空間受限條件下深基坑支護(hù)設(shè)計與施工

盧增毅

深基坑支護(hù)在建筑領(lǐng)域中起到支撐建筑結(jié)構(gòu)和加固穩(wěn)定建筑的作用，是建筑地下空間開發(fā)利用過程中必不可少的一項(xiàng)技術(shù)。由于地下空間和結(jié)構(gòu)被人為破壞，增加周圍地質(zhì)環(huán)境和地理環(huán)境的敏感性，為了降低其對建筑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和建筑施工安全性的影響，隨著深基坑開挖深度的增加，考慮使用深基坑支護(hù)技術(shù)。深基坑支護(hù)是在深基坑開挖過程中由于不存在放坡空間或放坡空間不足而采取的支檔或護(hù)坡方案。深基坑支護(hù)問題屬于綜合性的巖土工程問題，主要包含擋土、支護(hù)、防水、降水、挖土等許多緊密聯(lián)系的環(huán)節(jié)，其影響因素較多，與場地條件、地層情況、水文地質(zhì)條件、施工管理、現(xiàn)場監(jiān)測及相鄰施工場地的施工相互影響等密切相關(guān)，所以存在一定的安全隱患。目前深基坑支護(hù)設(shè)計與施工理論已經(jīng)具有一定的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)性，但是隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，隨之而來的多層地下室、地下車站、地下隧道等建筑工程大量出現(xiàn)，這種大型的地下結(jié)構(gòu)工程對深基坑支護(hù)設(shè)計與施工質(zhì)量要求較高，高層地下室、地下車站以及地下隧道不僅挖深較大，而且深基坑支護(hù)施工過程是在一個有限空間環(huán)境內(nèi)，使深基坑支護(hù)逐漸發(fā)展為具有施工操作空間小、挖深較大特點(diǎn)的技術(shù)工藝。深基坑支護(hù)設(shè)計與施工需要充分考慮空間受限條件，這樣才能保證設(shè)計精度與施工質(zhì)量。但是目前現(xiàn)有的深基坑支護(hù)設(shè)計并未考慮空間受限條件，并且在該方面的理論研究也比較少，仍然采用原有的設(shè)計理論對深基坑支護(hù)進(jìn)行設(shè)計，導(dǎo)致施工后基坑發(fā)生水平方向和垂直方向位移，并且位移量較大，已經(jīng)超出可控范圍，為此提出空間受限條件下深基坑支護(hù)設(shè)計與施工，為深基坑支護(hù)設(shè)計與施工提供參考依據(jù)。

1 空間受限條件下深基坑支護(hù)設(shè)計

1.1 空間受限條件下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式選擇

深基坑支護(hù)設(shè)計的第一個步驟是選擇一個合適的深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式主要有懸臂式排樁、三維立體式排樁、排樁+預(yù)應(yīng)力錨桿支護(hù)、地下連續(xù)墻、排樁內(nèi)支撐支護(hù)以及組合型支護(hù)六種，每種深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式都具有鮮明的個性，需要結(jié)合具體施工環(huán)境條件來確定，其中包括地層結(jié)構(gòu)、土層分布、地下水空間分布特征、深基坑挖深大小等，綜合考慮確定深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式?？臻g受限條件是一種特定環(huán)境，對于空間受限條件下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式與普通深基坑在本質(zhì)上是相同的，但是由于自身?xiàng)l件特點(diǎn)又使空間受限條件下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式與其他深基坑不完全等同，考慮到空間受限條件下深基坑支護(hù)施工機(jī)械操作難度較大，不利于大型機(jī)械施工，并且空間受限條件下深基坑開挖施工并不具備放坡條件，在施工過程中容易擾動深基坑基礎(chǔ)持力層。綜合考慮以上空間受限條件下深基坑支護(hù)特點(diǎn)，采用懸臂式排樁作為空間受限條件下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式。

1.2 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計

根據(jù)空間受限條件選擇懸臂式排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，這種支護(hù)結(jié)構(gòu)形式是由多組樁錨組合形成，其主要組成部分包括冠梁、排樁、腰梁、錨桿等，在整個結(jié)構(gòu)中錨桿參數(shù)是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，其關(guān)系到深基坑支護(hù)實(shí)際效果，因此對其支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計主要是考慮空間受限條件確定錨桿長度、樁徑、埋深等。在對深基坑支護(hù)參數(shù)設(shè)計之前需要分析空間受限條件下深基坑支護(hù)的受力情況，在有限的空間環(huán)境下深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)主要受到土壓力外力作用，深基坑周圍巖土壓力作用在深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)上，影響其發(fā)生變形和位移，因此深基坑土壓力是深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的首要載荷因素，其由靜土壓力、被動土土壓力以及主動土土壓力三種力組成，如圖1所示。

圖1 深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的巖土壓力示意圖

如圖1所示，當(dāng)深基坑周圍巖土結(jié)構(gòu)處于彈性平衡狀態(tài)時，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)處于靜止?fàn)顟B(tài)，此時受到的是靜止土壓力。隨著深基坑挖深深度的增加，深基坑周圍巖土結(jié)構(gòu)向背離巖土方向發(fā)生位移，此時深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)受到主動土壓力；當(dāng)深基坑周圍土體向下發(fā)生偏移時，深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)會受到被動土壓力作用。為了保證設(shè)計的深基坑支護(hù)可以滿足空間受限條件下深基坑支護(hù)需求，要得到深基坑支護(hù)重力載荷結(jié)果，需測得過深基坑支護(hù)受到的最大靜土土壓力、深基坑支護(hù)受到的最大主動土土壓力、深基坑支護(hù)受到的最大被動土土壓力數(shù)值。三種巖土壓力得出過程，要先了解深基坑支護(hù)巖土重度，深基坑靜止土壓力系數(shù)，深基坑土層深度，深基坑支護(hù)空間面積，深基坑庫倫主動土壓力系數(shù)，深基坑土體內(nèi)摩擦角，深基坑巖土結(jié)構(gòu)傾角，深基坑土體外摩擦角，深基坑庫倫被動土壓力系數(shù)，深基坑周圍巖土層對支護(hù)結(jié)構(gòu)的外摩擦角，深基坑周圍巖土層對支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)摩擦角。通過以上參數(shù)推算出空間受限條件下深基坑支護(hù)最大巖土壓力，根據(jù)力學(xué)理論對空間受限條件下深基坑支護(hù)錨桿長度。在上述基礎(chǔ)上確定空間受限條件下深基坑支護(hù)錨桿樁徑，所涉及的結(jié)構(gòu)參數(shù)為深基坑支護(hù)錨桿長度，深基坑挖深，深基坑支護(hù)剪應(yīng)力。深基坑支護(hù)錨桿埋深結(jié)果受深基坑支護(hù)錨桿樁徑和深基坑支護(hù)材料的粘聚力的影響。

2 空間受限條件下深基坑支護(hù)施工

2.1 基坑開挖

考慮到空間受限條件，不利于大型機(jī)械設(shè)備施工，采用人工+機(jī)械方式開展深基坑開挖施工，施工原則采用自上而下、分段開挖的原則。首先要確定深基坑地質(zhì)條件，其中包括深基坑周圍巖土性質(zhì)、地下水水位、地下水空間分布情況等，根據(jù)深基坑周圍巖土性質(zhì)選擇施工機(jī)械和工具，如果土層屬于軟土，可以采用人工開挖方式，如果土層屬于硬度較高的硬土，則可以使用小型機(jī)械開挖方式。將深基坑分成幾部分，每部分面積范圍在200m2～250m2之間，根據(jù)開挖邊線自上向下開挖，挖深控制在2m～3m之間。由于施工空間有限，因此需要邊挖邊清理坑內(nèi)土方，當(dāng)基坑挖深接近設(shè)計深度時，預(yù)留300mm～350mm厚度土層由人工使用工具開挖，確保基坑開挖施工質(zhì)量。在深基坑開挖施工過程中要觀察基坑內(nèi)排水情況，如果出現(xiàn)排水異常時，需要及時疏通排水管道淤泥和其他雜質(zhì)，保證排水通暢。

2.2 支護(hù)樁成孔施工

深基坑開挖施工完成后，采用長螺旋鉆機(jī)對深基坑進(jìn)行鉆孔。因?yàn)殚L螺旋鉆機(jī)體積小，施工過程中不需要占據(jù)較大的施工空間，適用于空間受限條件下的深基坑支護(hù)施工，因此采用長螺旋鉆機(jī)作為深基坑支護(hù)樁鉆孔施工設(shè)備。根據(jù)實(shí)際情況對長螺旋鉆機(jī)的施工參數(shù)進(jìn)行確定，通常情況下長螺旋鉆機(jī)鉆孔深度要大于深基坑支護(hù)錨桿埋深5mm～10mm，鉆孔孔徑要大于預(yù)先設(shè)計錨桿桿徑2mm～3mm，鉆孔之間的間距不得小于10m，按照以上設(shè)定長螺旋鉆機(jī)施工參數(shù)，并且采用液壓傳動方式驅(qū)動長螺旋鉆機(jī)在深基坑內(nèi)進(jìn)行鉆孔。

2.3 錨桿注漿及插入管樁施工

成孔完成后，將孔內(nèi)多余的泥土和雜質(zhì)進(jìn)行清理，然后對鉆孔進(jìn)行注漿，注漿材料選擇混凝土，混凝土配制過程中需要添加定量的高效減水劑，因?yàn)樯罨鱼@孔內(nèi)部會存有一定的水，需要利用減水劑協(xié)調(diào)混凝土中水的比例，利用專用機(jī)械設(shè)備將制作成的混凝土泵送到鉆孔內(nèi)，混凝土注射高度不得超過鉆孔深度的一半。灌注完混凝土后立即插入錨桿，為了保證錨桿的牢固性，采用空壓機(jī)高壓旋轉(zhuǎn)樁方式進(jìn)行施工，將空壓機(jī)的壓力、功率、旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。隨著錨桿的插入，鉆孔內(nèi)的水泥砂漿會向上冒出，當(dāng)冒出的水泥砂漿量為10%-15%時停止繼續(xù)管樁插進(jìn)，將冒出的水泥砂漿抹平，并且使用錨索將插入的錨桿進(jìn)行連接和固定，以此完成空間受限條件下深基坑支護(hù)施工。

3 現(xiàn)場施工實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)以某深基坑支護(hù)工程為實(shí)驗(yàn)對象，該深基坑支護(hù)施工面積為2650.3m2，施工空間高度為6.5m，周圍巖土體分別為填土、粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂、中砂、粉砂，其土層厚度分別為1.56m、2.47m、2.76m、1.26m、3.58m、1.75m，其具體參數(shù)如表1所示。

表1 深基坑周圍巖土結(jié)構(gòu)參數(shù)表

該深基坑地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且空間有限，利用此次設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計對該深基坑支護(hù)進(jìn)行設(shè)計與施工。根據(jù)該深基坑實(shí)際地質(zhì)條件，將深基坑分成5個部分，分別對5個部分的支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行計算，如表2所示。

表2 深基坑支護(hù)錨索參數(shù)表

按照表2對深基坑支護(hù)進(jìn)行施工，施工完成一個月之后，利用SHFIA/SA23F全測儀對深基坑位移情況進(jìn)行測量。在深基坑內(nèi)布設(shè)了100個測量點(diǎn)，隨機(jī)抽取其中8個測量點(diǎn)位移情況作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表3所示。

表3 施工后深基坑位移數(shù)據(jù)表

從表3中數(shù)據(jù)可以看出，應(yīng)用本文設(shè)計施工完成后，深基坑位移量比較小，最大位移僅為1.394mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)設(shè)計，因此實(shí)驗(yàn)證明了本文設(shè)計的深基坑支護(hù)可以空間受限條件下深基坑支護(hù)設(shè)計要求，并且也能滿足空間受限條件下深基坑支護(hù)施工質(zhì)量要求，能夠有效保證深基坑位移和變形在可控制范圍內(nèi)，相比較傳統(tǒng)設(shè)計更適用于空間受限條件下深基坑支護(hù)與施工。

3 結(jié)語

此次考慮到空間受限條件，對深基坑支護(hù)設(shè)計與施工進(jìn)行了分析，有效解決了深基坑水平位移與垂直位移問題，對提高空間受限條件下深基坑支護(hù)施工技術(shù)水平，提高深基坑支護(hù)安全與施工效率，以及為空間受限條件下深基坑支護(hù)設(shè)計與施工提供理論依據(jù)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。