高壓旋噴樁內(nèi)插鋼管在基坑支護中的穩(wěn)定性計算及應(yīng)用

鄒劍斌

（廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司,廣東 廣州 510000）

0 引言

進入21世紀(jì)以來，我國高度重視水利高質(zhì)量發(fā)展，不斷創(chuàng)新改革，水利工程建設(shè)不僅要達到傳統(tǒng)水利的功能性要求，還要滿足現(xiàn)代化城市建設(shè)的景觀需求，因此越來越多的水利工程則由郊區(qū)轉(zhuǎn)向城市。在城市中建設(shè)水利工程，特別是在老城區(qū)，待建建筑的四周可能都已建好，這就要求待建建筑在施工過程中需減少對周圍建筑的擾動、保證施工過程中不造成周邊建筑物發(fā)生沉降開裂、保證周圍居民的正常生活，同時還要考慮工程能節(jié)約建設(shè)成本、縮短工期。針對城市人口密集、用地緊張、征拆困難等問題，城市水利工程基坑支護又成為了一個新的研究課題[1]；而基坑支護工程涉及對土體的開挖卸載，對周圍環(huán)境容易造成擾動，若支護方案不適宜或施工不當(dāng)，一旦發(fā)生基坑坍塌和邊坡滑移，會造成巨大生命財產(chǎn)損失和工期延長[2]。因此，基坑支護是當(dāng)前城市水利工程建設(shè)中的重點、難點。

本文以龍舌埔廣場水景壩建設(shè)工程的基坑為例，依據(jù)地域環(huán)境、水文地質(zhì)等特點，對該工程的基坑支護方案進行分析比較，選取了高壓旋噴樁內(nèi)插鋼管的支護方式，應(yīng)用理正深基坑結(jié)構(gòu)計算軟件，進行基坑穩(wěn)定性計算，將計算結(jié)果與現(xiàn)場基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比，分析其支護效果，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程概況和地理位置

龍舌埔廣場水景壩位于汕尾市海豐縣境內(nèi)，主要功能為抬高水位，保證河道的常水位，打造景觀效果。擬建的水景壩位于澎湃故居對面龍舌埔廣場上游處，左岸瀕臨龍舌埔廣場，有寬闊場地可放坡開挖；右岸緊挨龍津西二路河堤和沿河建筑物，建筑物主要為5 層、6 層住宅樓（框架或磚砼結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)埋深和地基處理不詳），基坑頂線離住宅樓約8.0 m～9.8 m，無條件放坡開挖，需對右岸進行基坑支護。項目地理位置及基坑支護示意圖,見圖1。

圖1 項目地理位置及基坑支護示意圖

1.2 工程地質(zhì)

根據(jù)工程地質(zhì)勘探資料，右岸龍津西二路場地自上而下土層依次為：②-1 淤泥、淤泥質(zhì)土，流塑～軟塑狀，分布厚度0.4 m～3.1 m，地基承載力建議值為fak=50 kPa；②-4 砂卵礫石，中密狀，分布厚度3.0 m～4.4 m，地基承載力建議值為fak=300 kPa；③-1 全風(fēng)化粉砂巖，地基承載力建議值為fak=300 kPa，分布厚度12 m～15 m，可作為樁基礎(chǔ)樁端持力層。場地土質(zhì)分布不均勻，上層為軟弱層，土的力學(xué)性能差，主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)建議值

2 基坑支護設(shè)計

2.1 基坑支護方案選擇

在選擇基坑支護方案時，需考慮基坑深度、地質(zhì)情況及地下水條件、基坑周邊環(huán)境對基坑變形的承受能力及支護結(jié)構(gòu)失效的后果。

本工程經(jīng)現(xiàn)場勘察，擬建的水景壩右岸緊挨龍津西二路河堤，河堤為懸臂式擋土墻，路面寬平均約10 m，根據(jù)水景壩結(jié)構(gòu)布置，需破壞河堤及路面寬2.5 m，基坑頂線距離路邊兩棟住宅樓8.0 m～9.8 m。基坑最大開挖深度為5.52 m，根據(jù)廣東省《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T 15-20-2016），水景壩基坑屬于二級基坑；若基坑直接采用放坡開挖方式，由于作業(yè)面限制，坡比不能滿足基坑穩(wěn)定要求，且可能會對周邊建筑物造成不利影響，故需采用支護開挖的方式。結(jié)合地質(zhì)資料及工程自身的特點進行具體分析，選擇了高壓旋噴樁內(nèi)插鋼管的支護方案，主要從以下幾點考慮：

（1）龍舌埔廣場水景壩建設(shè)為河道水環(huán)境綜合整治工程其中一子項，工程投資有限，無條件選擇投資較大的基坑支護方案，需要綜合考慮基坑支護方案的安全性和經(jīng)濟性。

（2）基坑頂線距離現(xiàn)狀建筑最近僅為8.0 m，且為5 層住宅樓，如何盡可能減少對周圍建筑的擾動的施工方法是支護方案的關(guān)鍵。若采用廣東地區(qū)常見的鉆孔灌注樁加支撐的方式，一則緊挨住宅居民區(qū)，場地空間有限，泥漿池?zé)o法布置，容易產(chǎn)生泥漿污染，二則由于地基有砂層和巖層，灌注樁只能選擇沖孔或沖擊鉆的施工方法，該施工方法對周邊擾動較大，施工過程中容易發(fā)生不穩(wěn)定因素；若采用鋼板樁加支撐的方式，由于基坑較深，鋼板樁容易發(fā)生變形，樁間易形成滲漏通道；而采用高壓旋噴樁的支護結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單、施工速度快、施工機械小、占地少、造價低，能有效的地減少對周圍建筑的擾動、基本無泥漿污染，同時在旋噴樁中插入鋼管，可以增加支護結(jié)構(gòu)的承載力（抗彎和抗剪強度）。

（3）水景壩地基有較厚砂層，具強透水性，如何做好防滲帷幕是支護方案的重要指標(biāo)之一。若采用灌注樁，由于最小樁徑和施工機械的因素，灌注樁需采用咬合式或樁之間加素砼樁才能達到止水封閉的效果，這樣會增加灌注樁的數(shù)量，從而增大投資及影響工期；若采用水泥土重力式圍護墻，水泥攪拌樁成樁質(zhì)量較不穩(wěn)定，強度及質(zhì)量難以保證；高壓旋噴樁是以高壓旋轉(zhuǎn)的噴嘴將水泥漿噴入土層與土體混合，形成連續(xù)搭接的水泥加固體，根據(jù)以往本地工程經(jīng)驗，成樁質(zhì)量較好，止水效果好，是工程中做為防滲帷幕的常用樁型。

通過以上三點具體分析比較，本工程最終采用高壓旋噴樁內(nèi)插鋼管的支護方案。

2.2 基坑支護布置

根據(jù)水景壩結(jié)構(gòu)布置，基坑支護長45 m，基坑最大深度為5.52 m，對水景壩右岸采用高壓旋噴樁內(nèi)插鋼管+冠梁進行支護。

高壓旋噴樁為雙重樁，管徑為φ500 mm，樁縱橫間距為@350 mm，樁長12 m，入基巖5.8 m；內(nèi)插鋼管規(guī)格為圓形φ100 mm，采用雙排跳一型布置，鋼管中心間距為@1050，內(nèi)插鋼管主要是與旋噴樁結(jié)合成一整體，從而增加支護結(jié)構(gòu)的抗彎和抗剪強度，以滿足穩(wěn)定要求；樁頂冠梁采用C30 砼澆筑，尺寸為500 mm×1000 mm，鋼筋保護層厚度為50 mm?；又ёo平面布置及大樣見圖2～圖3，基坑支護斷面示意見圖4。

圖2 基坑支護平面布置

圖3 基坑支護平面大樣

圖4 基坑支護斷面示意圖

2.3 高壓旋噴樁成樁可行性分析

以往實際工程表明，高壓旋噴樁在松散、軟弱土層中成樁效果較好，在堅硬土層、含大直徑塊石中成樁效果較差。針對砂卵礫石層地層粒徑大不易攪動、且屬含水層，漿液易流失等特點，本工程采用以下措施，保證成樁效果。首先，在水泥漿液中添加一定數(shù)量的膨潤土，以提高水泥漿液懸浮能力。其次，降低鉆桿提升速度，增加漿液噴射流量，通過試驗選取合適的提升速度，以保證成樁效果。鉆孔取芯表明，芯柱連續(xù)、較完整，表面氣泡較少，攪拌較為均勻，經(jīng)檢測，抗壓強度滿足設(shè)計要求。

3 基坑支護穩(wěn)定計算及分析

本工程屬于支擋式結(jié)構(gòu)，可采用彈性支點法進行支護結(jié)構(gòu)的受力變形分析和穩(wěn)定分析，在穩(wěn)定分析時，主要分析支護結(jié)構(gòu)的位移分析、抗傾覆穩(wěn)定性及整體穩(wěn)定性。計算高壓旋噴樁內(nèi)插鋼管支護結(jié)構(gòu)時，參照《廣東省建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T 15-20-2016）第12.2.6 條的等效剛度轉(zhuǎn)換原理，將鋼管的彈性模量折算給相鄰的砼，等效成厚度為h 的地下連續(xù)墻進行計算，計算公式如下：

式中：E 為地下連續(xù)墻彈性模量，kN/m2；I 為地下連續(xù)墻慣性矩，m；E1為原砼彈性模量，kN/m2；I1為原砼慣性矩，m；E2為鋼管彈模，kN/m2；I2為鋼管慣性矩，m；S 為鋼管截面面積，m2。

按公式計算：

根據(jù)計算結(jié)果，應(yīng)用理正深基坑結(jié)構(gòu)軟件計算0.4 m 厚鋼筋砼地下連續(xù)墻的支護穩(wěn)定，通過計算，本工程支護結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定安全系數(shù) Ks= 1.85＞[1.30]，抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)Kt=1.93＞[1.30]。支護結(jié)構(gòu)最大水位位移為13.58 mm，水平位移滿足《廣東省建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DBJ/T 15-20-2016）規(guī)范表3.2.1 規(guī)定的“水平位移控制值取45 mm～50 mm且不大于0.004 倍基坑深度”要求。

計算土層物理力學(xué)參數(shù)取值見表2，基坑支護位移示意見圖5。

表2 計算土層物理力學(xué)參數(shù)取值

圖5 基坑支護位移示意圖

4 基坑監(jiān)測

本工程屬于二級基坑，根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50497-2019）施工期應(yīng)對基坑變形進行監(jiān)測，包括水平位移和垂直位移。基坑開挖時通過預(yù)埋測斜管及觀測鐵釘進行位移監(jiān)測，一共布置3 個位移監(jiān)測點。

根據(jù)基坑開挖過程中的監(jiān)測成果，從2021年12月23日至2022年3月26日，共監(jiān)測了16 次，坑頂最大水平位移為10.50 mm，與理正計算結(jié)果基本一致，小于規(guī)范允許值。監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)

5 結(jié)語

本文以海豐縣龍舌埔廣場水景壩建設(shè)工程的基坑支護結(jié)構(gòu)為例，依據(jù)地域環(huán)境、水文地質(zhì)等，對支護結(jié)構(gòu)在技術(shù)可行性、周邊影響性及經(jīng)濟合理性等方面進行比較，選取了高壓旋噴樁內(nèi)插鋼管的支護方案，通過計算分析，并結(jié)合觀測和實際施工反饋，可以得到以下結(jié)論：

（1）高壓旋噴樁內(nèi)插鋼管在本工程應(yīng)用成功，對周圍環(huán)境影響較小，基坑穩(wěn)定性和基坑變形滿足規(guī)范要求，保證了基坑附近建筑的安全。

（2）施工靈活和進度快，不受場地限制，且未產(chǎn)生泥漿污染和擾民噪音，保證了周圍居民的正常生活，在城市中條件比較受限的場地施工是可行的。

（3）高壓旋噴樁內(nèi)插鋼管形成了一個良好的阻水層，止水效果好。

（4）本工程目前已施工完成，經(jīng)過工程檢驗，達到了預(yù)期效果，可供類似工程參考。