長距離小截面基坑支護(hù)方案選型研究

袁亮

（江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第三地質(zhì)大隊，江蘇鎮(zhèn)江212000）

0 引言

近年來，隨著中國城市化建設(shè)的不斷發(fā)展，地下管線也更加復(fù)雜。為了更好地管理各類管線在地下空間中的布置，提出了綜合管廊施工管理方案[1-3]。綜合管廊是一種用于容納各類管線，并有可供檢修人員通行過道的一種地下管廊。雖然管廊的截面尺寸較小，但其經(jīng)常穿越城市、車站等建筑物周邊，因此，綜合管廊的埋置通常需要進(jìn)行單獨的基坑設(shè)計。

“排樁+內(nèi)支撐”支護(hù)結(jié)構(gòu)是一種可靠的基抗支護(hù)結(jié)構(gòu)[4-8]，也是目前應(yīng)用深基坑工程中采用最為廣泛的一種支護(hù)形式。劉文剛等[5，9]對排樁+內(nèi)支撐支護(hù)結(jié)構(gòu)在綜合管廊基坑開挖工程中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，該支護(hù)方式能夠很好的適用于土質(zhì)條件較差的基坑支護(hù)工程中。雷雅玲等[4]結(jié)合中烏研究院項目，詳細(xì)分析了改支護(hù)結(jié)構(gòu)在基坑支護(hù)中的可靠性。

鋼板樁[10-13]是一種環(huán)境污染小、施工速度快的支護(hù)結(jié)構(gòu)，在城市基坑支護(hù)工程中占有重要地位。王瀟宇等[14]通過現(xiàn)場試驗的方式研究了大截面鋼板樁在軟土地區(qū)綜合冠梁基坑支護(hù)項目中的應(yīng)用，并指出，大截面PU600×210型鋼板樁在管廊基坑支護(hù)工程中具有良好的經(jīng)濟(jì)性、力學(xué)特性；何良德等[15]以芒稻河特大橋深水超長鋼板樁圍堰項目為背景，通過ABQUES軟件研究了不同施工流程下鋼板樁圍堰的變形特性和力學(xué)規(guī)律；盧春亭等[10]針對鋼板樁施工的問題，分別研究了屏風(fēng)式插打和逐一式插打?qū)︿摪鍢妒┕ば实挠绊懀⑨槍︿摪鍢妒┕ぬ岢隽艘恍┙ㄗh。

綜上所述，排樁+內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較好的支護(hù)效果，而鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)具有較為快捷的施工速度的。然而兩者在長距離、小截面基坑中的對比研究較少。因此，本文以鎮(zhèn)江市某綜合管廊基坑開挖項目為例，針對排樁和鋼板樁在基坑支護(hù)中的效果進(jìn)行研究，提出最優(yōu)方案，以指導(dǎo)工程施工。

1 項目背景

1.1 工程背景

鎮(zhèn)江市某路段新建雨水箱涵采用行車吊吊裝施工，基坑兩側(cè)設(shè)置龍門架。根據(jù)建設(shè)單位要求主要針對K0+020~K0+240段箱涵基坑兩側(cè)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，基坑開挖面寬度4.6m，基坑挖深4m（場地標(biāo)高約6.40m），長約220m，支護(hù)斷面如圖1所示。

圖1 箱涵基坑支護(hù)斷面

1.2 周邊環(huán)境

該箱涵基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，一側(cè)臨近鎮(zhèn)江市某公司舊址（如圖2所示），該建筑為3層淺基礎(chǔ)磚混結(jié)構(gòu)，是重點文物保護(hù)單位。雖然曾進(jìn)行過加固改造，但并未對其基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行改造，且其距離基坑邊界最短距離約5m，容易受到基坑開挖的影響，因此該區(qū)段的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)需要重點設(shè)計。

1.3 地質(zhì)條件

依據(jù)地質(zhì)勘探報告，該區(qū)段的地質(zhì)條件參數(shù)如表1所示。

圖2 周邊建筑

表1 基坑支護(hù)設(shè)計參數(shù)

2 分析模型

2.1 模型建立

為了較好地分析基坑開挖對周邊建筑物的影響和吊車行駛對基坑穩(wěn)定性的影響，采用MIDASGTS建立對應(yīng)的分析模型。如圖3所示，該分析模型的長度取200m，箱涵基坑開挖深度取4.0m，開挖寬度取4.5m?？紤]到基坑開挖對已有建筑的影響，將美孚公司的3層房屋建立在模型中。

圖3 分析模型

圖4 分析模型邊界約束及荷載

合理的邊界條件有利于減小分析模型邊界對分析模型的影響。因此，在模型的底部設(shè)置了固定端約束，限制土體的水平和豎直位移；在模型的四周分別設(shè)置法向的約束，限制土體的水平位移，見圖4。考慮到施工過程中會有車輛行駛等原因，在基坑的兩側(cè)設(shè)置一定寬度的施工荷載，大小設(shè)置為20kPa。依據(jù)吊車滿載時的質(zhì)量和移動時輪圈與地面的接觸面，設(shè)置吊車的附加荷載為85kPa。

為了對比“排樁+內(nèi)支撐”與“鋼板樁+內(nèi)支撐”對箱涵基坑的支護(hù)效果，分別建立了兩種分析模型。對于“排樁+內(nèi)支撐”的支護(hù)結(jié)構(gòu)，采用直徑700mm的旋挖鉆孔灌注樁，樁長6m，樁間距設(shè)置1100mm，冠梁尺寸為900mm×700mm，內(nèi)支撐的采用邊長700mm的矩形支撐。為了保證該基坑開挖過程中的止水效果，樁間采用高壓旋噴樁加固，建模效果如圖5（a）所示。“鋼板樁+內(nèi)支撐”支護(hù)結(jié)構(gòu)中，鋼板樁采用Ⅳ型拉森鋼板樁，樁長6m，冠梁和連梁均采用400×400的H型鋼施工，建模效果如圖5（b）所示。

2.2 單元參數(shù)

依據(jù)地質(zhì)勘探報告中對于各層土體的描述和具體的基坑支護(hù)設(shè)計方案，設(shè)計對應(yīng)的材料參數(shù)（見表2）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（見表3）。

圖5 支護(hù)模型

表2 模型材料參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)單元參數(shù)

2.3 施工工況

“排樁+內(nèi)支撐”施工工況定義：①激活土體單元和建筑物單元，并進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡；②激活高壓旋噴樁、鉆孔灌裝樁、冠梁及連梁單元，并添加施工荷載；③基坑一次性開挖至坑底，殺死基坑內(nèi)部的土體單元；④添加吊車荷載。

“鋼板樁+內(nèi)支撐”施工工況定義：①激活土體單元和建筑物單元，并進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡；②激活鋼板樁單元，并添加施工荷載；③基坑開挖至-1m，殺死第一部分的土體單元；④激活鋼板樁冠梁和內(nèi)支撐單元；⑤基坑開挖至坑底，殺死第二部分的土體單元；⑥添加吊車荷載。

3 計算結(jié)果分析

3.1 基坑水平位移分析

基坑支護(hù)樁水平位移分析結(jié)果如圖6所示。兩種支護(hù)體系均在中部出現(xiàn)最大的水平位移。分析原因，吊車的附加荷載和施工荷載是該支護(hù)段產(chǎn)生較大水平位移的主要原因。對比兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的水平位移，可以發(fā)現(xiàn)，排樁支護(hù)體系產(chǎn)生的最大水平位移為8.4mm，鋼板樁支護(hù)體系產(chǎn)生的最大水平位移為8.3mm，鋼板樁支護(hù)體系產(chǎn)生的位移體與排樁支護(hù)體系產(chǎn)生的位移相近。分析原因，排樁支護(hù)體系是由排樁與混凝土內(nèi)支撐組合而成的支護(hù)結(jié)構(gòu)，具有較大的結(jié)構(gòu)剛度，因此產(chǎn)生的水平位移較小；鋼板樁[14，16]是由鋼板與鋼支撐組合而成的支護(hù)結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)踯嚭奢d出現(xiàn)在基坑周邊時，鋼板樁支護(hù)基坑的空間效應(yīng)充分發(fā)揮，因此也具有較好的變形控制效果。

3.2 周邊沉降分析

如圖7所示，排樁支護(hù)體系的最大沉降量為1.89mm，鋼板樁支護(hù)體系的最大沉降量為1.89mm，兩者在數(shù)值上的差異較小，均能滿足建筑物沉降控制的要求。

圖6 支護(hù)樁水平位移分析結(jié)果云圖

圖7 基坑開挖周邊沉降云圖

以1mm沉降量為沉降控制界限范圍，可以發(fā)現(xiàn)，兩種支護(hù)體系的沉降影響范圍均在距離基坑周邊30m，建筑物已經(jīng)被包含在沉降影響范圍中。因此，當(dāng)?shù)鯔C(jī)行進(jìn)到建筑物區(qū)段的基坑上時，一方面要加強(qiáng)對建筑物變形的監(jiān)測；另一方面，要加快施工速度，避免吊機(jī)在該區(qū)域長時間停留。

3.3 效益分析

通過對基坑水平位移的研究，發(fā)現(xiàn)鋼板樁支護(hù)體系的變形控制效果優(yōu)于排樁支護(hù)體系。通過對基坑沉降的影響研究，發(fā)現(xiàn)兩種支護(hù)體系的支護(hù)效果近似。

根據(jù)項目規(guī)劃書所述，該溝槽基坑支護(hù)項目的工期較為緊張，而排樁支護(hù)體系中的混凝土形成強(qiáng)度需要一定的時間。因此，從施工工期的角度來看鋼板樁支護(hù)體系優(yōu)于排樁支護(hù)體系。

又因為基坑的周邊存在道路，且在施工過程中，道路依舊需要滿足行人通行的要求，而排樁支護(hù)體系在施工過程中容易對周邊環(huán)境造成影響。因此，從環(huán)境保護(hù)的角度來看，鋼板樁支護(hù)體系優(yōu)于排樁支護(hù)體系。

4 施工效果

通過分析，最終該項目采用“鋼板樁+內(nèi)支撐”的支護(hù)形式?？紤]到基坑鋼板樁施工及吊車行走的振動可能會影響建筑物，因此在基坑與建筑之間施工了兩條隔振帶。

施工過程中，當(dāng)?shù)踯囆旭偟皆搮^(qū)段時，基坑監(jiān)測的水平位移分別為7mm、7mm、9mm，與有限元分析的結(jié)果相近。建筑物的沉降量為1mm左右，小于有限元計算的結(jié)果。

5 結(jié)論

本文通過MIDASGTS有限元分析，結(jié)合鎮(zhèn)江市某長距離管槽基坑開挖項目，研究了排樁支護(hù)體系與鋼板樁支護(hù)體系對于該類基坑的適用性，具體結(jié)論如下：

（1）對于長距離、小截面的基坑，且有較大集中荷載分布時，在大排樁間距的情況下，鋼板樁支護(hù)體系的支護(hù)效果優(yōu)于排樁支護(hù)體系的支護(hù)效果。

（2）對于周邊存在古建筑的基坑，在施工過程不僅要加強(qiáng)對建筑物變形的監(jiān)測，同時也要盡量減少基坑施工過程中產(chǎn)生的振動，防止對建筑產(chǎn)生影響。

（3）通過與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比，可以方向，采用數(shù)值模擬的方式對基坑支護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計，計算結(jié)果可靠性較高。