臨近既有線深基坑錨樁支護技術

郭 鵬

(中鐵西北科學研究院有限公司，甘肅蘭州 730000)

1 概況

麻拉寨大橋全長176.8m，孔跨布置為5-32m簡支箱梁。設計2號～3號墩采用一孔32m簡支箱梁上跨G210，與G210夾角為91°。其中3號墩緊鄰國道，設計為樁基承臺，圓端形實體墩，承臺尺寸為11.7m×9.6m×3m;墩身高度為35m，該段國道為填方路段。經測量，承臺左側侵占國道路面0.68m，右側侵占國道路面0.28m，基坑開挖深度為5.46m。路面以下3.5m為人工填土，3.5m以下為強風化灰巖，設計采用鋼軌樁進行支護。G210與3號墩具體位置關系如圖1所示。

圖1 麻拉寨大橋與G210位置關系

大橋上跨段210國道為雙向兩車道，瀝青混凝土路面，路面寬度7.5m，日均車流量約820輛。為了確保承臺施工安全和G210的正常通行，最大限度地減少對國道的破壞，承臺開挖之前需對國道進行防護，經過方案比選，決定采用單錨柱列式小直徑鋼管排樁進行防護。

2 方案概述及比選

方案一:按最小坡度放坡開挖。改移國道，按照1：0.75放坡開挖基坑，施工承臺。該方案雖支護措施減少，工藝簡單，但須大面積改移國道，協調困難，成本較高，對行車干擾較大。

方案二:懸臂鋼軌排樁支護。沿基坑邊插打鋼軌樁，完成后進行基坑開挖和承臺施工。該方案為原設計方案，由于地質原因，鋼軌樁施工困難，工藝復雜，且材料采購困難，施工占用空間大，周期長，成本相對較高。

方案三:單錨柱列式小直徑鋼管排樁支護。沿基坑邊打設φ108鋼花管，完成后開挖上層基坑打設錨桿，之后開挖至承臺底，掛網噴混，施工承臺。φ108鋼管可利用項目自有的多功能鉆機進行鉆孔埋設，鋼花管注漿后剛度大、不易移位，工藝簡單，施工快速，φ108鋼管為常用材料，對公路破壞少，施工干擾小，成本相對較低。

綜合考慮綜合考慮現場機械設備和材料以及經濟效益、施工工期等因素后，決定采用單錨柱列式小直徑鋼管排樁支護方案。

3 支護方案設計及受力檢算

3.1 支護結構簡介

如圖2所示，鋼管排樁采用φ108熱軋無縫鋼管(壁厚6 mm)，中心間距1m，長度8.5m，打入基坑底面以下2.5m，頂面高出公路路面54 cm，刷反光漆，作為警示標志;錨桿采用普通砂漿錨桿，總長度8m，水平間距2m，與水平面傾角25°，桿體采用直徑28 mm-HRB335鋼筋，錨固體采用直徑10 cmM35水泥砂漿;在距公路路面以下2m處水平方向采用一根20b槽鋼與所有鋼管焊接成整體，并與錨桿外露部分連接，鋼管之間掛設15 cm×15 cmφ6鋼筋網片，噴8 cm厚C20混凝土封閉坑壁。

考慮變形和施工誤差，鋼管排樁邊緣距承臺邊緣預留10 cm(為最大限度減少施工對國道的破壞，承臺施工時靠國道側不立模板)。

圖2 支護結構示意

3.2 支護結構受力檢算

(1)車輛荷載

該段210國道為雙向兩車道，車輛荷載按照汽車-20級進行計算，參考《支擋結構設計手冊》表4-6，可得，車輛荷載引起的等代均布荷載為17 kN/m2。

(2)土壓力計算

為簡化計算，取1m寬范圍，利用郎肯土壓力理論計算主動土壓力和被動土壓力(如圖3所示)。

①主動土壓力計算

由設計地質資料知:γ土=18 kN/m3，c土=0 kN/m2，φ =35°;

主動土壓力系數:Ka=tan2(45°

圖3 土壓力計算(單位:m)

A點:EA=17×Ka土=17×0.271=4.6 kN;

B點:EB=(17+2×18)×Ka土=53×0.271=14.4 kN;

C點:EC=(17+3.5×18)×Ka土=80×0.271=21.7 kN;

D點:ED=(17+3.5×18+1.96×19)×Ka石=117.2×0.217=25.4 kN;

設在K點處，主動土壓力強度值等于被動土壓力，K點距基坑底面距離為L1，鋼管樁最小入土深度為Lmin;

K點:EK=［17+3.5×18+(1.96+L1)×19］×Ka石=25.4+4.1L1kN;

F點:EF=［17+3.5×18+(1.96+Lmin)×19］×Ka石=25.4+4.1LminkN。

②被動土壓力計算

被動土壓力系數:Kp

D點:Ed=0 kN;

K點:EK=19×L1×Kp=87.4L1kN;

F點:EF=19×Lmin×Kp=87.4LminkN。

(3)鋼管樁最小入土深度Lmin計算

樁的彎矩反彎點與土壓力強度等于零的位置較接近，故計算時，取K點為反彎點進行計算。該處主動土壓力和被動土壓力強度值相等，可求出L1(如圖4所示)。

即:25.4+4.1L1=87.4L1，L1=0.31m;

AK段視為簡支梁，對B點取矩，求出K點的水平力Vk。

即Vk×(0.31+1.96+3.5-2)=ME1+ME2+ME3

ME1=4.6×3.5×(3.5/2-2)+×3.5×(21.7

圖4 最小入土深度計算(單位:m)

KF段視為一次超靜定梁，對F點取矩，則

代入數據，得L2=1.54m;

Lmin=L1+L2=0.31+1.54=1.85m，考慮安全，取2.5m。

(4)鋼管樁最大彎矩計算

設基底以下x處剪力為零，此處鋼管樁所受彎矩最大，即

(5)鋼管樁截面驗算

選用外徑108 mm，壁厚6 mm的Q235鋼管，間距1m，內灌M10水泥砂漿，按照規程ACI-1999，鋼管混凝土的抗彎承載力Mu=Zfy。其中Z為鋼管截面的塑性抗彎模量fy為鋼材的屈服強度，取235 MPa。

代入得Mu=14.6 kN·m＞Mmax=6.5 kN·m，安全儲備系數大于2，安全。

(6)錨桿設計及受力檢算

由上述計算知，每根錨桿所受的水平拉力為HTK=2F=2×63.3=126.6 kN。

錨桿與水平方向夾角按25°，安全系數按1.3考慮，則錨桿的設計最小抗拔力為

錨桿總長度8m，錨固體長度4m，自由段長度4m(在人工填土部分認為全部為自由段)。

錨桿桿體鋼筋檢算:

錨桿長度檢算:

由文獻［5］知，錨固體與風化巖的粘結強度標準值為300～500 kPa，取300 kPa。

則錨固體的極限錨固力為Pa=qsπDL=300×3.14×0.1×4=364.8 kN＞Na=181.6 kN，滿足要求，安全儲備系數大于2，安全。

錨固砂漿握裹力檢算:

由文獻［5］知，螺紋鋼與M35砂漿之間的粘結強度標準值為1 500 kPa，則螺紋鋼與砂漿錨固體之間的極限握裹力為 qsπdL=1 500×3.14×0.028×4=527.5 kN＞Na=181.6 kN，安全儲備系數大于2，安全。

4 方案實施

4.1 施工流程

施工準備→測量放樣→打設鋼管樁→注漿→開挖上層基坑→打設錨桿→安裝圍帶槽鋼→開挖基坑至設計高程→承臺施工→基坑回填→恢復路面。

4.2 施工注意事項

(1)基坑開挖前在基坑邊緣布置位移觀測點，施工過程中定期觀測，位移若有超限，立即采取必要措施。

(2)基坑底部范圍內鋼管樁設孔徑10～16 mm注漿孔，孔間距15～20 cm，呈梅花形布置，管頭焊成圓錐形，便于入孔。

(3)基坑開挖過程中要及時掛網噴混，封閉坑壁，避免鋼管之間坑壁出現坍塌。

(4)錨桿施工時應注意清孔質量、安裝足夠的桿體支架，確保桿體位于孔中心，注漿管安裝至離孔底5～10 cm，注漿壓力不小于0.2 MPa。

(5)錨頭與圍帶槽鋼連接必須牢固，確保錨桿處于受力狀態。

4.3 方案實施效果

本方案經過多次論證，順利實施。監控結果表明，支護結構安全穩定，在有效保證了施工安全的同時，也將施工對既有道路的破壞恢復、行車影響降至最低，效果良好。

5 結束語

選用樁錨結構進行基坑支護，工藝簡單，對基礎施工干擾小;先支護，后開挖，有利于保證基坑周邊設施的安全。目前，該技術在建筑工程中應用較多，同樣，該技術也值得在橋梁工程中推廣應用。值得注意的是制定方案時應保證有可靠的安全系數，方案實施過程中應重點控制樁的打入深度，錨桿的灌漿質量等重要環節，周邊工程經驗不足時需進行錨桿的抗拔試驗，確保結構可靠。

［1］JGJ120—99 建筑基坑支護技術規程［S］

［2］尉希成，周美玲.支擋結構設計手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2004

［3］韓海林，楊有福.現代鋼管混凝土結構技術［M］.北京:中國建筑工業出版社，2004

［4］顧曉魯.地基及基礎［M］.北京:中國建筑工業出版社，2003

［5］程良奎，等.巖土加固實用技術［M］.北京:地震出版社，1994