鋼板樁內(nèi)支撐預(yù)加軸力對(duì)基坑變形的影響

辛樂(lè)清

(中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司 山東濟(jì)南 250002)

1 引言

隨著城市化發(fā)展進(jìn)程加快，城市空間利用逐步轉(zhuǎn)入地下[1-2]。市政管網(wǎng)逐步采用地下溝槽、管道、管廊等形式，基坑開(kāi)挖深度一般在1.3～10 m之間，周邊存在既有管線、通行市政道路、既有建筑物等，需采用圍護(hù)結(jié)構(gòu)控制周邊變形，保護(hù)既有構(gòu)筑物。施工過(guò)程經(jīng)常采用鋼板樁[3-5]作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，但當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況不佳、基坑較深、周邊變形控制要求嚴(yán)格時(shí)，鋼板樁需增加內(nèi)支撐以減小基坑變形。本文以濟(jì)南市濟(jì)濼路穿黃隧道工程為例，通過(guò)對(duì)鋼板樁內(nèi)支撐預(yù)加軸力和不預(yù)加軸力兩種不同工況研究基坑變形規(guī)律，從而確定最優(yōu)支護(hù)方式[6-8]。

2 工程概況

濟(jì)南市濟(jì)濼路穿黃隧道南岸地面道路涉及電力溝工程，主通道基坑深5 m，電力頂管工作井深10 m。工程施工位置鄰近地上懸河黃河，地下水埋深1～1.5 m，土質(zhì)為雜填土、粉土，以及老舊河床淤泥沉積層，地質(zhì)條件較差。以往直接采用鋼板樁和內(nèi)支撐時(shí)，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)傾，地面鄰近鋼板樁2～5 m范圍地面出現(xiàn)明顯開(kāi)裂，影響周邊管線安全。電力頂管豎井基坑深度較深，鄰近通行機(jī)動(dòng)車(chē)道僅3～5 m，周邊管線有污水、給水、熱力、燃?xì)?、通信等，安全要求較高。為保證基坑穩(wěn)定，減小基坑變形對(duì)周邊環(huán)境影響，加快施工進(jìn)度，采用鋼板樁作為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐采用預(yù)加軸力鋼支撐。

3 基坑周邊環(huán)境

西側(cè)始發(fā)井位于道路邊緣且緊鄰匯通市政圍墻，東側(cè)與目前市政道路距離約2.6 m；基坑?xùn)|側(cè)緊鄰既有電力埋管，距離污水管1.9 m，距離熱力管3.1 m，距離給水管4.2 m。東側(cè)接收井基坑與機(jī)動(dòng)車(chē)道距離約5 m，與通信管線距離1 m，與燃?xì)夤芫€距離1 m，與污水管道距離1.7 m，與給水管道距離4.3 m，與新建電力溝距離7.6 m。

4 基坑結(jié)構(gòu)

電力頂管工作井包括始發(fā)井和接收井。始發(fā)井基坑尺寸為7.94(長(zhǎng))×7.14(寬)×10.05 m(深)，接收井基坑尺寸為7.54(長(zhǎng))×寬6.94(寬)×10.05 m(高)。均采用拉森(Ⅳ型)鋼板樁支護(hù)，樁長(zhǎng)15 m，鋼板樁斷面尺寸400×170×15.5 mm。始發(fā)和接收豎井基坑深度10.05 m，內(nèi)部支撐設(shè)置3層，圍檁采用雙拼 40型鋼，支撐材料采用?609厚度16 mm鋼管撐，支撐預(yù)加軸力。

5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算

5.1 驗(yàn)算參數(shù)

(1)基坑等級(jí)及支護(hù)措施

根據(jù)基坑深度及安全要求，支護(hù)安全等級(jí)為二級(jí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0，荷載組合分項(xiàng)系數(shù)取1.25。基坑深度10.05 m，采用15 m長(zhǎng)鋼板樁，嵌固深度4.65 m。鋼板樁截面面積242.5 cm2，每延米慣性矩I＝38 600 cm4，每延米抗彎模量W＝2 270 cm3，地面荷載 20 kPa。

(2)土層參數(shù)

圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度范圍內(nèi)土質(zhì)分9層，包括雜填土、粉土、黏性土等，地下水位深度1.0 m。土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土層參數(shù)

(3)支護(hù)參數(shù)

圍檁采用雙拼 45型鋼，內(nèi)支撐采用?606厚度16 mm鋼支撐。第一層支撐距離地面1 m，第二層支撐豎向間距3.5 m，第三層支撐豎向間距3.5 m，距離基坑底2.05 m。驗(yàn)算支撐力時(shí)支撐水平間距均暫按1 m取值。

(4)工況信息

基坑開(kāi)挖分三層進(jìn)行，開(kāi)挖至支撐底以下0.5 m處架設(shè)支撐，支撐架設(shè)完成后施加預(yù)加軸力，然后繼續(xù)開(kāi)挖下一層，共分7步。施工工況信息見(jiàn)表2。

表2 工況信息

5.2 不預(yù)加軸力時(shí)支反力及變形

經(jīng)計(jì)算，第一層支撐最大軸力73.85 kN，第二層支撐最大軸力177.59 kN，第三層支撐最大軸力173.7 kN。不預(yù)加軸力時(shí)各工況支撐軸力值見(jiàn)表3。

表3 不預(yù)加軸力時(shí)支撐軸力值統(tǒng)計(jì) kN

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移包絡(luò)圖如圖1所示。

基坑外側(cè)地面沉降量如圖2所示。

5.3 預(yù)加軸力時(shí)支反力及變形

(1)支撐預(yù)加軸力方案

為研究支撐預(yù)加軸力對(duì)基坑變形和地表變形的影響，擬定幾種預(yù)加軸力值對(duì)比分析基坑支護(hù)效果。方案一為不預(yù)加軸力狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)每道支撐的最大軸力，依次作為每道支撐軸力標(biāo)準(zhǔn)值N。方案二～方案八對(duì)每層支撐預(yù)加軸力，預(yù)加軸力值以方案一中各層支撐最大軸力N為基數(shù)，分別對(duì)每層支撐預(yù)加50%N、55%N、60%N、65%N、70%N、75%N、80%N軸力時(shí)，分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。各方案具體軸力值見(jiàn)表4。

表4 擬定支撐預(yù)加軸力大小

(2)最優(yōu)預(yù)加軸力值區(qū)間分析

方案一不預(yù)加軸力，以及方案二～方案八預(yù)加不同軸力時(shí)，各層支撐在開(kāi)挖架撐期間最大軸力值見(jiàn)圖3，各層支撐最大軸力增加差值見(jiàn)表5。

表5 預(yù)加軸力后各層支撐最大軸力遞增量

根據(jù)預(yù)加軸力值與最終每層支撐最大軸力值進(jìn)行對(duì)比可以分析各層支撐最大軸力隨預(yù)加軸力大小的變化規(guī)律，即預(yù)加軸力值為50%N～70%N之間時(shí)，各層支撐最大軸力變化平緩，增加值速率均衡。說(shuō)明在該區(qū)間取支撐預(yù)加軸力值時(shí)，能有效避免支撐軸力過(guò)大，同時(shí)對(duì)基坑變形抑制效率更高。

(3)第一層支撐最優(yōu)預(yù)加軸力值分析

通過(guò)對(duì)預(yù)加軸力后基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形可知，開(kāi)挖至距離地面最近的第一層支撐底及架撐期間基坑變形量較大，該階段預(yù)加軸力未發(fā)揮作用，各方案效果一致。開(kāi)挖至第一層支撐底時(shí)基坑變形情況見(jiàn)圖4。

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)分析認(rèn)為，對(duì)雜填土層較厚、表層地質(zhì)軟弱、地下水位較高區(qū)域，須注意首層支撐位置距地面深度不宜過(guò)大，且要及時(shí)架設(shè)支撐，同時(shí)建議提高首道支撐預(yù)加軸力值。按上文分析，取最優(yōu)區(qū)間內(nèi)接近70%N的較大值。第一層支撐取68%N軸力值(即50 kN)時(shí)，預(yù)加軸力后基坑變形基本可以抵消。第一層支撐預(yù)加軸力后基坑變形見(jiàn)圖5。

(4)第一層以下支撐最優(yōu)預(yù)加軸力值分析

方案二～方案八在50%N～80%N較大區(qū)間范圍內(nèi)取預(yù)加軸力值，對(duì)比不同預(yù)加軸力對(duì)基坑變形和坑外地面變形的影響，同時(shí)與不預(yù)加軸力工況作對(duì)比。選取軸力差別較大的方案二(50%N)和方案八(80%N)進(jìn)行分析，再與不預(yù)加軸力的方案一(0%N)進(jìn)行對(duì)比來(lái)說(shuō)明預(yù)加軸力對(duì)基坑變形和坑外地面變形的控制效果。開(kāi)挖至基底時(shí)，基坑變形及坑外地面沉降量見(jiàn)圖6～圖11。

通過(guò)方案二、方案八分別預(yù)加50%N、80%N軸力后基坑變形及坑外地面變形對(duì)比分析，可以看出在該區(qū)間內(nèi)增加預(yù)加軸力對(duì)兩者影響都很小，因此預(yù)加軸力值控制在50%N～60%N之間即可達(dá)到較好效果，不需對(duì)第一層以下支撐施加太大的預(yù)加軸力值。

通過(guò)方案一不預(yù)加軸力和方案二預(yù)加軸力時(shí)基坑變形及坑外地面變形對(duì)比分析，可以看出預(yù)加軸力后兩者變形明顯減小。在地質(zhì)條件較差，周邊存在地下管線、市政道路及其他建筑物時(shí)，對(duì)地面沉降要求較為嚴(yán)格的條件下，通過(guò)對(duì)內(nèi)支撐預(yù)加軸力，對(duì)抑制基坑變形和坑外地面變形均能起到較為明顯的效果。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以電力頂管工作井基坑支護(hù)為例，對(duì)比分析了不預(yù)加軸力和預(yù)加軸力工況對(duì)基坑變形的影響[9-12]。通過(guò)合理分配不同層內(nèi)支撐預(yù)加軸力值，可明顯減小基坑變形，減小對(duì)周邊構(gòu)筑物的影響。經(jīng)研究對(duì)比，第一層內(nèi)支撐預(yù)加軸力值控制在70%N左右、以下層內(nèi)支撐預(yù)加軸力值控制在50%N～60%N之間更為科學(xué)合理。