2.2 樁頂連梁

樁頂連梁選擇尺寸h×b=700 mm×900 mm，要求樁頂伸入連梁50 mm，連梁保護(hù)層厚度30 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30，混凝土保護(hù)層厚度30 mm。

連梁配筋按照多跨連續(xù)梁計(jì)算，支撐點(diǎn)間距9.6 m，連梁側(cè)面對(duì)稱(chēng)設(shè)7根φ25Ⅱ級(jí)鋼筋，其余配筋按構(gòu)造要求設(shè)置。

配筋驗(yàn)算:連梁承受均布荷載為135 kN/m，設(shè)計(jì)值為q0=1.1×1.25× 135=185.6 kN。連梁跨中彎矩 M=q0L2/12=1 420.8 kN·m。

連梁側(cè)面對(duì)稱(chēng)設(shè)7根φ25Ⅱ級(jí)鋼筋，滿(mǎn)足驗(yàn)算要求。

2.3 內(nèi)支撐體系

2.3.1 支撐布置

基坑?xùn)|側(cè)設(shè)2根斜撐，基坑內(nèi)設(shè)4根直撐，直撐間距為9.6 m，均采用φ630×10鋼管，每道支撐下設(shè)2根立柱樁，支撐最大跨度為9.5 m。系桿采用φ273×10鋼管。

每道直撐下設(shè)2根立柱支撐，間距9.0 m。

2.3.2 支撐體系內(nèi)力驗(yàn)算

1)基本參數(shù)。直撐支點(diǎn)力標(biāo)準(zhǔn)值為1 300 kN，荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.25，結(jié)構(gòu)重要系數(shù)為1.1，跨度9.5 m。支撐承受的軸向力設(shè)計(jì)值 N=1 300 ×1.25×1.1=1 787.5 kN。

φ630×10鋼管截面面積A=π(d2－d21)/4=19 468 mm2=0.019 468 m2。鋼管每米自重 W=78.5 A=1.53 kN/m。截面慣性矩I=π(d4－d41)/64=9.36×108mm4。截面模量 W=π(d3－d31)/32=2.26 ×106mm3。彈性模量:E=2.06 ×105MPa。回轉(zhuǎn)半徑i=(I/A)1/2=219 mm。長(zhǎng)細(xì)比λ=l0/i=9 500/219=43.4。查規(guī)范表，穩(wěn)定系數(shù)φ=0.887。鋼材抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=200 N/mm2。鋼材彈性模量E=2.06×105MPa。

2)鋼管支撐構(gòu)件驗(yàn)算。

鋼管支撐承受彎矩計(jì)算:M=M1+M1+M3;

其中鋼管自重引起的彎矩:M1=1.2×1.53×9.52/8=20.7 kN·m;

施工荷載引起的彎矩:M2=1.4×4 ×9.52/8=63.2 kN·m;

考慮軸向偏心力矩40 mm引起彎矩:M3=0.04×1 787.5=71.5 kN·m。

M=155.4 kN·m。

強(qiáng)度驗(yàn)算:N/(A) ± M/γW=151.6 N/mm2(32.0 N/mm2) ＜f=200 N/mm2。

γ為截面塑性發(fā)展系數(shù)，查表γ=1.15;

穩(wěn)定性驗(yàn)算:根據(jù)規(guī)范 5.2.2 條:N/(φA)+ βmxM/[γW(1 －0.8N/N′Ex)]＜ f。

其中，βmx為等效彎矩系數(shù)，按無(wú)端彎矩但有橫向荷載作用時(shí)βmx=1.0;N′Ex=π2EA/(1.1λ2)=19 100 kN;γ 為截面塑性發(fā)展系數(shù)，查表 γ =1.15;

計(jì)算左式 =103.5+64.6=178.1 N/mm2＜ f=200 N/mm2。

2.4 止水帷幕

止水帷幕采用高壓旋噴樁(單管法)，樁徑600 mm，樁長(zhǎng)13 m，樁頂標(biāo)高地面下1.0 m，樁間距400 mm，樁數(shù)244根，水泥采用32.5級(jí)礦渣硅酸鹽水泥，水泥用量230 kg/m～250 kg/m。

要求止水帷幕南側(cè)、西側(cè)與周邊基坑止水帷幕相連，形成封閉。

2.5 地下水控制

地下水控制采取深井降水，共設(shè)9眼深井，井深地面下14 m，其中1 m為沉砂管，要求成井直徑600 mm，管井采用φ400 mm混凝土無(wú)砂管，濾料采取3 mm～5 mm礫石。降水過(guò)程要求采取措施控制排水量，控制地下水位低于基礎(chǔ)開(kāi)挖面下0.5 m。

2.6 其他設(shè)計(jì)要求

2.6.1 樁身掛網(wǎng)噴射混凝土

土方開(kāi)挖后，基坑壁采取掛網(wǎng)噴射混凝土護(hù)壁措施，網(wǎng)片采用φ3@150×150預(yù)制鋼筋網(wǎng)片，噴射混凝土厚度80 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C20。

2.6.2 南側(cè)內(nèi)支撐處理措施

南側(cè)利用原已施工灌注樁樁頂連梁，并對(duì)南側(cè)連梁采取植筋、加高作為南側(cè)鋼管支撐點(diǎn)。

3 施工總結(jié)及體會(huì)

本工程根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)周邊環(huán)境實(shí)際情況，選擇灌注樁內(nèi)支撐施工體系，較樁錨支護(hù)體系具有安全度更高、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形更小、造價(jià)低、易于施工等特點(diǎn)。工程土方開(kāi)挖后監(jiān)測(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形小于10 mm，保證了北側(cè)6層住宅樓的安全性。