土巖結(jié)合基坑吊腳樁支護(hù)的施工技術(shù)

李開(kāi)偉 陳志軍

云南建投基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司 云南 昆明 650501

土巖結(jié)合基坑的下伏基巖強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好，尤其是中風(fēng)化巖具有很好的邊坡自穩(wěn)能力和豎向承載能力，基坑支護(hù)體系若繼續(xù)沿用上部土層支護(hù)方式將不夠經(jīng)濟(jì)。同時(shí)，傳統(tǒng)旋挖鉆孔灌注樁樁機(jī)在巖層成孔過(guò)程中會(huì)遇到極大困難，引起坍孔及沉渣厚度過(guò)大等質(zhì)量問(wèn)題。因而，針對(duì)此類基坑，尋找一種投資節(jié)省、技術(shù)易行的方法進(jìn)行基坑支護(hù)顯得十分必要。

朱祥山[1]以青島某超高層建筑基坑開(kāi)挖支護(hù)設(shè)計(jì)為例，對(duì)青島地區(qū)“嵌巖”基坑設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。綜合考慮變形控制、經(jīng)濟(jì)性及周邊環(huán)境等因素，建議基坑支護(hù)工程采用上部樁錨結(jié)構(gòu)和下部錨噴結(jié)構(gòu)組成的復(fù)合土釘墻組合支護(hù)模式。同時(shí)，根據(jù)土層開(kāi)挖的不同階段，當(dāng)基坑開(kāi)挖至中風(fēng)化花崗巖界面時(shí)，采用高預(yù)應(yīng)力錨拉構(gòu)件替代原排樁被動(dòng)區(qū)土壓力（圖1），解決吊腳樁邊坡的穩(wěn)定性問(wèn)題。實(shí)施結(jié)果顯示，基坑安全可靠，基坑變形可控。

李華杰等[2]對(duì)青島某大廈工程（開(kāi)挖深度23 m）進(jìn)行研究，針對(duì)土巖結(jié)合地質(zhì)條件、周邊復(fù)雜的環(huán)境及狹小的場(chǎng)地條件，建議深基坑采用上部樁錨、下部噴錨的深基坑圍護(hù)及放坡開(kāi)挖技術(shù)，并在巖土結(jié)合面處的坡面上設(shè)置錨板墻來(lái)加強(qiáng)支護(hù)樁樁腳的嵌固（圖2），進(jìn)而增加吊腳樁的穩(wěn)定性。實(shí)際基坑支護(hù)方案取得了預(yù)期效果，在基坑回填以前確保了基坑支護(hù)使用功能的安全。

圖1 青島某超高層建筑基坑吊腳樁支護(hù)

圖2 青島某大廈吊腳樁基坑支護(hù)

賈緒富[3]對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿肋梁支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究。預(yù)應(yīng)力錨桿肋梁支護(hù)結(jié)構(gòu)的定義為“當(dāng)支護(hù)面層由鋼筋網(wǎng)噴射混凝土加強(qiáng)為縱橫肋梁傳遞錨桿預(yù)應(yīng)力時(shí)，形成的一種類似于雙向板肋梁樓蓋結(jié)構(gòu)的支護(hù)形式”。對(duì)于坑底挖至基巖或進(jìn)入基巖一定深度的基坑，預(yù)應(yīng)力錨桿肋梁支護(hù)結(jié)構(gòu)較為適用。因?yàn)殄^桿有傾角可進(jìn)入基巖以獲得很大的錨固力，并且肋梁支護(hù)結(jié)構(gòu)施加預(yù)應(yīng)力，可有效防止因坑底基巖開(kāi)挖爆破時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)對(duì)坑壁的影響。預(yù)應(yīng)力錨桿肋梁支護(hù)結(jié)合吊腳樁支護(hù)在青島某醫(yī)院基坑工程中得到了成功的應(yīng)用。

綜合國(guó)內(nèi)土巖結(jié)合基坑現(xiàn)狀，并結(jié)合昆明市滇池度假區(qū)保障性住房基坑支護(hù)實(shí)例，進(jìn)一步探討吊腳樁的理論支撐和施工方法具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

昆明市滇池度假區(qū)保障性住房工程所處區(qū)域的地層，根據(jù)土（巖）的物理力學(xué)性質(zhì)差異及工程地質(zhì)特性可分為4個(gè)主層及數(shù)個(gè)亞層，自上而下分別為①1填土、①2填土、①3填土、②黏土、③粉質(zhì)黏土、③2黏土、④中風(fēng)化灰?guī)r、④1中風(fēng)化灰?guī)r。

1.2 設(shè)計(jì)方案概況

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地形地質(zhì)條件及巖土體力學(xué)物理力學(xué)參數(shù)，原設(shè)計(jì)方案采用了“放坡＋噴錨＋旋挖鉆孔灌注樁＋預(yù)應(yīng)力錨索”聯(lián)合支護(hù)體系進(jìn)行支護(hù)（圖3）。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，支護(hù)樁為長(zhǎng)8.5 m的φ800 mm@2 500 mm旋樁鉆孔灌注樁，在基坑底以下嵌巖深度為2.5 m。

圖3 原設(shè)計(jì)剖面

2 施工重、難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

在施工旋挖鉆孔灌注樁過(guò)程中，原設(shè)計(jì)方案要求旋挖鉆孔灌注樁入中風(fēng)化灰?guī)r長(zhǎng)度為2.5 m。實(shí)施過(guò)程中受中化風(fēng)化灰?guī)r、溶洞的影響，鉆頭的損耗極大，成孔時(shí)間較長(zhǎng)（平均成孔時(shí)間在8 h左右）。由于成孔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致孔內(nèi)坍孔現(xiàn)象嚴(yán)重，樁底沉渣厚度平均在50 cm左右，多次清孔后，樁底沉渣仍然在30 cm左右，成樁質(zhì)量無(wú)法得到有效保證。針對(duì)上述實(shí)際情況，結(jié)合國(guó)內(nèi)土巖結(jié)合基坑的成功案例，設(shè)計(jì)單位、施工單位提出采用吊腳樁進(jìn)行基坑支護(hù)，在保持旋挖鉆孔灌注樁樁徑及樁間距不變的情況下，對(duì)旋挖鉆孔灌注樁嵌巖深度進(jìn)行縮短，僅要求旋挖鉆孔灌注樁入巖30 cm（圖4）。

具體支護(hù)措施如下：

1）旋挖鉆孔灌注樁施工過(guò)程終孔控制是吊腳樁支護(hù)成敗的關(guān)鍵。由于灰?guī)r地帶地層起伏較大，且強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r及中風(fēng)化灰?guī)r的現(xiàn)場(chǎng)鑒定存在一定困難，在成孔過(guò)程中必須確保終孔時(shí)樁底到達(dá)中風(fēng)化灰?guī)r才可終孔，否則基坑在開(kāi)挖過(guò)程中極可能失穩(wěn)，在實(shí)施過(guò)程中確保吊腳樁進(jìn)入中風(fēng)化灰?guī)r大于30 cm，其安全系數(shù)會(huì)大大增加。

圖4 吊腳樁支護(hù)剖面

2）吊腳樁下部基坑開(kāi)挖控制是主控因素之一。由于吊腳樁下部處于無(wú)約束狀態(tài)，在施工過(guò)程中開(kāi)挖下伏基巖時(shí)必須盡量減小對(duì)樁體及周邊巖體的擾動(dòng)，吊腳樁樁底以下基巖基坑開(kāi)挖可采用靜態(tài)爆破，且爆破抵抗線距離吊腳樁不少于1.5 m，在清除支護(hù)樁下部巖塊過(guò)程中禁止采用大型破碎錘破碎，以減小對(duì)樁體的擾動(dòng)。

3）吊腳樁下部封閉及“鎖腳”。在樁底以下基巖開(kāi)挖后必須及時(shí)噴錨封閉，以防止基坑坑壁土體及強(qiáng)風(fēng)化巖體的垮塌，通過(guò)網(wǎng)噴對(duì)坑壁的柔性約束能減小部分基坑變形，其次網(wǎng)噴能避免形成貫通的地下水滲水通道，一定程度上減少基坑周邊的地下水流失，進(jìn)而減小基坑變形。“鎖腳”是約束樁底位移最直接的方法，在該項(xiàng)目施工過(guò)程中，在吊腳樁樁底增加50 cm×50 cm的混凝土腰梁和長(zhǎng)6 m的φ25 mm@2 500 mm鋼筋預(yù)應(yīng)力錨桿來(lái)控制樁底位移，通過(guò)錨桿及腰梁聯(lián)合約束樁底位移，避免由于樁身位移過(guò)大而造成基坑整體傾覆事故。

3 變形監(jiān)測(cè)及效果

3.1 變形監(jiān)測(cè)

在滇池度假區(qū)保障性住房吊腳樁施工前，對(duì)原設(shè)計(jì)方案和吊腳樁支護(hù)方案進(jìn)行基坑變形分析。按原設(shè)計(jì)方案實(shí)施，基坑最大水平位移為9.82 mm，最大豎向位移為16 mm。采用吊腳樁支護(hù)后，理論計(jì)算基坑水平位移及豎向位移有所加大，其中最大水平位移為11.65 mm，最大豎向位移為19 mm，采用吊腳樁支護(hù)時(shí)基坑變形在規(guī)范允許范圍以內(nèi)，理論分析表明吊腳樁支護(hù)方案可行。

在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，監(jiān)測(cè)頻率及報(bào)警值應(yīng)綜合考慮基坑安全等級(jí)、基坑周邊環(huán)境和當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗(yàn)后確定。在開(kāi)挖吊腳樁下部土體時(shí)應(yīng)加大監(jiān)測(cè)頻率，根據(jù)基坑變形大小和速率做好應(yīng)急措施。在基坑回填前，通過(guò)基坑變形速率及累計(jì)位移監(jiān)測(cè)，其最大變形速度為0.9 mm/d，累計(jì)豎向位移和水平位移分別為28、25 mm，基坑變形速度和累積基坑變形均在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

3.2 實(shí)施效果

通過(guò)采用吊腳樁支護(hù)，避免了由于成孔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致的坍孔及沉渣厚度過(guò)大現(xiàn)象，確保了旋挖鉆孔灌注樁的成樁質(zhì)量，單樁樁長(zhǎng)縮短約4.3 m，累計(jì)減少旋挖鉆孔灌注樁工程量約323.5 m，減少投資約46萬(wàn)元，節(jié)約了工期。

4 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)內(nèi)基坑支護(hù)中，針對(duì)吊腳樁支護(hù)方案只能做一些簡(jiǎn)單初步的理論分析，甚至存在理論分析與實(shí)際偏差較大的現(xiàn)象。目前，在巖土體力學(xué)計(jì)算中，采用的理論模型有兩大類：一類是彈塑性模型，另一類是彈性非線性模型。兩者都反映了土的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系特征，但由于土體及巖體在嚴(yán)格意義上均是非連續(xù)、各向異性的介質(zhì)，以上兩種理論模型在實(shí)際應(yīng)用時(shí)均存在一定的局限性。在巖土體理論方面，還需要從業(yè)者進(jìn)一步深入研究。對(duì)于傳統(tǒng)的摩爾-庫(kù)侖模型，雖然其分析較快，但局限性在于巖體與土體結(jié)構(gòu)面的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角的值極難確定。針對(duì)吊腳樁的理論分析模型，仍需廣大從業(yè)者進(jìn)行深入研究。

目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，大量的數(shù)值模擬軟件為解決吊腳樁支護(hù)問(wèn)題提供了一種分析方法，如FLAC 3D軟件（有限差分法）及Ansys軟件（有限單元法），均可以對(duì)巖土體結(jié)構(gòu)面作多次數(shù)值模擬，且可以考慮土體-巖體-地下水的耦合效應(yīng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)對(duì)邊界條件的重復(fù)多次預(yù)設(shè)，為基坑支護(hù)中的吊腳樁設(shè)計(jì)提供了一定的理論基礎(chǔ)與數(shù)值分析方法。

在基坑支護(hù)實(shí)施過(guò)程中，由于目前巖體力學(xué)和土力學(xué)的理論尚未完全成熟，故與以往類似方案的類比顯得極為重要，尤其是吊腳樁支護(hù)，其仍然沒(méi)有足夠的理論支撐。針對(duì)吊腳樁的適用性，應(yīng)遵循以下原則：

1）不同的基坑巖土體條件下，吊腳樁適用性差異巨大，在采用吊腳樁時(shí)，必須分析其對(duì)基坑安全性的影響。

2）在施工過(guò)程中必須遵循少擾動(dòng)吊腳樁及下部巖土體的原則，避免樁體傾覆的可能性及進(jìn)而引發(fā)的事故。

3）在基坑開(kāi)挖至樁底以下時(shí)，基坑信息化施工顯得尤為重要。應(yīng)根據(jù)基坑變形量及時(shí)采取針對(duì)性措施，避免基坑失穩(wěn)事故的發(fā)生。

對(duì)于土巖結(jié)合基坑中入巖困難的問(wèn)題，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)研究現(xiàn)狀及昆明市滇池保障性住房工程實(shí)例，證明采用吊腳樁施工實(shí)為一種經(jīng)濟(jì)、快捷的方法，可為該類基坑的設(shè)計(jì)及施工提供一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。