托換樁－土釘墻組合支護結構在基坑工程中的應用

陳鑫

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 200092）

引言

隨著城市建筑密度不斷增大，有時緊鄰基坑即存在既有建筑物和管線，基坑開挖易引起建筑物的傾斜、管道開裂等破壞情況。因此，基坑開挖過程中對周邊建筑物、地下管線等周圍環(huán)境的保護成為基坑支護的首要問題。土釘墻支護施工方便、經濟高效，但需要一定放坡空間，且基坑側向變形和坡頂豎向變形相對較大。樁錨式支護結構較土釘墻支護剛度大，通過錨桿錨拉力可以有效控制基坑側向變形，但費用較土釘墻支護高。托換樁可以用來控制既有建筑物基礎的沉降，將托換樁與土釘墻組合，形成托換樁－土釘墻組合支護結構（簡稱“托換支護法”），即應用托換樁直接限制建筑物沉降，同時與土釘墻一起限制基坑開挖土體的側向變形，二者結合則可以達到限制坡頂建筑物基礎沉降和基坑側向變形的雙重目的。傳統(tǒng)的支護方法都是通過限制基坑側向變形間接保護既有建筑物，屬于被動的保護，而托換支護法對臨近建筑物基礎的預防性托換則屬于主動保護［1］。

1 作用原理

托換支護法首先施工托換樁，然后分級開挖土體并施工土釘墻。隨著基坑開挖，上部建筑物荷載使托換樁側向受力，在側向力作用下托換樁產生側向變形，引起土釘受力，土釘依靠自身摩阻力限制基坑側向變形。基坑側向變形促使坡頂建筑物基礎在一定范圍內產生沉降，而托換樁通過把建筑物上部荷載傳遞到深層土體限制了建筑物基礎的部分沉降，減小了基底壓力，進而降低了基坑側向變形及坡頂沉降。另外，傳遞至托換樁的荷載會使其產生沉降。托換支護體系的荷載傳遞，使得坡頂建筑物基礎沉降大于托換樁沉降部位的荷載傳遞至托換樁，傳遞至托換樁上的荷載越多，坡頂荷載越小，基坑側向變形越小，坡頂沉降越小，反過來使傳遞至托換樁上的荷載越小。這一反復的荷載分配過程和變形協(xié)調過程就是托換支護法的作用原理。

托換樁－土釘墻組合支護結構的作用原理主要具有以下三方面特征：（1）隨著基坑開挖，托換樁的受力不斷發(fā)生變化，坡頂建筑物基礎沉降、基坑側向變形和托換樁的樁頂沉降也不斷發(fā)生變化，構成一種動態(tài)變化的變形協(xié)調過程；（2）托換樁和土釘墻共同限制土體側向變形和分擔側向土壓力，從而構成托換樁－土釘墻相互作用體系；（3）托換樁－土釘墻組合支護結構的變形協(xié)調影響到土壓力的傳遞與分布，具有支護結構特征，形成托換樁－土釘－上部結構相互作用的支護體系。

2 工程概況

本文基坑工程位于新疆烏魯木齊高鐵片區(qū)核心區(qū)，長52.2m，寬43.8m，形狀約為倒梯形，開挖深度分別為7.55m、9.00m、12.30m?；又車h(huán)境復雜，基坑北側緊鄰既有電力隧道及未建成緯七路，開挖深度為7.55m～9.00m；基坑西側距電力隧道距離為7.45m、距離既有圍墻4.3m，開挖深度為10.85m ～12.30m；基坑東側及南側為現(xiàn)狀空地，開挖深度為9.00m。電力隧道起于卓越110kV變電站，至市政綜合管廊，為矩形鋼筋混凝土結構，凈寬2.00m，凈高2.10m，頂板和壁板厚度均為350mm，底板厚度為500mm，隧道底板面標高為1956年黃海高程816.2m～810.6m?；又ёo平面布置見圖1?；影踩燃墳槎墶楸ＷC既有電力隧道安全，基坑北側采用托換支護法，西側采用樁錨支護，東側和南側采用放坡開挖。本文重點討論托換支護法在基坑工程中的應用，因此，以基坑北側托換支護法為例進行分析研究?；颖眰染暺呗窞榇ǖ缆?，現(xiàn)已施工至路基，路基下已鋪設雨、污水管，燃氣管。為減小既有電力隧道北側側土壓力，電力隧道北側采用放坡＋噴射混凝土面層支護，支護剖面見圖4。

圖1 基坑支護平面布置Fig.1 Layout plant of building foundation excavations

3 工程地質條件

工程場地總體地勢西高東低，場地高程在814.20m～818.27m，地形起伏較大。根據(jù)巖土工程勘察報告，場地土層由上至下依次為①層雜填土、②層粉土、③層圓礫、④層強風化基巖、⑤層中風化基巖。各層土體物理力學參數(shù)見表1。

表1 土體物理力學參數(shù)Tab.1 Soil mechanics parameters

勘察工作期間勘探深度范圍內未見地下水?？紤]到基坑開挖深度內局部為風化基巖層，根據(jù)周邊工程經驗，風化基巖層中普遍存在裂隙水，施工期間應采取有效排水措施。

4 基坑支護設計

托換支護法通過托換樁限制臨近建筑物的豎向變形和承擔一部分側向土壓力，并通過土釘保持基坑的整體穩(wěn)定性，土釘在減小基坑側壁的側向變形的同時也可以減小坡頂沉降，進而減小托換樁樁頂?shù)呢Q向荷載。因此，托換樁支護法是通過托換樁－土釘－上部結構－土體的協(xié)同作用達到減小基坑側壁變形和坡頂沉降的目的。

4.1 托換樁設計

1.樁體設計參數(shù)

托換樁采用矩形人工挖孔樁，樁身截面尺寸為500mm×700mm。為滿足人工挖孔樁施工空間要求，孔尺寸為700mm×1000mm，待500mm×700mm人工挖孔樁鋼筋綁扎完成后，整個操作坑采用混凝土澆筑，具體做法見圖2。樁身豎向配筋814，箍筋φ8＠100（φ8＠200），樁身混凝土強度等級為C30。

圖2 人工挖孔樁做法示意Fig.2 Practice diagram of manual excavation pile

根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ 94－2008）表5.3.5－1 及表5.3.5－2，以及土層性狀選取合適的極限側阻力標準值qsik和極限端阻力標準值qpk，選擇③層圓礫作為托換樁的持力層，樁長暫定為6m。極限側阻力標準值qsik和極限端阻力標準值qpk見表2。

2.單樁承載力特征值

托換樁單樁承載力特征值根據(jù)《建筑樁基技術規(guī)范》（JGJ 94－2008）式5.2.2 及式5.3.5 計算，由于基坑緊鄰電力隧道進行開挖，造成樁體一側暴露，所以僅考慮人孔挖孔樁三面的側摩阻力。

式中：u為樁身周長（m）；li為樁周土厚度（m）；Ap為樁截面面積（m2）。

計算所得托換樁單樁承載力特征值Ra＝1154.2kN，取Ra＝1150kN。

表2 極限側阻力標準值qsik和極限端阻力標準值qpkTab.2 Nominal value of ultimate shaft resistance and ultimare tip resistance

3.托換樁間距

為使電力隧道底板縱向受力更均勻，托換樁間距暫取5m，計算所得5m長電力隧道總荷載Q為480kN，Q＜Ra，滿足要求。托換樁平面布置見圖3。

圖3 托換樁平面布置Fig.3 Layout plant of underpinning piles

4.2 土釘墻設計

根據(jù)本基坑工程現(xiàn)場實際情況，考慮基坑北側與既有電力隧道的位置關系和其他相關設施布置情況，基坑北側分為AB（13m）、BC（31m）、CD（20m）3個區(qū)段布置土釘，區(qū)段劃分見圖3。其中，BC段離既有電力隧道最近距離僅有80mm，對應1－1剖面；AB、CD段對應2－2剖面。

根據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ 120－2012）中有關規(guī)定，利用理正深基坑軟件（SFPW7.0）進行土釘墻設計。土釘均采用125鋼筋，土釘與水平面夾角取20°，水平間距1.0m，豎向間距1.2m，鉆孔直徑120mm，注漿材料采用水泥砂漿，水泥砂漿水灰比為0.45。噴射混凝土面層厚100mm，混凝土強度等級為C20，布置φ8＠200單層雙向鋼筋網片。1－1、2－2剖面土釘布置如下：1－1剖面布置3排土釘，剖面見圖4a；2－2剖面布置4排土釘，剖面見圖4b。

5 基坑支護施工

基坑支護施工主要包括托換樁施工和土釘墻施工兩個過程，基坑施工過程及完成現(xiàn)場情況見圖5。

5.1 托換樁施工

人工挖孔樁施工主要包括樁孔開挖、護壁、樁基鋼筋籠制作及安裝、樁基及承臺澆注、操作坑回填幾個步驟。人工挖孔樁應采用間隔開挖施工，樁孔開挖至設計標高后應排除孔底積水，承臺應采用微膨脹混凝土進行澆注。

人工挖孔樁均位于既有電力隧道下方，受現(xiàn)場條件限制無法進行單樁承載力試驗。由于人工挖孔樁可人工檢查樁底沉渣厚度，并直接檢驗是否達到樁端持力層，因此，本工程對全部人工挖孔樁通過人工檢查樁基是否達到持力層及樁底沉渣厚度，以保證人工挖孔樁單樁承載力滿足要求，并對樁身進行完整性檢測來判斷樁身是否有缺陷，檢測數(shù)量為12根。

經現(xiàn)場檢驗及測試，12根人工挖孔樁均達到樁端持力層，樁底沉渣均滿足要求，樁身完整性類別均為I類樁。

5.2 基坑開挖及土釘墻施工

基坑土方開挖必須根據(jù)支撐布置按分層、分塊、對稱、限時、限量的原則，分段均勻連續(xù)進行。土釘墻施工隨基坑開挖進行，基坑開挖深度根據(jù)現(xiàn)場實際情況確定（不超過1.5m），隨挖隨支。施工過程應盡量減少開挖對上部既有建筑的影響?；悠马?、坡腳設置排水溝，及時排出地表及基坑內集水，并要求對基坑坡頂?shù)牡孛孢M行硬地化處理，以防止地表水滲入到坑外土體中。

土釘采用成孔注漿型土釘，水泥砂漿的水灰比為0.45，同時，灰砂比取1∶1。注漿壓力不應小于0.4MPa，并在孔口采取封堵措施，保證孔內注漿飽滿。每層土釘注漿完成后應及時施工噴射鋼筋混凝土面層。

圖4 基坑支護剖面Fig.4 Retaining and protection section of building foundation excavations

土釘必須進行抗拔承載力檢測及面層噴射混凝土試塊強度檢測。面層噴射混凝土每500m2檢測數(shù)量不得少于1組，每組檢測點不應少于3個，全部檢測點的厚度平均值不得小于設計厚度，最小厚度不應小于厚度設計值的80%。土釘抗拔承載力試驗每道土釘不得少于3根，抗拔試驗土釘數(shù)不得少于土釘總數(shù)的1%，抗拔承載力的檢測值不應小于土釘軸向拉力標準值的1.3倍。

5.3 基坑坡頂水平位移監(jiān)測

基坑支護結構的檢測和監(jiān)測除按照國家標準《建筑基坑工程檢測技術規(guī)范》（GB 50497－2009）和有關規(guī)范執(zhí)行外，尚應滿足電力部門提出的電力隧道水平位移和豎向沉降均不得超過10mm。在北側托換樁－土釘墻組合支護結構頂部布置3個監(jiān)測點a、b、c用以監(jiān)測電力隧道邊坡頂部水平位移?；悠马斔轿灰票O(jiān)測報警值應由監(jiān)測項目的累積變化量及變化速率值共同控制?；颖眰入娏λ淼劳袚Q樁－土釘墻組合支護結構的監(jiān)測結果如表3所示。

表3 電力隧道邊坡頂部水平位移Tab.3 Horizontal displacement at the top of the slop

圖5 基坑施工過程及完成現(xiàn)場Fig.5 Construction process and completion site of excavations

根據(jù)規(guī)范，二級基坑坡頂水平位移累計報警值為0.6%H（H為基坑開挖深度），即24mm。位移變化速率限制為10mm／d～15mm／d。本工程基坑累計報警值與位移變化速率均滿足規(guī)范要求，同時滿足電力部門提出的變形控制要求。

6 結語

目前工程已施工完成，施工過程中基坑未發(fā)生任何安全事故，基坑變形均滿足規(guī)范要求，電力隧道及臨近建筑結構安全完好。本工程實例證明托換樁－土釘墻組合支護結構達到了預期保證既有建筑物安全和基坑穩(wěn)定的效果，是一種有效的加固支護措施。相對于傳統(tǒng)土釘支護結構，托換樁－土釘墻組合支護結構變形及內力更小，整體穩(wěn)定性更大；相對于內支撐支擋圍護結構，托換樁－土釘墻組合支護結構施工更方便，費用更節(jié)省，經濟高效。

本文可以得出以下結論：

1.工程實例證明托換樁－土釘墻組合支護結構達到了預期保證既有建筑物安全和基坑穩(wěn)定的效果，是一種有效的加固支護措施。

2.托換支護法作為一種新型支護技術，其通過既能承受豎向荷載又能承受水平荷載的托換樁的轉換作用，把部分坡頂建筑物荷載由坡頂轉移至深部土體，大大減小了坡頂荷載對基坑側壁的影響。相對傳統(tǒng)的土釘墻支護，新型托換樁－土釘墻組合支護結構可以很明顯的減小支護結構的變形和內力。

3.無論土釘相對錨索還是托換樁相對灌注樁，托換支護法所需的支護費用都大大降低。托換樁直接作用于臨近建筑物基礎，變形控制效果遠好于傳統(tǒng)基坑支護方法，從而能夠較好地保護周圍環(huán)境。該支護體系中的土釘和托換樁都具有經濟、可靠、施工高效等優(yōu)點。