復(fù)雜條件下超大深基坑預(yù)應(yīng)力懸臂圍護(hù)樁施工技術(shù)*

姬建華，劉亞偉，任 鵬，鄭云水

(中鐵電氣化局集團(tuán)北京建筑工程有限公司，北京 100039)

1 工程概況

西安北高鐵客運(yùn)站配套停車樓位于客站北廣場(chǎng)(見圖1)，國鐵線路與地鐵4號(hào)線之間，停車樓建筑面積5.7萬m2，地下1層，地上3層，建筑高度13.2m，結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)。停車樓基坑?xùn)|西長(zhǎng)271m，南北寬99.6m，通往北客站地下連廊處基坑長(zhǎng)125.5m，寬20.8m(見圖2)，基坑面積約27 974m2，基坑底標(biāo)高平均-12.300m，因地表標(biāo)高不一致，基坑深度約6～13m，整體上北深南淺。

圖1 西安北站停車樓效果

圖2 基坑平面

工程周邊環(huán)境復(fù)雜，地下管線眾多，地下結(jié)構(gòu)空間緊張?；訁^(qū)域南側(cè)為國鐵銀西線及地上構(gòu)筑物，西側(cè)為天然場(chǎng)坪，北側(cè)為西安地鐵4號(hào)線，支護(hù)樁距離地鐵結(jié)構(gòu)約6～10m，與地鐵結(jié)構(gòu)距離自西向東逐漸增大。場(chǎng)地東南側(cè)存在大量熱力管網(wǎng)、鐵路給水及污水管網(wǎng)。整體上環(huán)境復(fù)雜，地下施工條件較差，對(duì)基坑支護(hù)設(shè)計(jì)和施工提出較高要求。場(chǎng)地地層主要由人工填土、第四紀(jì)全新世沖洪積黃土狀土、粉土、沖積砂土和粉質(zhì)黏土及晚更新世沖積粉質(zhì)黏土、砂土組成。地層沿水平及垂直方向上分布規(guī)律性較好，二元結(jié)構(gòu)沉積韻律清晰，如表1所示。地下水屬潛水類型，主要由大氣降水、地表和地下徑流補(bǔ)給，以自然蒸發(fā)、人工抽排和徑流排泄為主。

表1 地層分布

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

基坑占地面積較大，地下條件復(fù)雜，在滿足基坑穩(wěn)定的同時(shí)還須保證既有結(jié)構(gòu)安全，加之工期非常緊張，基坑受北側(cè)地鐵淺埋區(qū)和南側(cè)高鐵的限制條件影響，主基坑南北兩側(cè)均采用新型預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂樁支護(hù)，西側(cè)采用放坡網(wǎng)噴土釘墻支護(hù)，東側(cè)通往北客站地下連廊區(qū)域基坑采用混凝土灌注樁加鋼管橫撐，預(yù)應(yīng)力樁身混凝土為C40水下超流態(tài)碎石混凝土。

如圖3所示，基坑支護(hù)形式分為A′-A-B-C-D段、D-E段、E-F-G段、G-H-J段、J-K段、K-L段、L-M段、M-N段、N-P(Q-R)段、R-S段、S-S′段及S-T-U-A段。其中，A′-A-B-C-D段基坑支護(hù)采用長(zhǎng)18m、直徑1m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土灌注樁(見圖4)，地面附加荷載為20kPa，該段樁體受到的最大彎矩在標(biāo)高-1.900m，為1 000kN·m，支護(hù)樁單根鋼絞線設(shè)計(jì)軸力為140kN，布設(shè)孔位如圖5所示，每個(gè)孔布設(shè)5根鋼絞線，偏心力矩為1 169kN·m，滿足要求；D-E段采用長(zhǎng)22m、直徑1.2m的預(yù)應(yīng)力樁；E-F-G段采用長(zhǎng)17.1m、直徑1m混凝土灌注樁；G-H-J，H′-J′，J-K，J′-K′，K-L及K′-L′-L段為車輛由室外進(jìn)入1層的汽車坡道，該處距離熱力管網(wǎng)較近，采用長(zhǎng)10～20m、直徑1m的普通灌注樁加旋噴錨索錨固；L-M段采用長(zhǎng)28.1m、直徑1.4m的預(yù)應(yīng)力樁；M-N段采用長(zhǎng)23m、直徑1.2m的預(yù)應(yīng)力樁。N-P，Q-R段為停車樓與高鐵西安北站地下通道人行連廊，基坑支護(hù)采用長(zhǎng)27.4m、直徑1.4m的普通灌注樁加鋼管支撐；N-P段南側(cè)為高鐵西安北站，防護(hù)樁距離高鐵西安北站結(jié)構(gòu)7.5m；Q-R段北側(cè)為地鐵，防護(hù)樁距離地鐵結(jié)構(gòu)7.75m。R-S-S′段采用長(zhǎng)27.1m、直徑1.4m的預(yù)應(yīng)力樁；R-S段北側(cè)為地鐵，防護(hù)樁距離地鐵結(jié)構(gòu)為6m。S-T-U-A段為放坡開挖區(qū)域，放坡比例1∶1.2，坡面掛網(wǎng)噴射混凝土加設(shè)土釘。

圖3 基坑支護(hù)形式

圖4 A′-A-B-C-D段基坑支護(hù)剖面

圖5 鋼絞線布置平面點(diǎn)位

3 預(yù)應(yīng)力懸臂樁施工關(guān)鍵技術(shù)

主基坑區(qū)域南北兩側(cè)均為新型預(yù)應(yīng)力懸臂樁，在本基坑支護(hù)工程中所占體量較大。預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂支護(hù)樁的核心機(jī)理是通過預(yù)應(yīng)力控制樁體變形，實(shí)現(xiàn)荷載平衡。雖不同于普通的預(yù)應(yīng)力梁、板，但其本質(zhì)仍是一種預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)。

3.1 預(yù)應(yīng)力混凝土梁變形機(jī)理

預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂樁的變形控制原理同預(yù)應(yīng)力梁。預(yù)應(yīng)力混凝土梁的變形由兩部分組成：一部分是預(yù)加力(預(yù)應(yīng)力)作用引起的變形，通常也稱為反拱度；另一部分是荷載作用產(chǎn)生的變形，通常也稱為撓度或位移。一般情況下，上述兩部分變形方向相反，可用預(yù)加力引起的反拱度來抵消荷載產(chǎn)生的撓度，從而達(dá)到控制變形的目的。普通簡(jiǎn)支梁的變形機(jī)理與預(yù)應(yīng)力梁的變形機(jī)理如圖6所示。

圖6 受力變形示意

在基坑支護(hù)工程中，當(dāng)支護(hù)樁嵌固深度足夠深，樁底位移幾乎為0?？赡J(rèn)樁底為固定端，等效成懸臂梁分析其受力變形機(jī)理。懸臂梁結(jié)構(gòu)在受到豎向荷載作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生向下的變形，通過在懸臂端頭靠近荷載一側(cè)施加預(yù)應(yīng)力后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上變形趨勢(shì)，從而抵消梁向下位移變形(見圖7)。

圖7 懸臂梁變形機(jī)理

3.2 預(yù)應(yīng)力懸臂樁變形機(jī)理

傳統(tǒng)的混凝土懸臂支護(hù)樁在受主動(dòng)土壓力作用下，在基坑面處產(chǎn)生一定轉(zhuǎn)角，該轉(zhuǎn)角使位移不斷累積，在支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部達(dá)到最大。其頂部的水平位移會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基坑底標(biāo)高處的位移。預(yù)應(yīng)力懸臂支護(hù)樁通過在支護(hù)樁內(nèi)預(yù)埋無粘結(jié)鋼絞線，根據(jù)開挖步驟，一次或分次對(duì)鋼絞線進(jìn)行張拉，施加偏心預(yù)應(yīng)力，使之產(chǎn)生朝向基坑外的變形趨勢(shì)，從而部分抵消基坑開挖產(chǎn)生的朝向基坑內(nèi)的變形，實(shí)現(xiàn)控制和調(diào)整支護(hù)樁變形的目的。懸臂樁變形曲線對(duì)比如圖8所示。

圖8 懸臂支護(hù)結(jié)構(gòu)變形對(duì)比示意

3.3 預(yù)應(yīng)力樁施工工藝流程

預(yù)應(yīng)力懸臂樁成孔、護(hù)壁及水下澆筑混凝土與旋挖成孔工藝一致。按鋼絞線一次性張拉和分多次張拉，主要工藝流程如圖9所示。

圖9 施工工藝流程

3.4 鋼絞線安裝

預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用1860無粘結(jié)型鋼絞線，鋼絞線和擠壓錨(YJM15-1P)利用擠壓機(jī)咬合牢固并通過承載板傳力，在制作鋼筋籠時(shí)按設(shè)定的位置進(jìn)行固定綁扎。為固定鋼絞線，須在鋼筋籠上附加焊接構(gòu)造鋼筋或固定板進(jìn)行定位，鋼絞線應(yīng)在冠梁頂預(yù)留1.2m以上。鋼絞線在鋼筋籠上的綁扎固定與鋼筋籠加工穿插進(jìn)行，具體做法如下：將進(jìn)場(chǎng)的鋼絞線去皮處理→擠壓套通過擠壓機(jī)與鋼絞線連接牢固→主筋與加強(qiáng)筋焊接牢固后，綁扎箍筋→承載板與主筋、加強(qiáng)筋焊接固定→穿入鋼絞線束，并在承載板上錨固→綁扎固定鋼絞線。

為保護(hù)混凝土不會(huì)受壓破壞，預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用20mm厚Q235鋼承載板錨固。不同樁徑所配的鋼絞線數(shù)量及對(duì)應(yīng)的承載板和固定板尺寸有所不同，本工程中，1m樁徑配5組鋼絞線；1.2m樁徑D-E段配6組鋼絞線，每組5束，M-N段配8組鋼絞線；1.4m樁徑N-P，Q-R，R-S′，L-M段配10組鋼絞線，每組5束(見圖10)。

圖10 鋼絞線固定示意

3.5 板材制作及安裝

承載板、固定板需要鋼材加工廠定制加工，形狀應(yīng)結(jié)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的截面形狀按設(shè)計(jì)要求確定。承載板與主筋及加強(qiáng)筋焊接，焊接方式為滿焊，焊縫高度≥10mm。

1)A′-D段樁徑1m，設(shè)計(jì)5組鋼絞線。距離樁底2m設(shè)置左右對(duì)稱2塊1號(hào)承載板，距離1號(hào)承載板上1m設(shè)置2號(hào)承載板。樁頂部設(shè)置1塊張拉墊板，設(shè)置3塊固定板，第1塊固定板在張拉墊板下10mm，墊板垂直間距1m(見圖11)。

圖11 1m樁徑所用板材規(guī)格

2)D-E段樁徑1.2m，設(shè)計(jì)6組鋼絞線。距離樁底2m設(shè)置左右對(duì)稱2塊1號(hào)承載板，距離1號(hào)承載板上1m設(shè)置3號(hào)承載板，本段不設(shè)置2號(hào)承載板。樁頂部設(shè)置1塊張拉墊板，設(shè)置3塊固定板，第1塊固定板在張拉墊板下10mm，墊板垂直間距1m。

3)M-N段樁徑1.2m，設(shè)計(jì)8組鋼絞線。距離樁底2m設(shè)置左右對(duì)稱2塊1號(hào)承載板，距離1號(hào)承載板上1m設(shè)置2號(hào)承載板，距離2號(hào)承載板上1m設(shè)置3號(hào)承載板。樁頂部設(shè)置1塊張拉墊板，設(shè)置3塊固定板，第1塊固定板在張拉墊板下10mm，墊板垂直間距1m，布置同D-E段(見圖12)。

圖12 1.2m樁徑所用板材規(guī)格

4)N-P，Q-R，R-S′，L-M段樁徑1.4m，設(shè)計(jì)10組鋼絞線。距離樁底2m設(shè)置左右對(duì)稱2塊1號(hào)承載板，距離1號(hào)承載板上1m設(shè)置2號(hào)承載板，距離2號(hào)承載板上1m設(shè)置3號(hào)承載板。樁頂部設(shè)置1塊張拉墊板，設(shè)置3塊固定板，第1塊固定板在張拉墊板下10mm，墊板垂直間距1m(見圖13)。

圖13 1.4m樁徑所用板材規(guī)格

承載板應(yīng)與主筋點(diǎn)焊，與加強(qiáng)筋焊接牢固，在承載板位置沒有加強(qiáng)筋時(shí)應(yīng)增設(shè)1道加強(qiáng)筋，保證其在灌注混凝土?xí)r不會(huì)脫落或發(fā)生過大偏移。承載板上下孔位要對(duì)齊，禁止出現(xiàn)鋼絞線因承壓板、固定板位置偏差導(dǎo)致彎曲過大的現(xiàn)象。

3.6 鋼筋籠吊放

預(yù)應(yīng)力鋼絞線在鋼筋籠內(nèi)是有方向性的，在下放過程中需要確保鋼筋籠的方向與設(shè)計(jì)位置一致，設(shè)有鋼絞線一側(cè)朝向基坑外。吊放鋼筋籠入孔時(shí)，應(yīng)對(duì)準(zhǔn)孔位輕放慢放入孔，遇阻礙要查明原因，進(jìn)行處理，不得強(qiáng)行下放。若下放鋼筋籠過程中出現(xiàn)鋼筋籠偏位，有承載板一側(cè)未朝向基坑外側(cè)，需及時(shí)校正，調(diào)整鋼筋籠方向。

3.7 預(yù)應(yīng)力樁鋼絞線張拉

需待冠梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%，且齡期不低于7d后，方可進(jìn)行預(yù)應(yīng)力樁鋼絞線張拉。錨具采用OVM系列，張拉機(jī)張拉力≥1 000kN，張拉前需進(jìn)行標(biāo)定，確定壓力值。鋼絞線需采用單槍千斤頂線逐根張拉，每根鋼絞線張拉值為140kN，5根鋼絞線的孔道鎖定值為700kN。

按孔道對(duì)稱張拉，分兩次張拉，先采用單槍千斤頂逐根張拉至100kN，再整體張拉至140kN。若土方開挖過程中鋼絞線出現(xiàn)拉力損失，需對(duì)鋼絞線進(jìn)行二次張拉鎖定。張拉完成后土方分層開挖至坑底。

4 效益分析

本工程中，采用預(yù)應(yīng)力懸臂樁技術(shù)方案相比留土反壓內(nèi)支撐支護(hù)方案鋼筋量節(jié)約180t，增加預(yù)應(yīng)力鋼絞線360t，內(nèi)支撐節(jié)約964t，留土反壓土釘節(jié)約5 760m，留土反壓噴射混凝土護(hù)面節(jié)約3 150m2，鋼腰梁節(jié)約141t，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析，預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂支護(hù)樁造價(jià)相比傳統(tǒng)雙排樁造價(jià)節(jié)約30%，遠(yuǎn)低于內(nèi)支撐造價(jià)。

采用預(yù)應(yīng)力懸臂樁方案工期方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，基坑所有護(hù)坡樁1個(gè)月內(nèi)可以全部施工完成，考慮分段流水施工，施工樁頂冠梁、等待齡期、施加預(yù)應(yīng)力也可于15d內(nèi)施工完畢。采用此技術(shù)從護(hù)坡樁開工到預(yù)應(yīng)力施加完成基本上只需要45d，之后土方開挖即可不受任何約束，相比錨索而言省去錨索施工、腰梁制作及其養(yǎng)護(hù)張拉時(shí)間，相比內(nèi)支撐而言省去了拆除內(nèi)支撐工況，不會(huì)影響主體結(jié)構(gòu)施工，可大面積開挖土方，工期優(yōu)勢(shì)顯著。

采用預(yù)應(yīng)力混凝土懸臂支護(hù)樁進(jìn)行基坑支護(hù)與傳統(tǒng)的排樁支護(hù)體系相比只需單排樁即可滿足基坑安全及變形要求，基坑土體能順著支護(hù)樁垂直開挖，建設(shè)單位可根據(jù)支護(hù)情況最大程度優(yōu)化基坑邊線，可以最大化開發(fā)利用地下空間。本工藝能縮短基坑支護(hù)工程施工工期，提高地下空間利用率，具有良好的發(fā)展前景。

5 結(jié)語

實(shí)踐證明，采用預(yù)應(yīng)力懸臂樁技術(shù)可有效解決基坑周邊既有建筑物的保護(hù)、有效控制基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形問題。應(yīng)用效果理想，達(dá)到了對(duì)基坑周邊環(huán)境保護(hù)的預(yù)期效果，不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境和土體造成不利影響，同時(shí)該工藝節(jié)約能源、提高材料使用率，減少建筑垃圾的產(chǎn)生。在西安北客站停車樓工程中的應(yīng)用效果顯著，節(jié)約了工期，節(jié)省了成本，提高了施工質(zhì)量和效率，為今后其他類似工程提供了較好的借鑒。