強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁在軟土基坑中的應(yīng)用

金小榮，隋 欣，郭 永，莫立成

（1.浙江大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310028；2.浙江華蘊(yùn)基礎(chǔ)工程有限公司，浙江 湖州 313211）

0 引 言

基坑工程作為開(kāi)發(fā)利用城市地下空間的重要保障，正向著“深、大、緊、近”四個(gè)方向發(fā)展?；庸こ叹哂械赜蛐?、綜合性、風(fēng)險(xiǎn)性、環(huán)境效應(yīng)和時(shí)空效應(yīng)的特點(diǎn)[1]，其設(shè)計(jì)和施工難度大。在城市化水平較高的地區(qū)，如棚戶區(qū)改造項(xiàng)目、企業(yè)改擴(kuò)建項(xiàng)目等，由于這些工程大多處在建（構(gòu)）筑物密集地帶，地下管線交錯(cuò)，周邊環(huán)境復(fù)雜，因此對(duì)基坑工程提出了更高的要求。

在基坑周邊存在大量地下管線及建筑基礎(chǔ)、施工用地緊張且不能超紅線，基坑深度一般但面積大的工程中，排樁與斜撐組合形式的圍護(hù)結(jié)構(gòu)往往能彰顯其優(yōu)越性。相比于排樁與錨索（桿）、排樁與水平內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，排樁與斜撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有不受紅線限制、挖土方便、換撐工況相對(duì)獨(dú)立不受整體牽制、節(jié)約工期且經(jīng)濟(jì)的優(yōu)點(diǎn)。

1 強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁特點(diǎn)

根據(jù)斜撐支撐點(diǎn)的不同，斜撐可以分為三類(lèi)。第一類(lèi)，斜撐底部撐在基礎(chǔ)底板牛腿[2-3]或暗梁[4]。第二類(lèi)，斜撐底部撐在支撐樁，支撐樁可以是灌注樁[5]、管樁[6]、攪拌樁[7-8]與樹(shù)根樁復(fù)合結(jié)構(gòu)[9]等。第三類(lèi)，斜撐底部撐在地基土中[10-11]。本文所介紹的強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁屬于第三類(lèi)，它是由鋼格構(gòu)、預(yù)制方樁、強(qiáng)制攪拌體以及擴(kuò)大底部組成（如圖1～3）。鋼格構(gòu)與預(yù)制方樁端部預(yù)先焊接形成整體，液壓送樁過(guò)程中，當(dāng)樁內(nèi)部的強(qiáng)制注漿口達(dá)到基坑支護(hù)設(shè)計(jì)注漿段位置時(shí)，啟動(dòng)高壓注漿泵，使鋼格構(gòu)與預(yù)制方樁外形成攪拌體。與其他類(lèi)型斜撐相比，強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁具有以下特點(diǎn)：

圖1 強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁正向圖Fig.1 Front photo of forced mixing inclined support pile

圖2 強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁側(cè)向圖Fig.2 Side photo of forced mixing inclined support pile

圖3 強(qiáng)制攪拌體以及擴(kuò)大底部開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)圖Fig.3 Photo of forced stirring body and enlarged bottom

（1）施工工序少：強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁施工時(shí)無(wú)需預(yù)留三角土及施工縫，無(wú)需施工反力支座，無(wú)需二次挖土和二次施工底板，大大減小基礎(chǔ)漏水風(fēng)險(xiǎn)。

（2）變形控制更可靠：強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁屬于超前支護(hù)形式，可在基坑開(kāi)挖前提前控制土體變形。同時(shí)，由于不需要預(yù)留三角土，更有利于控制變形和周邊環(huán)境的安全。在設(shè)置墻體止水帶并回填土方后拆除斜格構(gòu)，大大減小換撐引起的變形。

（3）經(jīng)濟(jì)性：由于強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁施工速度快、工期短，可以節(jié)約工程造價(jià)。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本工程建設(shè)場(chǎng)地位于杭州市拱墅區(qū)某小學(xué)舊址，神龍路以東，龍?zhí)谅芬晕?，沈康路以南，科祥路以北區(qū)域內(nèi)，以上場(chǎng)地周邊道路均為擬建道路，如圖4 所示。場(chǎng)地屬于拆舊建新，表層雜填土分布有混凝土活塊石等硬雜物，場(chǎng)地內(nèi)存在舊建筑樁基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)。本項(xiàng)目總用地面積33 588 m2，總建筑面積63 288 m2，其中地上建筑面積33 588 m2，地下建筑面積28 500 m2，架空層建筑面積1 200 m2，主要建設(shè)內(nèi)容為1～3 號(hào)教學(xué)組團(tuán)、4 號(hào)行政樓、5號(hào)食堂風(fēng)雨操場(chǎng)，設(shè)1 層地下室，基坑開(kāi)挖深度為5.00～7.10 m，周長(zhǎng)約為710 m。

圖4 基坑周邊環(huán)境示意圖Fig.4 Surrounding environment of the foundation pit

2.2 基坑周邊環(huán)境

本基坑場(chǎng)地現(xiàn)狀除西側(cè)有硬化道路（未通車(chē)）外，其余三側(cè)均為空地，環(huán)境尚可。

（1）基坑北側(cè)：地下室外墻距離用地紅線約9～10 m，紅線外為擬建沈康路，現(xiàn)狀為荒地。

（2）基坑?xùn)|側(cè)：地下室外墻距離用地紅線約6～7 m，紅線外為擬建龍?zhí)谅?，現(xiàn)狀為停車(chē)場(chǎng)。

（3）基坑南側(cè)：地下室外墻距離用地紅線約4～19 m，紅線外為擬建科祥路，現(xiàn)狀為待拆遷多層建筑和停車(chē)場(chǎng)。

（4）基坑西側(cè)：地下室外墻距離用地紅線約5～7 m，紅線外為擬建神龍路，現(xiàn)狀為原水泥道路。

除西北角高壓線外，場(chǎng)地內(nèi)原有污水管、路燈照明等地下市政管線均已廢棄或在基坑施工前做遷移處理。西北角高壓線距離地下室剪力墻約6.4 m，距離較近，且對(duì)變形要求高。

2.3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

根據(jù)本工程的巖土工程勘察報(bào)告，擬建場(chǎng)地屬?zèng)_海積平原地貌，場(chǎng)地地形平坦?；涌拥滓陨现饕植纪翆訛棰?雜填土和①1粉質(zhì)黏土，基坑底全部位于灰色、流塑狀的②淤泥質(zhì)黏土層，對(duì)基坑十分不利。場(chǎng)地地基土物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1 所示。

表1 地基土物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)表Table 1 Design parameter table of physical and mechanical indexes of foundation soil

根據(jù)場(chǎng)地鉆孔揭露，鉆孔深度范圍內(nèi)主要含水層為賦存于人工填土和黏性土層中的孔隙潛水以及賦存于基巖風(fēng)化裂隙中的基巖裂隙水。水位埋深為0.40～2.60 m。

2.4 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

（1）原基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案

綜合本工程的工程地質(zhì)條件、周邊環(huán)境及工程規(guī)模，本項(xiàng)目除西北角外，采用放坡開(kāi)挖結(jié)合拉森IV 鋼板樁或H+HAT 工法樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。由于西北角存在高壓線，對(duì)變形要求較高，故西北角采用上部放坡、下部PC 工法樁和HU 工法樁結(jié)合一道型鋼水平內(nèi)支撐的圍護(hù)形式，如圖5 所示。

圖5 基坑西北角原設(shè)計(jì)平面Fig.5 Original design plan of northwest corner of foundation pit

（2）原基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)方案缺點(diǎn)

原設(shè)計(jì)雖然可以保證基坑內(nèi)地下室結(jié)構(gòu)的完好、基坑外土體的整體穩(wěn)定性，但是仍然存在不足，具體如下：

a）施工工期長(zhǎng)：支撐施工完成后方可進(jìn)行基坑開(kāi)挖；換撐拆撐工況受底板強(qiáng)度影響，需要完成大量的支撐拆除工作。

b）工程造價(jià)高：立柱樁的設(shè)置、支撐面積大、施工工期長(zhǎng)增加了工程成本；HU 工法樁型鋼間相對(duì)密實(shí)，因此含鋼量偏大。

c）施工不便：支撐下挖土需多臺(tái)挖機(jī)倒運(yùn)，基坑開(kāi)挖速度慢、出土慢。

（3）基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

為解決上述圍護(hù)設(shè)計(jì)的不足，對(duì)本項(xiàng)目基坑進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，西北角支護(hù)形式調(diào)整為：原西北角的西側(cè)區(qū)域調(diào)整為采用上部放坡開(kāi)挖、下部雙排PC工法組合鋼管樁結(jié)合一道強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁和被動(dòng)區(qū)加固的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。原西北角的北側(cè)區(qū)域調(diào)整為采用放坡開(kāi)挖結(jié)合H+HAT 工法樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，如圖6 所示。HAT 鋼板樁采用900 mm 寬的帽型拉森樁，以節(jié)約工程造價(jià)。

圖6 基坑西北角優(yōu)化設(shè)計(jì)平面Fig.6 Optimized design plane of northwest corner of foundation pit

2.5 強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁的設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

（1）強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁的設(shè)計(jì)原理及關(guān)鍵點(diǎn)

強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁的作用是將圍護(hù)樁所受的水平力通過(guò)斜撐樁傳遞到地基土中。因此，圍護(hù)樁與冠梁、冠梁與鋼格構(gòu)、鋼格構(gòu)與預(yù)制方樁、預(yù)制方樁與攪拌體之間的連接應(yīng)滿足斜向支撐樁水平分力與豎向分力的要求。

本項(xiàng)目中采用的強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁由400 mm×400 mm 的鋼格構(gòu)斜撐下焊接400 mm×400 mm 預(yù)制方樁并采用強(qiáng)制攪拌體加固而成。鋼格構(gòu)采用的角鋼與綴板材質(zhì)均為Q235B，鋼格構(gòu)主肢采用L100×12 角鋼，綴板采用360×200×12，間距500 mm，鋼格構(gòu)斜撐長(zhǎng)6 m、9 m，滿足格構(gòu)式壓彎構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性要求。預(yù)制方樁長(zhǎng)9 m，傾角45°。鋼格構(gòu)與預(yù)制方樁采用端部焊接，如圖7～8 所示。強(qiáng)制攪拌加固體直徑為800 mm，方樁端部處攪拌體擴(kuò)徑至1 000 mm，端部錨入④1粉質(zhì)黏土層不小于1.5 m。典型基坑支護(hù)剖面如圖9 所示，鋼格構(gòu)與預(yù)制方樁連接處端板詳圖如圖10 所示。

圖7 鋼格構(gòu)與預(yù)制方樁端部焊接Fig.7 Welding of steel lattice structure and prefabricated square pile end

圖8 預(yù)制方樁端部Fig.8 End of prefabricated square pile

圖9 典型基坑支護(hù)剖面圖Fig.9 Profile of a typical foundation pit support

圖10 鋼格構(gòu)與預(yù)制方樁連接處端板詳圖Fig.10 Profile on the end plate at the joint of steel lattice and prefabricated square pile

（2）強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁施工技術(shù)

強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁的施工工序?yàn)椋篴）施工準(zhǔn)備，斜向支撐樁加工制作；b）開(kāi)挖臨時(shí)坑，斜向支撐樁定位，在斜向支撐樁身上粘貼長(zhǎng)方形鐵片，并懸掛角度監(jiān)測(cè)指針，便于壓樁角度的實(shí)時(shí)調(diào)整；c）安裝攪拌及推進(jìn)裝置，從鋼格構(gòu)的端部置入動(dòng)力鉆桿裝置，液壓裝置就位；d）斜向支撐樁兩側(cè)設(shè)置樁體抱箍，吊裝到位；e）強(qiáng)制攪拌供漿系統(tǒng)就位；f）啟動(dòng)液壓設(shè)備加壓，將樁推進(jìn)至設(shè)計(jì)標(biāo)高；g）啟動(dòng)攪拌系統(tǒng)，攪拌供漿；h）回收鉆桿；i）施工下一根斜撐支護(hù)樁。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景照片如圖11～12 所示。

圖11 強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁定位照片F(xiàn)ig.11 Photo of orientation of forced mixing inclined support pile

圖12 強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁推進(jìn)過(guò)程照片F(xiàn)ig.12 Photo of the jacking process of forced mixing inclined support pile

強(qiáng)制水泥攪拌體鉆孔前按施工藍(lán)圖放線定位，鉆孔定位誤差小于50 mm，孔斜誤差小于3°，樁徑偏差不大于20 mm。注漿材料采用P.O42.5 水泥，水泥摻入量為35%，空攪水泥摻入量減半，水灰比為0.5～0.7。水泥漿應(yīng)拌和均勻，隨拌隨用，一次拌合的水泥漿應(yīng)在初凝前用完。攪拌鉆桿的鉆進(jìn)速度為0.5 m/min，提升速度為0.8 m/min，誤差不大于±10 cm/min?，F(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖完成實(shí)景如圖13 所示。

圖13 開(kāi)挖完成實(shí)景照片F(xiàn)ig.13 Photo of completion of excavation

2.6 施工實(shí)施效果及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

圖14 為開(kāi)挖至基坑底標(biāo)高時(shí)，測(cè)點(diǎn)CX17、CX18、CX19 處深層土體水平位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果（測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖6）。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示基坑開(kāi)挖至坑底時(shí)，土體最大水平位移僅為10.34 mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)報(bào)警值的35 mm。由于超前斜向支撐樁的剛度比水平內(nèi)支撐小，且端部存在因土體變形產(chǎn)生的位移，使得采用強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁的圍護(hù)結(jié)構(gòu)基坑變形不同于水平內(nèi)支撐圍護(hù)結(jié)構(gòu)。其變形沿深度方向拐角效應(yīng)不明顯，與樁錨結(jié)構(gòu)相似。

圖14 深層土體水平位移圖Fig.14 Horizontal displacement of deep soil

2.7 經(jīng)濟(jì)性比較

經(jīng)過(guò)相關(guān)經(jīng)濟(jì)測(cè)算，原圍護(hù)造價(jià)約為1 025 萬(wàn)元，優(yōu)化后的圍護(hù)造價(jià)約為800 萬(wàn)元，比EPC 投標(biāo)控制造價(jià)的985 萬(wàn)元約低185 萬(wàn)元。此外，地下室基礎(chǔ)施工工期縮短約40 d，加快了施工進(jìn)度。

3 結(jié) 論

軟土地基中城區(qū)的基坑工程往往需要特別注意變形控制與環(huán)境保護(hù)，基坑設(shè)計(jì)已從強(qiáng)度控制設(shè)計(jì)偏向于變形控制設(shè)計(jì)。本文介紹了一種強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁在某軟土基坑中的成功應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)斜支撐，強(qiáng)制攪拌斜向支撐樁具有設(shè)備小巧、可小凈距施工、施工速度快、可有效控制變形、適用于多種土質(zhì)地層的特點(diǎn)，其進(jìn)一步改良了傳統(tǒng)斜向支撐的工藝并擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，對(duì)于類(lèi)似的工程有一定的借鑒意義。