拉錨支撐結(jié)構(gòu)在基坑支護工程中的應(yīng)用

樓秋紅， 古海東

(1.湖州市交通集團有限公司， 浙江 湖州 313000； 2.浙江數(shù)智交院科技股份有限公司， 杭州 310000)

深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計一直以來都是巖土工程領(lǐng)域里的一個熱點和難點問題，深基坑排樁支護結(jié)構(gòu)常用的設(shè)計方法有等值梁法和彈性地基梁法。目前，在工程設(shè)計中，多采用國家行業(yè)標準JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》[1]中的彈性支點法(m法)，同濟大學的楊敏[2-3]給出了彈性支點法(m法)的有限元實現(xiàn)過程，并編制和開發(fā)了相應(yīng)的計算軟件—同濟啟明星深基坑支擋結(jié)構(gòu)分析計算軟件，并采用該軟件對維護結(jié)構(gòu)變形和變形性狀影響因素進行了分析和討論。

目前，沿海軟土地區(qū)深度約10 m的基坑通常需要設(shè)置2道及以上支撐(一般第1道采用鋼筋混凝土支撐，第2道采用鋼支撐)才滿足JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》[1]要求。實際工程中，大多需要支護結(jié)構(gòu)中的第1道混凝土支撐換撐后，拆除混凝土支撐(通常采用鋼支撐換撐)才能保證圍護結(jié)構(gòu)安全[4-14]。然而，采用鋼支撐換撐時，因受施工空間和施工單位技術(shù)能力的限制，往往造成施工困難，嚴重影響施工工期。

因此，能否找到一種簡便的換撐結(jié)構(gòu)體系來代替鋼支撐換撐結(jié)構(gòu)，具有一定的工程應(yīng)用價值。本文結(jié)合浙江省湖州市某實際基坑工程，研究了拉錨結(jié)構(gòu)在基坑支護設(shè)計中的應(yīng)用，并與常規(guī)的鋼支撐換撐結(jié)構(gòu)進行比較分析，以探討拉錨支撐結(jié)構(gòu)在基坑圍護設(shè)計中的可行性。

1 工程概況

申蘇浙皖至申嘉湖高速連接線(簡稱申申連接線)，從環(huán)渚互通至東環(huán)互通段長度約4.2 km，主要經(jīng)過湖州東部城區(qū)， 沿途與緯五路、318外環(huán)線、吳興大道等交叉。

吳興大道作為城市主干路，直行及轉(zhuǎn)彎的交通量均較大，交叉點里程樁號為K2+386，交角為89°。交叉采用下穿通道的立體交叉形式，通道采用2孔整體式箱型結(jié)構(gòu)(14.70+14.70)m，明挖現(xiàn)澆施工。結(jié)構(gòu)側(cè)墻厚度1.2 m，結(jié)構(gòu)底板下設(shè)雙向6車道通道，通道內(nèi)凈高6.84 m。

地下通道路線沿湖織公路展布，地層巖性為沖湖積平原區(qū)，地勢平坦開闊。地表為填土，厚約0.8 m～3.2 m；場地淺部為沖海積粉土，稍密-中密，一般厚約9 m～12 m；其下為海積淤泥質(zhì)土、軟-流塑狀粉質(zhì)粘土等，頂板埋深約10.2 m～15.1 m，一般厚約8 m～13 m；中部為沖湖積硬-可塑狀粉質(zhì)粘土，一般厚7 m～10 m；中下部為海積軟-軟可塑粉質(zhì)粘土。各地層物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學參數(shù)

2 圍護結(jié)構(gòu)方案比選

基坑開挖深度約9 m，右側(cè)需設(shè)置臨時便道，受周邊地形及建筑限制，工作坑開挖采取垂直開挖方式。根據(jù)該項目基坑開挖深度及地層參數(shù)條件，擬定3種圍護結(jié)構(gòu)方案進行比選分析。

1) 方案1：Φ850 mm SMW工法樁(總樁長19 m，坑底以下樁長10 m，平面咬合布置，咬合寬度0.25 m)+1道混凝土支撐(截面尺寸900 mm×800 mm，水平間距3.5 m)+1道Φ609 mm鋼支撐(水平間距3.5 m)，并設(shè)置鋼支撐換撐。

2) 方案2：Φ850 mm SMW工法樁(總樁長19 m，坑底以下樁長10 m，平面咬合布置，咬合寬度0.25 m)+1道預(yù)應(yīng)力拉錨支撐(拉錨采用4根Φ15.2 mm鋼絞線，長度30 m，傾角20°)+1道Φ609 mm鋼支撐(水平間距3 m)，并設(shè)置鋼支撐換撐。

3) 方案3：Φ850 mm SMW工法樁(總樁長19 m，坑底以下樁長10 m，平面咬合布置，咬合寬度0.25 m)+1道混凝土支撐(截面尺寸900 mm×800 mm，水平間距3.5 m)+1道Φ609 mm鋼支撐(水平間距3.5 m)，第1道支撐換撐采用拉錨換撐，其中拉錨采用3根Φ15.2 mm鋼絞線，長度15 m，水平間距4.5 m，每組拉錨采用4根Φ219 mm壁厚16 mm的鋼管作為受力支撐體系，鋼管長度10 m，鋼管距離基坑邊緣15 m。

坑底以下5 m深度范圍內(nèi)采用三軸攪拌樁進行加固。采用同濟啟明星軟件分別驗算了3種圍護方案的基坑穩(wěn)定性和圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形，基坑穩(wěn)定性和圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)力與變形計算方法分別采用規(guī)范[1]中的圓弧滑動法和彈性地基梁法，計算模型如圖1所示，模型中地表臨時荷載按均布荷載20 kPa取值，變形計算結(jié)果如圖2所示，計算結(jié)果對比如表2所示。

(a) 方案1

(b) 方案2

(c) 方案3

(b) 方案2

(c) 方案3

由圖2(a)可知，方案1圍護結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在樁頂，向坑內(nèi)發(fā)生側(cè)移，為5.9 mm；沿基坑深度方向，變形逐漸減小，圍護樁底部變形基本為零；最大彎矩發(fā)生在基坑深度約7.5 m處，為118.8 kN·m，樁頂和樁底部彎矩基本為零；最大剪力發(fā)生在基坑深度約7.5 m處，約128.9 kN，樁頂和樁底部剪力基本為零。

由圖2(b)可知，方案2圍護結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在樁頂，向坑內(nèi)發(fā)生側(cè)移，為28.6 mm；沿基坑深度方向，變形逐漸減小，圍護樁底部變形基本為零；最大彎矩發(fā)生在基坑深度約7.5 m處，約318.7 kN·m，樁頂和樁底部彎矩基本為零；最大剪力發(fā)生在基坑深度約7.5 m處，約158.5 kN，樁頂和樁底部剪力基本為零。

由圖2(c)可知，方案3圍護結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在樁頂，向坑內(nèi)發(fā)生側(cè)移，為12.9 mm，沿基坑深度方向，變形逐漸減小，圍護樁底部變形基本為零；最大彎矩發(fā)生在基坑深度約13 m處，約129.5 kN·m，樁頂和樁底部彎矩基本為零；最大剪力發(fā)生在基坑深度約7.5 m處，約122.4 kN，樁頂和樁底部剪力基本為零。

由表2可知，方案1與方案3圍護結(jié)構(gòu)變形及基坑穩(wěn)定性均滿足規(guī)范[1]要求。該項目工期較緊張，采用常規(guī)鋼支撐換撐工期較長、施工不便；另外，基坑周邊場地有限，方案2長錨支撐施工不便，變形不宜控制，且側(cè)向位移不滿足規(guī)范要求，與方案1相比，采用方案3造價節(jié)省約50萬元，綜合考慮，基坑圍護結(jié)構(gòu)方案采用方案3。

3 圍護結(jié)構(gòu)施工

3.1 施工工序

圍護結(jié)構(gòu)施工順序為：1) 平整場地、三軸攪拌樁處理地基、施工圍護結(jié)構(gòu)、格構(gòu)抗拔樁、卸載土方、澆筑冠梁，結(jié)構(gòu)強度達到設(shè)計要求后掏槽開挖，施工第1道支撐，如圖3(a)所示；2) 繼續(xù)開挖到第2道支撐處，掏槽開挖架設(shè)第2道支撐，如圖3(b)所示；3) 繼續(xù)開挖到基底，施工基底混凝土墊層及底板防水，如圖3(c)所示；4) 繼續(xù)施工底板和側(cè)墻結(jié)構(gòu)及防水到第2道支撐處，待混凝土強度達到設(shè)計強度后，兩側(cè)回填同等級素混凝土作為剛性支撐，拆除第2道支撐，如圖3(d)所示；5) 繼續(xù)施工側(cè)墻結(jié)構(gòu)及防水到第1道支撐處，如圖3(e)所示；6) 待主體結(jié)構(gòu)混凝土強度達到設(shè)計要求后，設(shè)置拉錨結(jié)構(gòu)，如圖3(f)所示；7) 拆除第1道鋼筋混凝土支撐，施工框架結(jié)構(gòu)頂板，如圖3(g)所示。

表2 不同圍護方案計算結(jié)果

(a) 施工第1道支撐

(b) 施工第2道支撐

(c) 基底混凝土墊層及底板防水施工

(d) 底板施工及拆除第2道支撐

(e) 施工側(cè)墻結(jié)構(gòu)及防水到第1道支撐處

(f) 設(shè)置拉錨結(jié)構(gòu)

(g) 拆除第1道支撐

3.2 拉錨結(jié)構(gòu)設(shè)計

拉錨結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。拉錨錨索采用2根Φ15.2 mm的鋼絞線，每束鋼絞線能承受的極限拉力需大于200 kN，且應(yīng)設(shè)鋼管保護，并回填密實；鋼管與混凝土縱梁縱向鋼筋應(yīng)焊接牢固，混凝土座采用C35 混凝土；鋼管樁與地層間應(yīng)密實無間隙并減少擾動，否則應(yīng)對鋼管樁在打設(shè)到位后進行灌注水泥漿填充；鋼管樁縱梁與基坑側(cè)開挖土層間，應(yīng)采用水泥砂漿或同標號的混凝土予以回填，以便土層對縱梁提供有效抗力；帽座鋼管連接處應(yīng)采用型鋼連接。

(a) 橫斷面

(b) 平面布置

(c) 鋼管連接示意

(d) 現(xiàn)場鋼管埋設(shè)照片

3.3 拉錨結(jié)構(gòu)受力與變形分析

1) 模型建立

拉錨錨錠鋼管采用無縫鋼管，其中外徑219 mm，壁厚16 mm，長度10 m，彈性模量E=210 GPa，單個鋼管的抗彎剛度EI=5 944.5 kN·m2。采用三維有限元模型分析計算的目的：1) 驗算鋼管在拉錨力作用下的變形；2) 驗證鋼管能否支撐設(shè)計所需要的拉錨力，以免管樁支撐不足而被整體拔出。

模型尺寸長10 m、寬10 m、高30 m，如圖5所示。采用摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型，樁與土體間接觸設(shè)置接觸單元，切向采用摩擦接觸，法向采用硬接觸，模型中土體參數(shù)如表1所示。

圖5 有限元計算模型

有限元模型中，按等效抗彎剛度原則換算得到單個實心剛管的直徑為D=0.443 6 m，根據(jù)啟明星軟件計算得到的拉錨支撐軸力為29.6 kN/m，并作為三維有限元模型中鋼管樁的外部荷載條件輸入三維有限元模型中，有限元模型中實際輸入每根模型樁需承受的拉錨力為29.6×4.5=133.2 kN。

2) 結(jié)果分析

有限元計算得到的拉錨支撐鋼管變形如圖6所示。計算結(jié)果表明：(1) 在拉錨力作用下鋼管樁的變形頂部最大，為5.8 mm，總體上變形較小，且變形沿樁身方向不斷減小，樁底部位移基本為零；(2) 鋼管樁整體穩(wěn)定，不會被拔出，能提供拉錨所需的支撐力。

3.4 圍護結(jié)構(gòu)實測變形

施工期間該基坑共埋設(shè)12個深位移監(jiān)測點，最大變形位移出現(xiàn)在3號測點(對應(yīng)基坑開挖深度9 m處)，最大實測位移發(fā)生在基坑頂面，約6 mm，變形方向朝坑內(nèi)方向；沿基坑深度方向，位移不斷減小，樁底處基本為零，其具體分布規(guī)律如圖7所示。

圖6 鋼管樁變形云圖

由圖7可以看出。實測位移分布規(guī)律與圖2中理論計算結(jié)果基本一致，但位移值較理論計算結(jié)果12.9 mm小，表明針對該項目的地層條件，采用拉錨換撐方案技術(shù)可行。目前該項目已建成通車，開挖基坑對應(yīng)的明挖通道路段運營狀況良好。

圖7 圍護結(jié)構(gòu)側(cè)向位移實測結(jié)果(位移朝坑內(nèi)方向為正)

4 結(jié)論

1) 在實際基坑工程中，使用拉錨支撐結(jié)構(gòu)代替常規(guī)鋼支撐換撐可行。

2) 拉錨結(jié)構(gòu)特別適合于常規(guī)鋼支撐換撐難度大及工期緊張的基坑工程。

3) 與常規(guī)鋼支撐換撐相比，拉錨結(jié)構(gòu)具有施工方便、造價低等優(yōu)點，在實際工程中能很大程度節(jié)約施工工期，具有較好的使用前景。