前撐式注漿鋼管斜撐體系在基坑工程中的應用分析

鄭先元，張 志

（昆山開發(fā)區(qū)建設工程質量安全監(jiān)督站，江蘇昆山215300）

0 引 言

近年來，隨著施工技術的發(fā)展，不同結構型式的圍護體系不斷涌現(xiàn)，且各有其特點和局限性，因而，根據(jù)工程的實際情況對圍護結構體系進行合理選型優(yōu)化設計可取得最佳效益。注漿鋼管斜撐支撐體系是一種新型的基坑圍護結構類型。該技術使用鋼構件代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋混凝土支撐，更有別于傳統(tǒng)拋撐概念與工藝，可廣泛適用于挖深12m以內(nèi)的基坑［1］，該技術在上海某住宅小區(qū)項目已得到了成功應用［2］。該支護型式有如下優(yōu)點：①鋼管注漿樁可提供支撐反力，類似于斜拋撐的作用；②可實現(xiàn)直立式開挖，支撐干擾范圍小，挖土方便，施工速度快；③鋼管注漿樁施工便捷，成本較低；④注漿鋼管樁作為斜向內(nèi)拋支撐不出紅線；⑤必要時可考慮二次回收。

由于目前該體系知識產(chǎn)權為某巖土工程公司獨立擁有，因此本文主要結合該支撐體系在蘇南某地深基坑項目中的具體應用，簡要介紹工程有關情況，并從安全性、施工便利性、經(jīng)濟性及工期等多角度比較該體系與傳統(tǒng)支撐體系的差別，為工程建設人員提供一種參考視角（實際應用涉及知識產(chǎn)權的有關事宜，請咨詢產(chǎn)權擁有者）。

1 工程概況

蘇南地區(qū)某住宅三期項目由5棟34層超高層住宅、2棟23～26層高層住宅、1棟7層住宅、1棟2～4層辦公配套商業(yè)、1棟4層幼兒園及一層地下室和二層純地下車庫組成。建筑物采用樁筏基礎。地下車庫基坑開挖面積約為18000m2，基坑周長約為632.4m，基坑開挖深度5.35～8.15m。

本工程基坑東側為已建成小區(qū)，地下室基坑邊線距離用地紅線最近距離約6.08m?；幽蟼葹橐呀ǔ尚^(qū)，基坑邊線距離小區(qū)約75.6m，基坑邊線距離用地紅線最近距離約28.98m?；游鱾葹樘?，圍墻即為用地紅線，距離基坑邊線最近距離約10.22m?；颖眰仁乔u湖路。紅線內(nèi)分布有市政管線，即雨水井，供水管，污水井，距離基坑邊線最近距離分別為6.87～14.96m?；又苓叚h(huán)境如圖1所示。

圖1 基坑周邊環(huán)境圖

2 工程地質及水文地質條件

根據(jù)勘察報告，擬建場地屬沖、湖積平原地層組合，場地地勢較為平坦。對本工程基坑圍護設計、施工影響較大的土層情況如表1所示。擬建場地基坑開挖影響深度范圍內(nèi)以黏性土為主。

表1 基坑影響范圍內(nèi)土層情況

基坑開挖過程中需考慮的地下水類型主要為潛水和微承壓水。本場地的潛水主要賦存于淺部的填土層、②層及③層土中；潛水常年平均地下水埋深一般為0.5～0.7m。⑤1-1層和⑥層及粉土、砂層賦存有承壓水，此類土層在場地分布不穩(wěn)定，局部缺失，現(xiàn)場實測得⑤1-1層微承壓水頭埋深為2.59m（絕對標高-0.29），經(jīng)驗算局部深坑承壓水安全系數(shù)不滿足要求，需減壓降水。

3 基坑圍護方案的選型比較

基坑支護結構是系統(tǒng)工程，圍護結構的設計不僅關系到基坑開挖及周邊建（構）筑物的安全，而且直接影響著土方開挖以及地下室結構施工等成本，即要做到受力合理、施工方便、節(jié)省工期。

本基坑工程分為一層和二層地下室區(qū)域，開挖深度不一，基坑周邊環(huán)境條件多變。根據(jù)基坑特點結合建設開發(fā)順序，基坑圍護方案設計思路基本可分為兩種。第一種方案，將地下一層區(qū)域與地下二層區(qū)域分割后獨立考慮，先深后淺，地下二層深坑區(qū)域采用內(nèi)支撐模式，地下一層淺坑區(qū)域采用重力壩或放坡等支護方式。第二種方案，充分考慮基坑各部位挖深及基坑周邊空間條件，采取互不干擾、靈活多變的多種支護方式，從而盡可能規(guī)避采用對撐這一對施工影響較大的支護型式。

3.1 可行方案一

第一種方案為地下二層區(qū)域采用鉆孔灌注樁結合三軸深攪樁止水帷幕+兩層鋼筋混凝土支撐，地下一層區(qū)域采用重力式水泥土擋墻，如圖2所示。兩層地下室區(qū)域方案具體參數(shù)如下：圍護樁采用φ800@1000鉆孔灌注樁，有效樁長18.5m，采用φ850@1200三軸攪拌樁止水，有效樁長15.5m，坑內(nèi)被動區(qū)采用水泥土暗墩加固。立柱樁采用φ800鉆孔灌注樁有效樁長20.00m。鋼筋混凝土圈梁截面尺寸為1200mm×800mm，鋼筋混凝土圍檁截面尺寸為1300mm×800mm。采用角撐加對撐形式，第一、二層鋼筋混凝土支撐截面尺寸分別為800mm×800mm，900mm×800mm。

3.2 可行方案二

第二種方案為地下一層區(qū)域仍采用重力式水泥土擋墻，北側及南側地下一層區(qū)域可考慮先行卸土至開挖深度，其與地下二層區(qū)域之間高差顯著減少，采用重力式水泥土擋墻處理；東西兩側純兩層地下室挖深約8.0m，且東側距離紅線較近，需采用支撐方式。方案二采用SMW工法門架+前撐式注漿鋼管斜撐的圍護形式，如圖3所示，方案具體參數(shù)如下：

圖2 基坑支護方案 1

基坑東西兩側（挖深8.05m）圍護結構采用雙排SMW工法樁門架，φ850@1200三軸攪拌樁內(nèi)插700×300H型鋼，門架前后排距6.0m/4.0m，有效樁長均為19.2m，前排為型鋼隔一插一，后排型鋼隔二插一，前后排樁壓頂梁截面尺寸分別為1400mm×800mm，1200mm×800mm，通過400mm厚鋼筋混凝土面板使前后排圍護樁連成整體。支撐結構前撐式注漿鋼管樁采用φ377×10mm規(guī)格，有效樁長為27m，確保樁端進入坑底以下不少于5m，水平傾角為45°；單根水泥用量不少于6t，最終注漿壓力不小于1.5～2.0MPa，注漿完成后鋼管內(nèi)填滿20～40mm級配的碎石，并用水泥漿液灌滿，水泥強度等級P.O42.5。

圖3 基坑支護方案 2 及監(jiān)測點布置

3.3 方案比選

通過從安全性、施工便利性、經(jīng)濟性及工期等多角度比較上述兩種圍護方式。

3.3.1 安全性

兩種方案都能確保圍護結構體系安全可靠。

3.3.2 施工便利性及節(jié)材降耗方面

方案一中，灌注樁施工過程中會產(chǎn)生大量泥漿，泥漿需要外運并特殊處置，混凝土支撐系統(tǒng)需要較長時間養(yǎng)護方可進行下一層土方開挖，流水作業(yè)較難實現(xiàn)，且內(nèi)支撐交錯縱橫嚴重影響挖土效率。方案二中前撐式注漿鋼管支撐的使用可使基坑各邊相互獨立，支護形式的選擇更為靈活，使整體方案大為優(yōu)化。注漿鋼管支撐與圍護樁一起施工，基本同步施工完成，后續(xù)土方施工可實現(xiàn)坑內(nèi)大面積土方整體開挖，且其拆撐速度快并可穿插進行。

從綠色施工角度看，方案一灌注樁施工過程中的泥漿如處置不當會產(chǎn)生環(huán)境污染，此外，后期必須耗費較長時間和精力進行內(nèi)部支撐梁的破解拆除工作，同時產(chǎn)生大量的建筑垃圾并需外運處理，鋼材僅作為廢品處理，材料基本無可回收部分；方案二則沒有上述問題，不僅SMW工法樁中H型鋼可回收，鋼管斜撐亦可部分回收，節(jié)材且環(huán)保。

3.3.3 造價

造價測算結果詳見表2。由測算結果可見，方案二造價比方案一造價節(jié)省約100萬元（造價節(jié)省約6.2%），造價上面略勝一籌。

表2 兩種支護方案經(jīng)濟性比較

3.3.4 工期

工期測算結果詳見表2。方案一由于內(nèi)部支撐梁施工及養(yǎng)護周期較長，后續(xù)土方開挖作業(yè)的難度相對較大，加之后期的支撐梁拆除作業(yè)等，工期總體不占優(yōu)勢；而方案二則由于上述施工的便捷性，拆撐作業(yè)工作量少，工期優(yōu)勢突出，總工期節(jié)省顯著，較方案一可縮短工期約45天。

在確保圍護結構和施工安全的前提下，工期得到合理壓縮，對于降低施工單位的綜合成本、加速開發(fā)企業(yè)的資金回籠進而減少銀行貸款利息壓力，綜合效益巨大。

綜合上述因素，經(jīng)比選，本工程圍護體系最終選擇方案二。該支護方案已成功實踐，方案二中主要圍護體系SMW工法門架+前撐式注漿鋼管斜撐典型剖面及現(xiàn)場施工實體如圖4～圖5所示。

圖4 前撐式注漿鋼管支撐典型剖面圖

圖5 前撐式注漿鋼管支撐

4 基坑圍護結構的監(jiān)測

基坑工程問題具有綜合性和復雜性，理論計算結果和實測結果存在一定差異；此外前撐式注漿鋼管支護體系為新穎支護技術，在該地區(qū)為首次使用。綜上為確保工程安全，對基坑實施監(jiān)測是必需的［3］。監(jiān)測點布置如圖3所示。本文以基坑西側中部最具有代表性的W53沉降位移監(jiān)測點和CX13深層位移監(jiān)測點為例進行解讀，監(jiān)測結果如圖6～圖8所示。具體分析如下：施工工況為，2017年11月2日C8號樓（緊鄰上述兩監(jiān)測點）開始開挖，11月26～27日C8號樓南北兩側地庫相繼開始挖土，12月10日墊層相繼施工，12月25日地庫及C8號樓底板相繼完成。施工期間，最大沉降變形速率出現(xiàn)在12月6日，如圖6、圖7所示，沉降速率為6.21mm/d，水平變形速率為2.8mm/d，沉降速率超過4mm/d，但持續(xù)時間僅為1d，未觸及報警線；12月25日以后基坑變形即已穩(wěn)定，累計沉降量15.6mm，坑頂水平位移累計值為28.54mm，均小于報警值30mm?；邮┕すr與圖6～圖7監(jiān)測結果吻合度很高，即在大面積開挖至坑底時變形速率達到峰值，后由于支護體系發(fā)揮作用，變形速率顯著變小，但變形持續(xù)發(fā)展，直至底板及底板換撐構件施工完成，變形趨于穩(wěn)定，累計變形達到峰值，所以基坑開挖至設計標高為基坑工程高風險工況之一，此時應做好統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，及時封閉底板。

圖6 W 53 地面沉降變形觀測結果曲線圖

圖7 W53 地表水平位移觀測結果曲線圖

根據(jù)CX13深層位移監(jiān)測結果，如圖8所示，基坑開挖到設計標高時（2017年12月中下旬）累計最大水平位移值為14.74mm，測點深度為4m，小于報警值30mm。但由于本案處于厚軟土地層，淤泥質土具有蠕變特性，如圖8中2018年以后監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示深層位移并未收斂，因此在基坑開挖至設計標高后支撐點以下深層水平變形仍會繼續(xù)發(fā)展，應引起重視。

圖8 CX13 深層水平位移觀測結果曲線圖

5 結 論

本工程施工過程中各監(jiān)測指標均在設計控制范圍內(nèi)，未出現(xiàn)險情，實踐證明SMW工法門架+前撐式注漿鋼管支撐應用于本工程是成功的。從本工程的實踐可得出以下幾點結論。

1）建設工程為一系統(tǒng)工程，建設開發(fā)的順序對支護方案的選型有重大影響，統(tǒng)籌考慮，多角度多方案的優(yōu)化比選有利于提高工程經(jīng)濟效益、社會效益。

2）前撐式注漿鋼管支撐體系較常規(guī)內(nèi)撐方案在節(jié)約工程造價、節(jié)省工期、施工便捷性方面有明顯的優(yōu)勢。此項技術為專利技術，后續(xù)如大規(guī)模推廣運用相信會有一定的議價空間，節(jié)約工程造價方面優(yōu)勢會更明顯。

3）基坑挖土的順序和方法對支護結構穩(wěn)定和安全有重要影響。必須根據(jù)設計工況及實際情況完善施工方案并切實落實，如有變化應及時進行相應調(diào)整。

4）信息化施工是地下工程重要一環(huán)，基坑工程的復雜性和理論依據(jù)的經(jīng)驗性決定了監(jiān)測是必須的，這是修正設計、指導施工、確?；庸こ贪踩c穩(wěn)定的關鍵措施之一?；庸こ谈玫拈_展離不開理論計算結果的指導，同時，實際監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠驗證設計方案的合理性，也可作為對理論設計的結果補充。

5）淤泥、淤泥質軟土具有蠕變特性，底板完成后深層水平位移仍會繼續(xù)發(fā)展，應引起重視注意監(jiān)測，具備條件后盡快完成坑壁回填。