復(fù)雜環(huán)境下深大基坑逆作法拉森鋼板樁支護(hù)設(shè)計(jì)*

李 廣，楊澤平，張敏思，程新俊，梁海安,2，胡光陽(yáng)，曾 浩

(1 東華理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院， 南昌 330013；2 東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 南昌 330013)

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)的基坑工程規(guī)模逐漸擴(kuò)大加深，工程所處的地質(zhì)環(huán)境也越來(lái)越復(fù)雜，這對(duì)基坑的施工以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此，如何解決復(fù)雜環(huán)境下的深大基坑問(wèn)題，相應(yīng)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用以及施工工法逐漸成為了廣大學(xué)者的研究熱點(diǎn)[1-2]。逆作法[3]是以地下主體結(jié)構(gòu)水平梁板為內(nèi)支撐，對(duì)地下結(jié)構(gòu)采用自上而下施工的方法，其有縮短工期、環(huán)保等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于我國(guó)的深基坑工程中。例如，南京德基廣場(chǎng)二期基坑工程采用逆作法施工，減少了大量臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)的投入，縮減了成本和工期[4]；西樵紡織科技大廈基坑工程則采用了半逆作法施工，解決了該基坑工程在地質(zhì)條件較差情況下的支護(hù)難題[5]。逆作法大多以地連墻為主要的支護(hù)結(jié)構(gòu)，但在建筑物緊貼基坑邊線、場(chǎng)地施工空間十分狹窄的情況下，地連墻支護(hù)受到限制，傳統(tǒng)逆作法將不再適用。

鑒于此，本文依托南昌勝利路人防平戰(zhàn)結(jié)合工程，結(jié)合場(chǎng)地條件及基坑周圍環(huán)境，分析該工程的難點(diǎn)，創(chuàng)新性地提出拉森鋼板樁墻+逆作法主體結(jié)構(gòu)板水平內(nèi)支撐+深層水泥攪拌樁隔水帷幕的支護(hù)方案，并對(duì)該支護(hù)方案從理論提出到成功實(shí)踐開(kāi)展了細(xì)致的研究。

1 工程概況

本工程位于江西省南昌市東湖區(qū)勝利路、疊山路的地下空間，建設(shè)總長(zhǎng)度為2 030m，主體寬度為15.3～18.4m。由南向北，為陽(yáng)明路與勝利路交叉路口至中山路與勝利路步行街交叉路口，全長(zhǎng)1 356m，且有局部地下2層；由西向東，為棕帽街與疊山路交叉口至象山路與疊山路交叉口，全長(zhǎng)674m，總體呈“十”字形。工程采用無(wú)梁樓蓋結(jié)構(gòu)體系，建筑總面積為52 951.98m2，地下共兩層，1,2層層高分別為4.8，3.9m，基坑開(kāi)挖深度為11.7m，局部開(kāi)挖深度為7.9m。基坑周圍環(huán)境復(fù)雜，東西兩側(cè)為勝利路沿街的民用建筑，建筑物密集且基坑兩側(cè)的民用建筑與基坑邊線的距離為1～3m，地面標(biāo)高為25.50m(黃海高程系，以下同)；南側(cè)與中山路相連，道路寬度為19.7m，路面標(biāo)高為25.46m；北側(cè)與陽(yáng)明路相接，道路寬度為25m，路面標(biāo)高為26.46m。依據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)[6]，本工程設(shè)為一級(jí)基坑，基坑平面圖見(jiàn)圖1。

圖1 南昌勝利路人防平戰(zhàn)結(jié)合工程基坑平面圖

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地位于長(zhǎng)江中下游地區(qū)的贛撫階地，屬于沖擊平原地貌，地勢(shì)總體平坦。場(chǎng)地的土層由人工堆積層(Q4ml)、泛濫沉積層(Q32fal)以及第三系新余群基巖(Exn)組成?；娱_(kāi)挖揭露的土層主要為人工雜填土、細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、中砂、圓礫、泥質(zhì)粉砂巖(以強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化巖為主)，基坑的各土層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

土層物理力學(xué)參數(shù) 表1

2.2 水文地質(zhì)條件

本工程場(chǎng)地內(nèi)地下水位淺，且水量豐富。根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地內(nèi)無(wú)地表水，地下水位埋深為3.2～6.0m，主要類型為紅色碎屑巖類裂隙孔隙水。

3 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的難題

(1) 基坑周圍環(huán)境復(fù)雜

本工程位于南昌市中心，周邊包括了沿街商鋪、市政主干道、擬建地鐵等各類建筑物，并且開(kāi)挖場(chǎng)地內(nèi)市政管線密集，給開(kāi)挖工程造成了很大的不便。其次，沿街商鋪距離基坑開(kāi)挖邊線不足3m，最近僅距基坑開(kāi)挖線1m，基坑施工空間十分狹窄，不利于大型施工設(shè)備進(jìn)場(chǎng)，因此地下連續(xù)墻支護(hù)受到了場(chǎng)地條件的限制。

在施工中，不僅要控制噪聲以減少條件的限制，減少對(duì)周圍居民生活的影響，還要保證商業(yè)街商鋪的正常營(yíng)業(yè)。若在基坑兩側(cè)開(kāi)挖過(guò)程中稍有不慎，則會(huì)引起建筑物開(kāi)裂及沉降，極易造成人員及財(cái)產(chǎn)的損失，故本工程對(duì)施工的要求極為嚴(yán)格。

(2)場(chǎng)地條件差

基坑臨近贛江，場(chǎng)地內(nèi)地下水量大，且開(kāi)挖揭露的地層在地下水位以下，主要為砂土層。土層的自穩(wěn)性能差，透水性能強(qiáng)，故本工程對(duì)基坑防水的要求也極為嚴(yán)格。

(3) 基坑規(guī)模宏大

基坑開(kāi)挖深度深，開(kāi)挖總長(zhǎng)度為2 030m，屬于深大基坑。

4 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)方案

考慮上述基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的難題對(duì)基坑工程建設(shè)的影響，本工程支護(hù)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)點(diǎn)如下：1)須采用剛度大的支護(hù)結(jié)構(gòu)體系，以抵抗基坑外的水土壓力。2)基坑須進(jìn)行排水并設(shè)置隔水帷幕。本工程場(chǎng)地內(nèi)地下水量豐富，且開(kāi)挖地層主要為位于地下水位下的砂土層；在開(kāi)挖過(guò)程中，場(chǎng)地內(nèi)地表水量大，易發(fā)生管涌和流砂。3)基坑施工空間窄，故支護(hù)結(jié)構(gòu)要適應(yīng)施工環(huán)境，便于施工并且可自身形成封閉的圍護(hù)體系。

工程上，高壓旋噴樁可支檔土和水，但施工費(fèi)用過(guò)高，且施工過(guò)程中會(huì)造成大量的泥漿污染。為了確?；釉谑┕ぶ械陌踩?，故采用拉森鋼板樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，選用深層水泥攪拌樁為隔水帷幕，使其形成兩道獨(dú)立的防水體系。依據(jù)本工程支護(hù)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)，對(duì)場(chǎng)地條件及施工工藝、經(jīng)濟(jì)性等因素進(jìn)行分析，在經(jīng)多方討論、計(jì)算以及論證后，最終確定本工程支護(hù)設(shè)計(jì)方案為:拉森鋼板樁墻+逆作法主體結(jié)構(gòu)板水平內(nèi)支撐+深層水泥攪拌樁隔水帷幕。

拉森鋼板樁是一種U形鋼板，其兩側(cè)帶有凹槽鎖口，工程建設(shè)中主要以熱軋型為主。將拉森鋼板樁放入地層，利用其鎖口之間的作用力(前期以鎖口間相對(duì)摩擦力為主，后期以二者間的機(jī)械咬合力為主)相互連接，形成鋼板樁墻的支護(hù)形式[7-8]。該支護(hù)結(jié)構(gòu)形成的擋墻結(jié)構(gòu)可適應(yīng)本工程狹窄的施工空間，且其防水性能良好，自身強(qiáng)度高，可抵抗周圍的水土壓力，故以SKSP-IV型拉森鋼板樁作為支護(hù)結(jié)構(gòu)。選用的鋼板樁截面為U形，寬度為400mm，高度為170mm，厚度為15.5mm，其力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。本工程將拉森鋼板以焊接的方式相互連接，使之完全剛接形成鋼板樁墻，從而避免因拉森鋼板樁鎖口間的相對(duì)滑移而產(chǎn)生剛度折減效應(yīng)[9-10]。拉森鋼板樁與外墻相結(jié)合，打入土層后將不再拔出，作為永久的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。基坑位于富水砂層中，故在拉森鋼板樁墻外(緊貼)采用深層水泥攪拌樁作為隔水帷幕，使其與拉森鋼板樁形成兩道獨(dú)立的防水體系，提高基坑的隔水效果。逆作法采用永久性圍護(hù)結(jié)構(gòu)與地下主體結(jié)構(gòu)相結(jié)合的支護(hù)體系[11]，以地下主體結(jié)構(gòu)的頂、中、底板分別作為支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平支撐，基坑支護(hù)剖面布置設(shè)計(jì)如圖2所示。

SKSP-IV型拉森鋼板樁力學(xué)性能參數(shù) 表2

圖2 基坑支護(hù)剖面設(shè)計(jì)布置圖

圖3 計(jì)算斷面示意圖

4.1 拉森鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)本工程巖土工程勘察報(bào)告，基坑的東側(cè)及中部為最不利地段。故選擇安全等級(jí)為C的鉆孔8和鉆孔41作為計(jì)算斷面，計(jì)算斷面示意圖如圖3所示。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)，基坑周圍建筑物荷載按每層15kPa考慮，而基坑周圍以3～7層的多層建筑物為主，故設(shè)計(jì)的建筑物層數(shù)為7層，考慮基坑周圍的臨近荷載為105kPa，進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算。采用基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)專用軟件FRWS7.1.2進(jìn)行計(jì)算分析，鉆孔8及鉆孔41斷面處拉森鋼板樁的位移及內(nèi)力包絡(luò)圖如圖4，5所示。根據(jù)圖4，5的計(jì)算結(jié)果，鉆孔8和鉆孔41斷面處的拉森鋼板樁樁頂最大水平位移分別為15.6，17.9mm，均小于規(guī)范限值30mm，其樁體最大水平位移分別為49.7，26.7mm，均小于規(guī)范限值50mm，滿足一級(jí)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的規(guī)范要求。鉆孔8和鉆孔41斷面處的拉森鋼板樁內(nèi)力在距離樁頂?shù)?～10m位置處呈現(xiàn)“拋物線”形。拉森鋼板樁的位移曲線呈鼓狀，位移變化規(guī)律與拉森鋼板樁內(nèi)力變化規(guī)律相一致。拉森鋼板樁的內(nèi)力變化，包括彎矩和剪力，均在本工程可控制范圍內(nèi)。故可以用拉森鋼板樁作圍護(hù)結(jié)構(gòu)，代替地下連續(xù)墻。

拉森鋼板樁有效樁長(zhǎng)為11.7m，嵌固深度為7.3m，嵌入到強(qiáng)風(fēng)化的巖石中，持力層的承載力高，且?guī)r石地層穩(wěn)定，樁體只是傳遞自重，不接受梁板或其他荷載。因此，未考慮拉森鋼板樁的豎向荷載，但在施工過(guò)程中，必須進(jìn)行樁頂?shù)某两当O(jiān)測(cè)，尤其要注意拉森鋼板樁體和立柱的沉降差異。

圖4 鉆孔8斷面處拉森鋼板樁位移及內(nèi)力包絡(luò)圖

圖5 鉆孔41斷面處拉森鋼板樁位移及內(nèi)力包絡(luò)圖

在鋼板樁支護(hù)過(guò)程中，要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：1)鋼板樁要定位打入土體，避免破壞地下管線；2)施工中，盡量保證鋼板樁相互咬合，對(duì)脫落的鎖扣進(jìn)行加強(qiáng)維護(hù)；3)由于本工程位于富水砂層中，鎖扣處的密封要十分注意。結(jié)合逆作法的施工工藝，先開(kāi)挖基坑，后設(shè)置支撐。本工程分7個(gè)工況，共設(shè)3道支撐。工況1：開(kāi)挖2m；工況2：在第1層頂板墊層標(biāo)高23.5m處澆筑第1層頂板作為第1道水平內(nèi)支撐；工況3：開(kāi)挖5.3m；工況4：第1層底板標(biāo)高18.3m處澆筑第1層底板作為第2道水平內(nèi)支撐；工況5：開(kāi)挖4.3m；工況6：在第2層底板標(biāo)高13.8m處澆筑第2層底板作為第3道水平內(nèi)支撐；工況7：開(kāi)挖0.1m。拉森鋼板樁在開(kāi)挖過(guò)程中有先期位移，而在頂板施工完成，頂板的抗彎強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，則由地下主體結(jié)構(gòu)水平板來(lái)支承絕大部分水平抗力，且水平板提供的水平抗力及剛度相當(dāng)大，可提高支護(hù)結(jié)構(gòu)整體的剛度，保持拉森鋼板樁墻的穩(wěn)定，極大地提升了施工的安全性。

4.2 深層水泥攪拌樁隔水帷幕設(shè)計(jì)

圖6 深層水泥攪拌樁隔水帷幕平面布置圖

深層水泥攪拌樁采用三軸水泥土攪拌樁，為非加筋工法，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為19m，直徑為800mm，樁間距為400mm。水泥為普通425硅酸鹽水泥，摻入量為25%，木質(zhì)素硫酸鈣摻入量為0.3%。深層水泥攪拌樁全部采用滿打法布置在拉森鋼板樁的外側(cè)，且緊貼拉森鋼板樁，采用搭接的排列方式，咬合成一排，咬合量為20%～25%。其與拉森鋼板樁樁頂之間的地表面設(shè)置混凝土封閉面層以防止雨水滲入。在深層水泥攪拌樁施工結(jié)束之后進(jìn)行滲透性的檢測(cè)工作，若滲透系數(shù)不小于10-7cm/s，則在深層水泥攪拌樁和拉森鋼板樁之間注漿或者采用交錯(cuò)排列的方式，在局部地段布置深層水泥攪拌樁，其各參數(shù)如上所述。深層水泥攪拌樁隔水帷幕的平面布置如圖6所示。

本工程場(chǎng)地內(nèi)地下水位淺，且水量豐富。為適應(yīng)狹窄的施工空間，并解決基坑隔水的問(wèn)題，支護(hù)結(jié)構(gòu)采用拉森鋼板樁和深層水泥攪拌樁，形成2排樁的隔水帷幕形式。其中拉森鋼板樁，其自身形成的鋼板樁墻有一定的剛度和強(qiáng)度，又有良好的隔水性，既起到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，又有隔水的作用，不傳遞彎矩和剪力，故受力較小。隔水帷幕貫穿砂層和強(qiáng)透水層圓礫，其底部需要進(jìn)入到不透水的風(fēng)化巖層中且插入基坑底部下土層一定的深度，隔斷地下水的水平補(bǔ)給，以滿足抗?jié)B流穩(wěn)定性。施工過(guò)程中，基坑并未發(fā)生滲漏，可見(jiàn)深層水泥攪拌樁止水效果好，達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 拉森鋼板樁+逆作法施工工序

本工程拉森鋼板樁墻+逆作法主體結(jié)構(gòu)板水平內(nèi)支撐的主要施工工序?yàn)椋?)先沿著地下建筑軸線打入拉森鋼板樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，然后挖土至第1層頂板墊層標(biāo)高23.5m處，按照施工圖紙澆筑第1層頂板，作為拉森鋼板樁的第1道水平內(nèi)支撐；2)之后繼續(xù)挖土至第1層底板標(biāo)高18.3m處，按照施工圖紙澆筑第1層結(jié)構(gòu)柱、側(cè)墻、底板等其他結(jié)構(gòu)，則第1層的底板作為拉森鋼板樁的第2道水平內(nèi)支撐；3)繼續(xù)挖土至第2層底板標(biāo)高13.8m處，按上述要求澆筑第2層結(jié)構(gòu)柱、側(cè)墻、底板等其他構(gòu)件，將其作為拉森鋼板樁的第3道水平內(nèi)支撐，最后完成地下結(jié)構(gòu)的施工。

逆作法主體結(jié)構(gòu)水平內(nèi)支撐采用先柱后墻法，其詳細(xì)的施工工序如下：1)出土口擋土墻施工；2)采用10m加長(zhǎng)臂挖土機(jī)，挖出剛好能夠使80型小挖掘機(jī)的施工作業(yè)空間，之后吊入小挖土機(jī)進(jìn)行坑內(nèi)挖土作業(yè)；3)小挖土機(jī)與長(zhǎng)臂挖土機(jī)配合挖出柱基礎(chǔ)土方，并在左右兩側(cè)做好格構(gòu)柱鋼支撐，格構(gòu)柱臨時(shí)支撐柱大樣圖如圖7所示；4)順序完成墊層、防水層、柱基礎(chǔ)、柱身結(jié)構(gòu)施工，如圖8所示；5)按照工序3)、工序4)完成結(jié)構(gòu)柱施工，如圖9所示；6)分別向施工完成的結(jié)構(gòu)柱兩側(cè)挖一層土，完成第1層下接外墻結(jié)構(gòu)施工，如圖10所示；7)兩側(cè)外墻分別向相反方向掘進(jìn)，完成上層墻施工；8)按分割線完成下層墻施工，如圖11所示；9)交替完成此出土口的下接墻施工；10)按順序交替柱結(jié)構(gòu)施工；11)連接底板并完成出土口施工，如圖12所示；12)按照上述工序施工完成地下2層結(jié)構(gòu)施工，如圖13所示。

圖7 格構(gòu)柱臨時(shí)支撐柱大樣圖

6 方案實(shí)施效果

方案為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，實(shí)施后節(jié)省了大量的施工成本，縮短了工期并且降低了施工噪聲的污染，非常環(huán)保。根據(jù)基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果，現(xiàn)場(chǎng)拉森鋼板樁的樁頂水平位移在15mm以內(nèi)，小于計(jì)算值，基坑?xùn)|側(cè)和中部斷面在臨近荷載105kPa作用下的地表沉降值分別為26mm和19mm，均符合《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》(GB 50202—2018)[12]的要求。經(jīng)計(jì)算，基坑?xùn)|側(cè)和中部的整體穩(wěn)定安全系數(shù)分別為2.01，2.08，坑底抗隆起安全系數(shù)分別2.08，3.19，墻底抗隆起安全系數(shù)分別為9.76，164.09，抗傾覆安全系數(shù)分別為2.91，3.79，均滿足《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)規(guī)范要求且基坑底部和坑壁土體無(wú)軟土，坑底不會(huì)出現(xiàn)彈性或塑性隆起，計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。在基坑施工過(guò)程中未發(fā)生周圍建筑物開(kāi)裂、地面不均勻沉降以及基坑滲漏?？梢?jiàn)，基坑支護(hù)方案的隔水效果和支護(hù)效果都非常好，解決了本工程在復(fù)雜環(huán)境中遇到的難題。

圖8 按順序完成墊層、防水層、柱基礎(chǔ)及柱身結(jié)構(gòu)施工

圖9 按工序3)、工序4)完成結(jié)構(gòu)柱施工

圖10 完成第1層下接外墻結(jié)構(gòu)施工

圖11 按分割線完成下層墻施工

圖12 連接底板并完成出土口施工

圖13 按照上述工序施工完成地下2層結(jié)構(gòu)施工

基坑穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果匯總 表3

7 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)理論計(jì)算和實(shí)踐工程驗(yàn)證，采用拉森鋼板樁支護(hù)，滿足規(guī)范要求且符合本工程實(shí)際需要。

(2)拉森鋼板樁可以與逆作法相結(jié)合，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的逆作法地下連續(xù)墻支護(hù)結(jié)構(gòu)，其支護(hù)效果好，適用于施工空間狹窄、場(chǎng)地條件差及建筑物密集等復(fù)雜環(huán)境下的城市深基坑工程。

(3)地下主體結(jié)構(gòu)水平板可支承絕大部分水平抗力，且水平板提供的水平抗力及剛度相當(dāng)大，大于用順作法做的臨時(shí)支撐，可提高支護(hù)結(jié)構(gòu)整體的剛度，保持拉森鋼板樁墻的穩(wěn)定，極大程度提升了施工的安全性。

(4)深層水泥攪拌樁隔水性能好，可在拉森鋼板樁外側(cè)緊貼布置，形成兩道獨(dú)立的隔水帷幕，提高了基坑在地下水位淺、地下水量大的砂土地區(qū)的隔水性能。

(5)拉森鋼板樁墻+逆作法主體結(jié)構(gòu)板水平內(nèi)支撐+深層水泥攪拌樁隔水帷幕的支護(hù)方案安全經(jīng)濟(jì)又環(huán)保，節(jié)省了大量成本，減少了施工噪聲的污染，且在施工中周圍緊貼建筑物未發(fā)生開(kāi)裂、地面不均勻沉降以及基坑滲漏。