周邊既有建筑物條件下基坑鋼板樁支護應用及計算分析

王 蕾 （安徽省公路橋梁工程有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

隨著電子集成工業(yè)化水平的不斷發(fā)展，一些特大電子集成項目陸續(xù)投入建設，同時也面臨著前期項目的生產(chǎn)工藝改造轉(zhuǎn)型和在既有周邊建筑物條件下施工新建附加廠房的施工需求。由于電子集成生產(chǎn)的特殊性，廠區(qū)施工的周邊環(huán)境也逐漸變得更加復雜，因此也對施工工藝及施工安全提出了更高要求。

鋼板樁可以通過鎖扣或鉗口互相連接咬合，組成具有擋土和擋水的連續(xù)鋼板樁墻。其施工占用空間小，可以與基坑內(nèi)鋼支撐和立柱支撐組成合理的傳力體系，有效抵抗水、土壓力以減小基坑施工對周邊及既有建構(gòu)筑物的影響，并保持周邊地層穩(wěn)定，無須放坡施工，確保在周邊既有建筑物存在的條件下安全施工基坑工程[1]。

本文以舒城縣杭埠鎮(zhèn)經(jīng)濟開發(fā)區(qū)精卓光顯技術有限公司二期項目廠區(qū)為例，在廠區(qū)內(nèi)存在既有生產(chǎn)電子廠房的條件下，利用鋼板樁施工新廠房基坑工程，對鋼板樁進行內(nèi)力分析，并計算基坑周邊沉降。通過對基坑施工進行沉降檢測，驗證鋼板樁與基坑內(nèi)支撐相互配合可在既有周邊建構(gòu)筑物條件下取得良好的施工效果，詳細說明該工況下基坑施工方案的主要內(nèi)容，可為類似基坑施工提供一定的參考價值。

2 工程概況

擬施工基坑位于六安市舒城縣杭埠鎮(zhèn)經(jīng)濟開發(fā)區(qū)精卓光顯項目二期廠區(qū)內(nèi)，由于生產(chǎn)工藝變更，廠區(qū)內(nèi)需新建一座污水處理站。污水處理站基坑面積約3600m2，延米周長約340m，計算挖深5.80m，基坑支護結(jié)構(gòu)安全等級為二級。擬建場地為空地，左側(cè)為化學品倉庫，后方為生產(chǎn)廠房。根據(jù)基坑周邊環(huán)境條件，同時考慮基坑施工過程中施工機械的行走線路，通過計算土方車輛、混凝土罐車、裝載機和反鏟挖機等常用機械的等效荷載以及鋼筋、砂、碎石等建筑材料堆放的等效荷載，并考慮各種荷載的組合效應，確定基坑超載按均布20kPa計。

圖1 基坑圍護結(jié)構(gòu)平面布置圖

3 支護施工關鍵技術

3.1 鋼板樁施工技術要求

進場使用前應對鋼板樁應進行外觀和材質(zhì)檢驗，并對樁身垂直度進行檢查，經(jīng)檢驗合格的鋼板樁方可投入使用，鋼板樁在存放時應采取有效的防護措施，防止鋼板樁碰撞。錘擊法沉樁時，應采用重錘低擊并設置樁帽樁墊，鋼板樁平面轉(zhuǎn)角處應加強處理，施工前應對鋼板樁的垂直度進行復核。定位樁應先行施工，對導向型鋼進行固定，采用屏風沉樁法對鋼板樁的收尾閉合處進行封閉，防止鋼板樁接縫處滲漏?？梢栽陂_口處打設附加樁，確保其緊貼主樁，有效防止收口處無法咬合，并可以形成有效閉口。定位樁定位偏差不得超過5cm，成樁垂直度偏差不超過1/100[2]。插入前應在鋼板樁表面涂抹減摩劑，減小與土體間的摩阻力，鋼板樁在坑內(nèi)應采用油毛氈將其與坑內(nèi)結(jié)構(gòu)隔離。同時需考慮拔除鋼板樁對周邊的管線、道路及建構(gòu)筑物等的不利影響。

3.2 鋼支撐施工技術要求

鋼支撐施工前必須詳細閱讀節(jié)點構(gòu)造圖，支撐安裝應采用開槽架設。在基坑圍檁支撐點附近進行鋼圍檁的現(xiàn)場拼接，以減少拼接變形。確保圍檁的分段預制長度不大于支撐間距的2 倍；鋼支撐與鋼圍檁采用焊接連接。對所有鋼構(gòu)件的外觀結(jié)構(gòu)進行檢查，對于外觀有缺陷的構(gòu)件進行更換，確保構(gòu)件挺直、平整。支撐構(gòu)件安裝完畢后，對構(gòu)件各節(jié)點的連接狀況進行復核檢查。鋼支撐安裝經(jīng)驗收合格后方可開挖下一層土。

圖2 基坑維護結(jié)構(gòu)立面圖

4 基坑支護方案

綜合考慮本工程的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、基坑開挖深度及面積、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、支護結(jié)構(gòu)施工工藝的可行性、施工場地條件及季節(jié)條件、經(jīng)濟指標、環(huán)保性能和施工工期等因素，并結(jié)合國內(nèi)類似項目的大量深基坑工程實踐經(jīng)驗，本工程基坑采用鋼板樁支護，內(nèi)設置型鋼支撐[3]?；觾?nèi)均布置降水管井，降水井采用Φ360 成品混凝土管井，井深12～14m。鋼板樁采用熱軋U 型SP-U400×170×15.5 鋼板樁，鋼板樁長15.0m，支撐采用雙拼HW400×400×13×21 型鋼支撐，立柱采用H400×400×13×21 型鋼立柱樁，型鋼牌號均為Q235B。

基坑支護結(jié)構(gòu)施工順序為鋼板樁及鋼支撐施工→開挖鋼板樁維護范圍內(nèi)土方至坑底→及時施作墊層、底板→施工地下室側(cè)墻→切割鋼支撐→地下室外墻與鋼板樁間土方回填壓實后拔出鋼板樁→拔出空隙注漿填充[4]。

表1 工況信息表

4.1 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

擬建場地地下水類型為上層滯水和潛水。上層滯水主要賦存于①層耕填土層中，無自由穩(wěn)定水面，主要補給來源為大氣降水，地下水位隨季節(jié)變化，主要以蒸發(fā)方式排泄，并受地表水徑流影響。潛水主要賦存于②層粉質(zhì)黏土、③層粉土夾粉細砂、④層粉細砂、⑤層中粗砂夾礫石層中，主要以側(cè)向徑流方式補給和排泄?？碧狡陂g測得混合地下水位（靜止）埋深為0.30～1.60m，靜止水位標高為7.67～8.14m。

表2 基坑支護設計參數(shù)一覽表

本基坑支護結(jié)構(gòu)安全等級為二級，γ0＝1.0。

土壓力計算，按朗肯土壓力計算理論作為土側(cè)向壓力設計計算的依據(jù)，即：

主動土壓力系數(shù)ka＝tg2（45°-φ/2），被動土壓力系數(shù)kp＝tg2（45°+φ/2）。

主動土在開挖面之下水土合算取三角形壓力，計算中不考慮樁土間的摩擦力。

4.2 內(nèi)力計算

基坑側(cè)壁安全等級為二級，基坑重要性系數(shù)為1.0。坑外地面標高-3.00m，承臺墊層底標高為-8.70m，計算挖深為5.70m，采用鋼板樁加一道型鋼支撐支護。地面外附加荷載q0=20kPa。施工工況如圖3所示。

圖3 基坑工況施工順序圖

圖4 基坑穩(wěn)定計算示意圖

圖5 工況1內(nèi)力位移包絡圖

圖6 工況2內(nèi)力位移包絡圖

圖7 工況3內(nèi)力位移包絡圖

圖8 工況4內(nèi)力位移包絡圖

圖9 基坑監(jiān)測曲線圖

①截面驗算

基坑內(nèi)側(cè)抗彎驗算（不考慮軸力）：

基坑外側(cè)抗彎驗算（不考慮軸力）：

式中：σwai—基坑外側(cè)最大彎矩處的正應力（MPa）；σnei—基坑內(nèi)側(cè)最大彎矩處的正應力（MPa）；Mw—基坑外側(cè)最大彎矩設計值（kN·m）；Mn—基坑內(nèi)側(cè)最大彎矩設計值（kN·m）；Wx—鋼材對x 軸的凈截面模量（m3）；f—鋼材的抗彎強度設計值（MPa）。

基坑穩(wěn)定性計算方法為瑞典條分法，應力狀態(tài)為總應力法，條分法中的土條寬度為1.00m。

②滑裂面數(shù)據(jù)

圓弧半徑R=11.916m、圓心坐標X=-1.514m、圓心坐標Y=5.462m，整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=2.266＞1.30，滿足規(guī)范要求。

③抗傾覆（踢腳破壞）穩(wěn)定性驗算

式中：∑MEp—被動區(qū)抗傾覆作用力矩總和（kN·m/m）；∑MEa—主動區(qū)傾覆作用力矩總和（kN·m/m）；Kt—帶支撐樁、墻式支護抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)，取Kt≥1.200。

工況1：此工況不進行抗傾覆穩(wěn)定性驗算。

工況2：Kt=21720.101/6491.222=3.346＞1.200，滿足規(guī)范要求。

工況3：Kt=8140.599/6491.222=1.254＞1.200，滿足規(guī)范要求。

工況4：已存在剛性鉸，此后工況均不進行抗傾覆穩(wěn)定性驗算。

安全系數(shù)最小的工況號為工況3。最小安全Kt=1.254＞1.200，滿足規(guī)范抗傾覆要求。

5 基坑監(jiān)測

該基坑開挖過程中需持續(xù)對開挖影響范圍內(nèi)的建構(gòu)筑物以及基坑內(nèi)圍護結(jié)構(gòu)進行沉降和位移監(jiān)測。具體監(jiān)測內(nèi)容見表3，并按照基坑監(jiān)測方案布置相關檢測設備及電子信號傳輸設備。原始水準點及坐標點布置于可長期保存的堅固位置，以便于對基坑進行長期持續(xù)的變形檢測，保證數(shù)據(jù)準確。

表3 基坑支護監(jiān)測內(nèi)容

按照基坑檢測方案要求，在每一個測區(qū)布置不少于3 個監(jiān)測基準點[5]。對各測試項目在基坑土方開挖前，持續(xù)采集3 次初始數(shù)據(jù)，并取其平均值以保證初始數(shù)據(jù)科學準確。監(jiān)測報警界限見表4。

表4 基坑監(jiān)測報警界限值

由監(jiān)測沉降曲線圖可以看出，各個工況下鋼板樁變形均較小。實測值與理論值基本相符，沉降最大出現(xiàn)在基坑最近處（即鋼板樁頂部）。最大沉降量滿足規(guī)范要求，基坑沉降變形在安全范圍以內(nèi)。

6 結(jié)論

本文結(jié)合工程實例，實踐了鋼板樁及型鋼內(nèi)支撐支護技術在周邊存在既有建筑物施工條件下，施工基坑工程能取得良好的支護效果。由于該基坑施工情況復雜，周邊存在較多影響施工安全的因素，尤其是在周圍既有建筑正在使用的限制條件之下，任何因素疊加起來都會對該基坑的安全施工造成嚴重的影響。該基坑工程利用鋼板樁維護施工速度快、對周邊環(huán)境影響小、強度高、占地空間小、可重復利用的優(yōu)點，成功在既有建筑物周邊進行了新建基坑施工并且保證了基坑開挖及地下建構(gòu)筑物施工的安全。對于施工條件復雜、開挖深度超過5m 的深基坑，結(jié)合基坑內(nèi)井點降水，通過在基坑開挖過程中持續(xù)降水，保持基坑內(nèi)側(cè)水位始終低于基坑底面以下1.0 m，并通過鋼板樁＋鋼圍檁＋內(nèi)支撐三種支撐相互結(jié)合的支護方式，利用持續(xù)基坑變形及位移監(jiān)測，確保基坑及地下建構(gòu)筑物在施工期間的安全，同時該方案的造價合理且順利通過專家論證，該方案具有一定的參考價值。