沿海砂質(zhì)土地區(qū)深基坑支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

羅 芳 孔雪靈 李 航

(1.鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450000； 2.黃河流域水資源保護(hù)局，河南 鄭州 450004)

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沿海砂質(zhì)土地區(qū)深基坑支護(hù)技術(shù)的應(yīng)用

羅 芳1孔雪靈1李 航2

(1.鄭州財(cái)經(jīng)學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450000； 2.黃河流域水資源保護(hù)局，河南 鄭州 450004)

針對(duì)沙特沿海地區(qū)奧馬爾市立交橋深基坑工程現(xiàn)狀,利用有限元模型,結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的深基坑支護(hù)技術(shù),提出了“型鋼支護(hù)樁+預(yù)應(yīng)力錨索+方木擋土板”的綜合支護(hù)體系，施工實(shí)踐表明：該支護(hù)體系滿足了基坑施工要求。

深基坑支護(hù)，水位，砂性土，支護(hù)體系

0 引言

隨著城市建設(shè)的迅猛發(fā)展，基坑工程面臨著各類新出現(xiàn)的問(wèn)題，比如越來(lái)越深，面積越來(lái)越大，施工環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，場(chǎng)地限制以及土質(zhì)情況的多樣性等。深基坑必須進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，根據(jù)不同的基坑深度、地質(zhì)、環(huán)境與荷載情況采用不同的支護(hù)結(jié)構(gòu)。

1 深基坑支護(hù)概述

國(guó)內(nèi)外采用的各種深基坑支護(hù)技術(shù)日益完善,常用的如排樁(型鋼)擋板支護(hù)技術(shù)、鋼板樁支護(hù)技術(shù)、擋土灌注樁支護(hù)技術(shù)、地下連續(xù)墻、土層錨桿支護(hù)等。然而傳統(tǒng)的深基坑技術(shù)對(duì)于大范圍、含水層較厚的現(xiàn)場(chǎng)情況而言，有其不可忽視的局限性。例如：排樁(型鋼)擋板支護(hù)技術(shù)：開(kāi)挖深度受限、不能有效防水、勞動(dòng)強(qiáng)度大；擋土灌注樁支護(hù)技術(shù)：造價(jià)高、施工周期長(zhǎng)、單獨(dú)使用不適用于砂性軟土；地下連續(xù)墻：造價(jià)高、廢泥漿地處理麻煩；鋼板樁支護(hù)技術(shù)：防水效果有限；土層錨桿支護(hù)：只適用于堅(jiān)硬土層、需要專門(mén)的成孔和注漿設(shè)備、不適用地下水位高的地質(zhì)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

中石化國(guó)際工程公司和中原油田相關(guān)單位在沙特阿拉伯承建的項(xiàng)目之一——奧馬爾城市立交橋：共分3層，下層是最大開(kāi)挖深度為13.5 m、雙向八車(chē)道的地下通道；中層是內(nèi)徑為95 m的交通環(huán)島,環(huán)島內(nèi)利用環(huán)島與地下通道的高差分層綠化；上層是雙向六車(chē)道的跨線橋。

由奧馬爾立交橋深基坑平面圖和地下通道縱面圖可知： 75 000多立方米鋼筋混凝土的基礎(chǔ)工程主要集中在直徑95 m的環(huán)島、自然地面下13.5 m的深基坑內(nèi)。

2.2 工程地質(zhì)及水文情況

根據(jù)橋位地質(zhì)水文資料顯示，該處土質(zhì)為砂質(zhì)土，地下水位距地表為5.5 m，橋位離海岸線直線距離約5 km。能否成功順利實(shí)施基礎(chǔ)工程的施工作業(yè)是決定奧馬爾立交橋成敗的關(guān)鍵因素。

在地質(zhì)調(diào)查報(bào)告顯示：第①層為自然地面至地下13 m～13.6 m，為不良級(jí)配砂；第②層為平均厚度1.5 m的粉質(zhì)砂土；第③層為平均厚度為5.9 m的石灰質(zhì)粉土；第④層為塑性粉土。

地下水位為5.45 m～5.8 m之間，平均深度5.5 m，施工深度內(nèi)土壤滲透系數(shù)為2.0×10-5～3.5×10-4之間。主動(dòng)土側(cè)壓力系數(shù)Ka=0.333；被動(dòng)土側(cè)壓力系數(shù)Kp=3.00；自由側(cè)壓力系數(shù)Ko=0.50；土壤和混凝土摩擦系數(shù)為0.40。

2.3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及施工方案選擇

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查報(bào)告分析，奧馬爾項(xiàng)目支護(hù)面積內(nèi)大部分為砂質(zhì)土，失水后流動(dòng)性高，因此需要沿基坑邊沿設(shè)置致密的擋土板；考慮到交通維護(hù)實(shí)際需要，現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)工作區(qū)域嚴(yán)格受限，因此埋入式結(jié)構(gòu)比較適宜，同時(shí)由于砂質(zhì)土錨固能力的不足，需另外設(shè)計(jì)錨定結(jié)構(gòu)。因此在考察當(dāng)?shù)仡愃乒こ淌┕?shí)際，并和監(jiān)理、專業(yè)設(shè)計(jì)公司充分結(jié)合的基礎(chǔ)上，決定本項(xiàng)目擬采用H型鋼和鋼絞線錨索相結(jié)合提供支護(hù)骨架，方木嵌入H型鋼用作擋土板的支護(hù)方式。

3 基坑支護(hù)方案的確定

基于作業(yè)面積大、含水層的厚度大的現(xiàn)場(chǎng)情況，現(xiàn)有的深基坑支護(hù)技術(shù)尚不能滿足現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)開(kāi)挖的需要，必須對(duì)傳統(tǒng)施工技術(shù)方案進(jìn)行比對(duì)、優(yōu)化，本方案創(chuàng)造性地提出運(yùn)用“支護(hù)樁+預(yù)應(yīng)力錨索+方木擋板”的新型技術(shù)，并在施工效果上進(jìn)行驗(yàn)證，為解決此類深基坑支護(hù)的施工難題提供新的技術(shù)支持。

3.1 傳統(tǒng)分析方法

傳統(tǒng)的分析方法是按規(guī)范方法進(jìn)行擋土墻的計(jì)算，并確定支護(hù)具體方案。主要涉及JGJ 120—99建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程，GB 50330—2002建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)程，CECS 96∶97基坑土釘支護(hù)技術(shù)規(guī)程，JGJ 79—2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)程和本工程勘察報(bào)告及相關(guān)規(guī)定進(jìn)行支護(hù)計(jì)算。

3.2 有限元分析法

由于該項(xiàng)目的特殊性，國(guó)外工程采用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不同于國(guó)內(nèi)，故本例采用有限元支護(hù)體系力學(xué)分析方法。這對(duì)于國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)地根據(jù)擋土墻的經(jīng)驗(yàn)公式近似計(jì)算的模式，無(wú)疑是一個(gè)新的嘗試，也更具實(shí)用性。分析情況如下：

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)基坑的要求，通過(guò)對(duì)地質(zhì)調(diào)查及土壤應(yīng)力分析，利用WALLAP彈性有限元分析法，按支護(hù)高度分為0.0 m～7.0 m，7.0 m～10.0 m，10.0 m～13.8 m建立3個(gè)深基坑計(jì)算模型(見(jiàn)圖1)；支護(hù)樁樁長(zhǎng)分別為：10 m,14 m,18 m；計(jì)算長(zhǎng)度：1 000.00 m；計(jì)算寬度：主動(dòng)側(cè)20 m，被動(dòng)側(cè)20 m。擬定支護(hù)范圍K0+191.682～K0+881.943，計(jì)算參數(shù)如下：

墻體材料：墻體高度 10，14，18(對(duì)應(yīng)不同的支護(hù)高度)；有限元長(zhǎng)度0.6 m；楊氏模量E=2.0×108；慣性矩I=1.2×10-4；EI=2 400 kN·m2/m。

錨索參數(shù)：立柱間距2 m；截面面積0.000 745 m2；楊氏模量1.9×108kN/m2;自由端長(zhǎng)度5 m;傾斜角度10°。

附加荷載：平行邊計(jì)算寬度50 m；垂直邊計(jì)算寬度50 m；荷載取值10 kN/m。

分析結(jié)果以支護(hù)高度7 m為例，如表1，表2，圖1，圖2所示。

表1 土壤側(cè)壓力記錄(支護(hù)7 m,開(kāi)挖高度7 m) kN/m2

表2 內(nèi)力及變形記錄

分析結(jié)果表明：支護(hù)樁最不利荷載出現(xiàn)在-2.5 m處，彎矩為64.3 kN·m,剪力為68.3 kN。錨索最大預(yù)應(yīng)力22 t,橫梁截面面積最小為628.6 cm2,根據(jù)計(jì)算結(jié)果擬選用兩根26的槽型鋼梁。

4 施工工藝及技術(shù)要求

沿?fù)跬廖恢妙A(yù)先打入H型鋼，間距2 m，然后邊挖方，邊將10 cm松木擋土板塞進(jìn)型鋼樁之間擋土，并在橫向擋板與型鋼樁之間打入楔子，使橫板與土體緊密接觸。做好以下施工準(zhǔn)備：

1)支護(hù)材料：中心圓環(huán)區(qū)支護(hù)樁采用45a工字鋼，其他部位采用26a槽型鋼，支護(hù)樁統(tǒng)一間距2 m。擋土板統(tǒng)一采用10 cm×10 cm松木。鋼絞線規(guī)格為12.7 mm，模量為1 860 MPa，支護(hù)周期24 d。

2)對(duì)原有道路及地下設(shè)施采取有效防護(hù)和加固措施。

3)做好降低地下水位工作。

4)按圖紙要求進(jìn)行測(cè)量放線，設(shè)置定位樁、龍六板和水平樁，放出支護(hù)位置線。在鄰近埋設(shè)沉降觀測(cè)點(diǎn)，以使支護(hù)期間對(duì)建筑物沉降變形進(jìn)行定期觀測(cè)。

5)對(duì)建筑物沉降變形進(jìn)行定期觀測(cè)。

在施工中應(yīng)遵循以下技術(shù)要求：

1)支護(hù)樁施工。

對(duì)于支護(hù)樁施工按地質(zhì)情況分兩種施工方法，一種是對(duì)于深度在14 m以上，由于屬于砂性土質(zhì)，使用振動(dòng)錘沉樁法；另一種是對(duì)于深度在14 m的斷面，由于要穿越堅(jiān)硬的粘土層，使用旋挖鉆配合振動(dòng)錘沉樁來(lái)完成支護(hù)作業(yè)。

質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：支護(hù)的設(shè)置位置、垂直度、標(biāo)高必須符合設(shè)計(jì)要求，位置偏差不大于100 mm，垂直度偏差不大于H/100(H為支護(hù)高度)，標(biāo)高偏差不大于30 mm,且擋土板必須緊貼上壁。

2)擋土板施工。

擋土板采用10 cm×10 cm松木，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際長(zhǎng)度，結(jié)合開(kāi)挖深度，每1.5 m一個(gè)層次，逐步安裝。

3)錨索施工。

怎樣在砂土土質(zhì)下錨索成孔是現(xiàn)場(chǎng)的技術(shù)關(guān)鍵。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，證明采用壓縮空氣配合潛孔鉆能夠較好地解決這一難題；沖擊器以中高壓壓縮空氣(工作氣壓達(dá)1.0 MPa～2.4 MPa)為動(dòng)力，行走、回轉(zhuǎn)、推進(jìn)、液壓系統(tǒng)以經(jīng)減壓的壓縮空氣為動(dòng)力，充分發(fā)揮氣動(dòng)馬達(dá)的軟特性和壓縮空氣所特有的蓄能作用，使鉆車(chē)動(dòng)作強(qiáng)勁有力、安全可靠、施工效率高，由原來(lái)的每天完成4孔，提高到每天完成12孔。

4)安裝橫梁。

橫梁安裝有吊車(chē)配合人工完成。

5)錨索張拉。

注漿11 d后，即可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力張拉錨索張拉使用手動(dòng)液壓千斤頂，張拉應(yīng)力嚴(yán)格控制在設(shè)計(jì)應(yīng)力上(見(jiàn)圖3)。

6)變形觀測(cè)。

嚴(yán)格堅(jiān)持每周進(jìn)行一次變形觀測(cè)，并形成變形觀測(cè)記錄，經(jīng)觀測(cè)，支護(hù)最大變形1.5 cm，并未有異常變形現(xiàn)象的發(fā)生，完全達(dá)到了安全施工的需要。

5 應(yīng)用效果

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及監(jiān)測(cè)，最后完成的該支護(hù)體系完全能滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要，安全可靠。完成支護(hù)后的基坑見(jiàn)圖4。

通過(guò)和設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，充分利用了沙特項(xiàng)目部現(xiàn)有的降水設(shè)備和型鋼，僅支護(hù)型鋼一項(xiàng)就節(jié)約材料費(fèi)84萬(wàn)沙幣，折合人民幣152.88萬(wàn)元。

本成果采用的支護(hù)體系與傳統(tǒng)的支護(hù)類型相比，可以與工程主體施工同步進(jìn)行，除主體支護(hù)樁外，錨索和方木擋板都可以和主體工程同步進(jìn)行，僅此一項(xiàng)就節(jié)約工期1.5個(gè)月以上，僅人工和設(shè)備費(fèi)就節(jié)約180萬(wàn)沙幣，約合人民幣324.5萬(wàn)元。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)支護(hù)樁設(shè)計(jì)和施工研究，提出了型鋼支護(hù)樁+預(yù)應(yīng)力錨索+方木擋土板的綜合支護(hù)體系，有效的解決了砂性土壤大面積深基坑支護(hù)難題，通過(guò)合理的利用體系中的每一部分的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)性的解決了施工作業(yè)面受限、邊坡欠穩(wěn)定、工期壓力大等難題，經(jīng)濟(jì)高效地滿足了工程需要，在國(guó)內(nèi)深基坑支護(hù)技術(shù)中具有領(lǐng)先意義。

[1] JGJ 120—2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50330—2013，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)程[S].

[3] CECS 96∶97，基坑土釘支護(hù)技術(shù)規(guī)程[S].

[4] JGJ 79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)程[S].

Application of deep foundation pit supporting technology in coastal sandy soil

Luo Fang1Kong Xueling1Li Hang2

(1.SchoolofCivilEngineering,ZhengzhouInstituteofFinanceandEconomics,Zhengzhou450000,China；2.YellowRiverBasinWaterResourceProtectionBureau,Zhengzhou450004，China)

According to the current status quo of deep foundation pit engineering of coastal overpasses in Omar Saudi Arabia, the composit support system of “steel supporting pile+prestressed anchor cable+wood block soil”is proposed, combined with advanced technology of deep foundation pit and used the finite element to creat a model. The result shows that the system can satisfy construction requirements.

deep foundation pit supporting, water level, sandy soil, support system

1009-6825(2016)13-0095-03

2016-02-21

羅 芳(1978- )，女，碩士，講師，一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師； 孔雪靈(1979- )，女，工程師； 李 航(1984- )，女，工程師

TU463

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