SMW雙排樁基坑支護設(shè)計及應(yīng)用

陳 達

（廣東省建科建筑設(shè)計院有限公司 廣州510010）

0 引言

隨著城市發(fā)展的進程，現(xiàn)代工程中的深基坑開挖深度越來越深，周邊環(huán)境越來越復(fù)雜，需要處理的地質(zhì)條件也越來越困難，對工程施工中基坑支護的要求也就越來越高。雙排樁支護結(jié)構(gòu)是20 世紀90 年代前后出現(xiàn)的一種剛性結(jié)構(gòu)，因其橫向剛度大，施工作業(yè)面小，在處理基坑周邊環(huán)境及軟弱土所帶來的側(cè)向位移控制問題上具有很大的優(yōu)勢。同時SMW 工法樁的側(cè)向剛度相對較小，而SMW 工法樁集合止水和結(jié)構(gòu)支護的作用，在軟弱地層或透水土層的基坑支護中得到了廣泛應(yīng)用。結(jié)合SMW 工法樁和雙排樁支護兩者各自優(yōu)點的組合進行支護設(shè)計，是一個值得研究及應(yīng)用的方向。目前國內(nèi)學(xué)者對雙排樁支護已有大量的研究及應(yīng)用，周裕利等人［1］通過對實際工程中雙排樁結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進行了算例分析，論證了雙排樁對于基坑位移的有效控制；朱慶科［2］在考慮冠梁平面外實際剛度下，提出了雙排樁支護結(jié)構(gòu)的理論計算方法，并且通過三維數(shù)值模擬研究了雙排樁支護結(jié)構(gòu)在空間效應(yīng)下的受力和變形特性；榮玲［3］通過采用室內(nèi)模型試驗，探究了不等長雙排樁支護結(jié)構(gòu)的受力特性及布置合理性；周燕鋒［4］在某項目上創(chuàng)新應(yīng)用長短SMW 樁+預(yù)應(yīng)力擴孔錨索的支護方案，通過SMW 長樁與短樁之間的協(xié)調(diào)作用，實現(xiàn)了基坑支護的安全性與經(jīng)濟性的統(tǒng)一。但在目前的相應(yīng)規(guī)范和法規(guī)當(dāng)中，雙排樁支護結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法尚未完全成熟，而在實際應(yīng)用當(dāng)中已有相當(dāng)案例，同時也有一些SMW 工法與雙排樁結(jié)合的應(yīng)用實例［5-7］。本文從一個SMW 雙排樁基坑支護實際工程中探討關(guān)于SMW 雙排樁支護設(shè)計和應(yīng)用中需要考慮的問題。

1 工程應(yīng)用實例及設(shè)計探討

1.1 工程概況

廣州某酒店群項目場地位于廣州市花都區(qū)花城街，項目地下室為1 層，基坑總面積約為1.12 萬m2，支護周長約為527 m，開挖深度約為4.50～6.76 m。

基坑南側(cè)和北側(cè)場地空間較小，項目南側(cè)與另一待建工程直接相鄰，北側(cè)與正在新建的規(guī)劃道路相鄰，并且需要保留車輛行駛路線，項目對場地空間的使用要求較高。基坑平面如圖1所示。

圖1 基坑支護平面Fig.1 The Plan of Foundation Pit Support

新建規(guī)劃道路靠近基坑邊存在同步施工的給水管，給水管的存在對基坑北側(cè)支護變形控制提出較高要求。同時經(jīng)鉆探揭露，本工程地基土揭示為人工填土、耕植土、沖洪積層粉質(zhì)粘土、細砂、中砂、粗砂等，殘積層粉質(zhì)粘土，下伏基巖為石炭系灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r、炭質(zhì)泥巖、構(gòu)造角礫灰?guī)r、硅化灰?guī)r。特別是基坑支護深度范圍內(nèi)粗砂層較厚，土層如圖2 所示。粗砂土層按《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程:JGJ 120-2012》要求進行水土分算，基坑支護承受的主動土壓力較大，同時深厚透水土層的存在對基坑支護工程的止水效果提出較高的要求。

1.2 設(shè)計方案

本基坑支護工程北側(cè)采用SMW 雙排樁支護型式，東、西側(cè)采用放坡掛網(wǎng)噴混凝土支護型式，南側(cè)采用灌注排樁支護型式。受鄰近道路管線與深厚透水土層地質(zhì)條件的影響，基坑北部區(qū)域采用單排樁支護無法滿足基坑變形和內(nèi)力的要求，同時錨索施工對工期的影響較大，本基坑工程北側(cè)區(qū)域?qū)刂浦ёo位移及支護施工工期有高要求，同時基坑深度不大，因此雙排樁支護是本基坑工程北側(cè)區(qū)域合適的支護型式選擇。同時考慮本基坑支護工程基坑深度范圍內(nèi)存在深厚透水土層，為確?；又ёo工程的止水效果，止水樁宜采用大直徑三軸攪拌樁。因此結(jié)合大直徑止水樁與雙排樁支護結(jié)構(gòu)采用SMW 雙排樁支護是較為經(jīng)濟及適用的支護型式，支護示意如圖2所示。

SMW雙排樁采用直徑850 mm的三軸攪拌樁，攪拌樁間距為600 mm，攪拌樁內(nèi)插型鋼HW700×300，型鋼采用插一跳一的布置方式，型鋼中心間距為1.2 m；前后排樁中心距為4.2 m，前后排樁頂部采用1.2 m×0.6 m的冠梁，型鋼頂高出冠梁頂500 mm，方便后期基坑支護工程竣工后拔出型鋼，并對型鋼進行回收重復(fù)利用。

圖2 基坑支護剖面示意圖Fig.2 The Profile of Foundation Pit Support

為有效控制SMW 雙排樁支護的位移，增強SMW雙排樁樁頂?shù)乃絼偠?，前后樁頂冠梁間的連系構(gòu)件采用0.6 m 厚的混凝土蓋板。SMW 雙排樁樁頂冠梁間連接大樣如圖3所示。

圖3 冠梁配筋俯視及剖面Fig.3 The Top View and Profile of Crown Beam Reinforcement

1.3 SMW雙排樁支護設(shè)計探討

SMW 雙排樁支護設(shè)計應(yīng)用實例已有較多，但仍未形成一套成熟的設(shè)計指導(dǎo)方法。以本基坑設(shè)計工程為例，對SMW雙排樁支護設(shè)計方法進行探討。

⑴SMW 雙排樁前后樁頂宜選擇較大水平剛度的連接方式。當(dāng)基坑周邊環(huán)境對地下水位變化較為敏感，攪拌樁樁身范圍內(nèi)大部分為砂（粉）性土等透水性較強的土層時，若型鋼水泥土攪拌樁變形較大，攪拌樁樁身易產(chǎn)生裂縫、造成滲漏，后果較為嚴重。文獻［3］研究了雙排樁樁土間對雙排樁整體剛度的影響，提出樁間土體土質(zhì)條件差、強度低，雙排樁“門式框架結(jié)構(gòu)”整體剛度大的優(yōu)勢將大為減弱的結(jié)論。而在軟弱土層中采用SMW 雙排樁，樁間土強度低，雙排樁整體剛度取決于前后樁頂冠梁之間的連接方式。因此，前后樁頂冠梁之間宜采用蓋板連接提高SMW雙排樁樁頂水平剛度，可有效減小SMW 雙排樁樁頂變形位移。同時控制型鋼變形量，也有利于基坑支護工程完成后型鋼的回收，型鋼得以重新利用。

⑵采用受彎剛度等效的方法，將SMW 工法雙排樁直徑等效成混凝土雙排樁直徑進行設(shè)計。以本工程實例為例，為方便軟件計算，將HW700×300 型鋼等剛度折算為圓形混凝土樁，等效剛度公式如式⑴所示。

Ec×π D4/64=EsIx⑴

其中，型鋼彈性模量Es=2.06×105N/mm2，截面慣性矩Ix=1.735 45×109mm4；C30混凝土彈性模量Ec=3.0×104N/mm2，混凝土等效直徑為D。按照抗彎剛度相等原則，計算得：D=700 mm。

采用等效混凝土雙排樁直徑在軟件中根據(jù)現(xiàn)有規(guī)范對雙排樁進行內(nèi)力計算，可得前后排樁的彎矩如圖4所示，根據(jù)文獻［8］等可知前、后排樁彎矩不等，前排樁彎矩比后排樁彎矩大。因此后排樁可適當(dāng)選取比前排型鋼樁抗彎剛度小的型鋼。

圖4 前后排樁彎矩Fig.4 The Bending Moment of the Front and Rear Pile

⑶深厚軟弱地層或深厚透水土層的基坑支護設(shè)計需要重點考慮基坑的變形及止水問題。其中，在軟弱地層應(yīng)用SMW 雙排樁應(yīng)優(yōu)先重點考慮基坑變形問題，SMW 雙排樁可通過采用加密型鋼間距、增大型鋼尺寸或加強前后排樁樁間蓋板等方式來增加支護型式的剛度，從而控制基坑的變形問題；在深度透水層應(yīng)用SMW雙排樁應(yīng)優(yōu)先重點考慮基坑止水效果問題，SMW 雙排樁可通過采用不同直徑的攪拌樁來適應(yīng)因基坑深度增加導(dǎo)致的基坑止水難度，也可以在滿足剛度及強度要求下，不改變內(nèi)插型鋼的長度及尺寸，僅通過增加攪拌樁的長度來滿足基坑止水的要求。

⑷深厚軟弱地層或深厚透水土層采用SMW 雙排樁支護，該類地質(zhì)條件下支護的抗傾覆穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性為支護設(shè)計樁長的決定性因素，也是在該類地質(zhì)條件下支護設(shè)計需要重點考慮設(shè)計安全度的部分。根據(jù)文獻［3，9］可知，適當(dāng)增加后排樁樁長，可以有效增加支護結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性安全度；而適當(dāng)增加前排樁樁長，可以有效增加支護結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性。因此對于軟弱地層或深厚透水土層采用SMW 雙排樁支護，在類似淤泥之類的軟弱地層中，支護整體穩(wěn)定性為支護的首要控制因素，軟弱地層雙排樁宜適當(dāng)增加后排樁樁長提高支護整體穩(wěn)定性；而在類似砂（粉）性土等的深厚透水土層中，支護后排樁承受的主動土壓力相對前排樁承受的被動土動力大得多，深厚透水土層中雙排樁宜適當(dāng)增加前排樁樁長，以提高支護抗傾覆穩(wěn)定性。

⑸支護設(shè)計的水平計算位移與實際的監(jiān)測水平位移數(shù)值對比。由圖5、圖6可知，支護設(shè)計的水平計算位移最大值出現(xiàn)在樁頂處，最大值約為12.3 mm，最大值位移的方向為向基坑內(nèi)；而實際的支護監(jiān)測水平位移最大值僅為0.8 mm?？梢酝茢嗟氖荢MW 雙排樁支護的水平剛度較大，雙排樁間蓋板提供的水平剛度比設(shè)計計算考慮的支護水平剛度（1.37 MN/m）要大得多。

圖5 前后樁計算水平位移Fig.5 The Calculation of Horizontal Displacement of the Front and Rear Pile

圖6 監(jiān)測數(shù)據(jù)成果Fig.6 The Results of Monitoring Data

⑹SMW 雙排樁支護型式的特點決定了其在基坑支護應(yīng)用上的優(yōu)勢及限制。經(jīng)濟性和環(huán)保節(jié)能方面，H 型鋼在地下室施工完成后可以回收利用，避免遺留在地下形成永久障礙物，是一種綠色工法，同時也能降低工程造價。支護剛度調(diào)整方面，H 型鋼可以通過跳插、密插等方式調(diào)整支護整體剛度，可適應(yīng)基坑局部區(qū)域剛度變化的要求。對周邊環(huán)境影響及要求方面，SMW 雙排樁無須開槽或鉆孔，減少對鄰近土體的擾動，降低對鄰近地面、道路、建筑物、地下設(shè)施的危害，同時其前后樁間蓋板的上部也能考慮施工車輛的通行，可增加工程場地的施工操作空間。基坑工程工期方面，SMW 雙排樁與地下連續(xù)墻、灌注排樁等支護型式相比，工藝簡單、成樁速度快，工期可大大縮短。土層適用性方面，SMW 雙排樁支護可適用于軟土、黏土和較密實的砂性土等，但對于卵石、強風(fēng)化巖層等地層則很難施工SMW 雙排樁。基坑深度和變形控制方面，SMW 雙排樁支護型式相對于單樁SMW 支護型式的剛度要大，但相對于灌注雙排樁支護型式、地下連續(xù)墻支護型式的剛度仍較小，在基坑深度超過15 m 或周邊環(huán)境要求控制位移較嚴時，SMW 雙排樁支護型式已不適用或需要采取其它增強支護剛度的措施。

2 結(jié)論及建議

本文通過SMW 雙排樁基坑支護在實際工程中的應(yīng)用，探討了關(guān)于該支護型式設(shè)計中一些需要考慮的問題，得到如下結(jié)論及建議：

⑴根據(jù)該SMW雙排樁基坑支護實際工程的監(jiān)測報告，本項目SMW雙排樁基坑支護區(qū)域最大正向水平位移為0.8 mm，基坑支護水平位移得到有效的控制。

⑵在場地空間及工期限制的情況下，在深厚軟弱地層或深厚透水土層中基坑支護可優(yōu)先采用SMW雙排樁支護型式，且雙排樁前后樁頂宜采用水平剛度較大的蓋板連接。

⑶SMW 雙排樁可按照抗彎剛度相等原則，采用等效混凝土樁徑的方法進行設(shè)計。雙排樁前后排樁彎矩不等，前排樁彎矩比后排樁彎矩大。因此后排樁可適當(dāng)選取比前排型鋼樁抗彎剛度小的型鋼。

⑷深厚軟弱地層或深厚透水土層采用SMW 雙排樁支護，軟弱地層中雙排樁支護宜適當(dāng)增加后排樁樁長提高支護整體穩(wěn)定性，深厚透水土層中雙排樁支護宜適當(dāng)增加前排樁樁長提高支護抗傾覆穩(wěn)定性。