前撐式注漿鋼管支撐在基坑圍護(hù)中的應(yīng)用與研究

惠彬永

上海建工四建集團(tuán)有限公司 上海 201805

1 工程概況

上海奉賢科技綠洲南橋園區(qū)二期項目位于上海市奉賢區(qū)生物科技園區(qū)內(nèi)，主體結(jié)構(gòu)設(shè)置1層地下室，基坑總面積約25 112 m2，基坑總長為743 m，基坑普遍范圍開挖深度5.70 m，局部超挖0.6～2.0 m。場地西側(cè)1倍開挖深度范圍內(nèi)分布有強(qiáng)電電纜、天然氣管道等多條重要管線。場地西側(cè)原設(shè)計為深層水泥土攪拌樁重力壩，一方面考慮基坑變形對重要管線的影響，另一方面考慮西側(cè)離重要管線較近，重力壩無施工操作空間，與設(shè)計溝通并經(jīng)建設(shè)單位同意，將基坑西側(cè)圍護(hù)體系優(yōu)化為雙軸攪拌樁內(nèi)插H型鋼結(jié)合前撐式注漿鋼管支撐的組合形式（圖1）[1-3]。

圍護(hù)采用φ700 mm@500 mm雙軸攪拌樁內(nèi)插H500 mm×300 mm×11 mm×18 mm型鋼加前置式鋼管支撐體系，前置式注漿鋼管采用長21 m、φ325 mm×8 mm的鋼管，傾角45°，單根鋼管注水泥漿量5.0 t；坑邊6 m范圍內(nèi)設(shè)厚200 mm配筋墊層，內(nèi)配φ10 mm@200 mm雙層雙向鋼筋。

圖1 優(yōu)化后基坑西側(cè)前置式鋼管支撐示意

2 工藝流程

前撐式注漿鋼管支撐工藝流程[4-5]為：施工基坑圍護(hù)體系→施工前撐式注漿鋼管樁及圈梁→分層分塊挖除坑邊配筋墊層設(shè)計寬度的土方→開挖到底后立即跟蹤施工預(yù)裝式鋼板，再按設(shè)計要求施工配筋墊層，前撐注漿鋼管樁穿越外墻和底板區(qū)域設(shè)置止水鋼板→待配筋墊層達(dá)到80%設(shè)計強(qiáng)度，分層分塊挖除基坑中部區(qū)域至坑底標(biāo)高，在要求時間內(nèi)澆筑完成墊層底板→待底板和可靠的換撐強(qiáng)度達(dá)到80%設(shè)計強(qiáng)度，可視情況間隔地割除前撐注漿鋼管樁，并施工地下結(jié)構(gòu)至±0 m→回填基坑，割除前撐注漿鋼管樁（圖2）。

圖2 基坑回填工況示意

施工支護(hù)體系配筋墊層時應(yīng)注意，開挖該區(qū)域土方需采用“島式跳倉開挖”的形式，即先挖除坑邊配筋墊層設(shè)計寬度的土方，并進(jìn)行分塊跳倉施工，避免支護(hù)體系在未全部形成前，因一次性暴露區(qū)段過長導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大。

具體施工時，可參照以下措施進(jìn)行：開挖初期，跳倉距離宜按10 m左右劃分為一段，即先沿支護(hù)縱向挖除一段10 m左右長度的土體并施工配筋墊層，隨后跳開10 m左右進(jìn)行下一段土體及配筋墊層的施工，如此重復(fù)跳倉施工。待相鄰2塊配筋墊層達(dá)到一定強(qiáng)度后，進(jìn)行中間區(qū)域的土體及配筋墊層施工。若此期間基坑監(jiān)測情況良好，可適當(dāng)將跳倉距離調(diào)整為10～20 m。

3 施工關(guān)鍵控制點

3.1 鋼管加工

鋼管分段處焊接長200 mm的φ351 mm×10 mm外套管，最下端的鋼管端部樁尖焊接密實，保證其強(qiáng)度及封閉性，所有焊縫高度≥8 mm，焊條采用E43型。鋼管底部沿軸向開設(shè)直徑為6～8 mm的注漿孔，同一截面高度均勻分布4個孔，于管體外側(cè)用橡膠帶作為止回閥將同截面注漿孔扎牢封閉；隨后將約束囊袋覆裹于鋼管外側(cè)并用鋼箍固定，以約束管外泥漿形成注漿擴(kuò)大體（圖3）。

圖3 鋼管加工示意

3.2 打設(shè)鋼管

軟弱地層條件下鋼管易于貫入，無需借助鉆機(jī)引孔即可直接依靠機(jī)械手將鋼管插入土體預(yù)定深度。但由于機(jī)械手自身振動明顯，沉樁初期由于土體對鋼管側(cè)壁的握裹力不足，鋼管入土角度難以控制（圖4）。

圖4 現(xiàn)場打設(shè)鋼管

需注意的是要先將鋼管端部打入一定深度，檢查管體是否發(fā)生偏斜，如有偏差應(yīng)及時糾偏，確認(rèn)無誤后再繼續(xù)沉樁。

3.3 鋼管注漿

由下而上分段進(jìn)行約束式注漿，注漿管兩端各有1個封閉氣囊，起到雙向密封的作用，保證上下密封良好，達(dá)到定位注漿的目的。

注漿最終完成的標(biāo)準(zhǔn)為：單根鋼管水泥用量不少于設(shè)計值或最終注漿壓力不小于2 MPa。

4 工藝特點

4.1 工藝簡便靈活

相較于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土支撐而言，無需表層卸土、支撐施工、養(yǎng)護(hù)及拆除等繁瑣工序。支護(hù)體系形成后即可開挖到底。根據(jù)施工現(xiàn)場場地的特點可選擇多種支撐形式（圖5），設(shè)計靈活，施工方便。

圖5 鋼支撐設(shè)計形式

4.2 施工工期短

常規(guī)方案支撐系統(tǒng)的施工涉及到水平混凝土支撐及立柱、立柱樁施工，以及后續(xù)支撐破除。

新技術(shù)方案支撐系統(tǒng)的前撐式注漿鋼管支撐與圍護(hù)樁一起施工，基本同步施工完成。后續(xù)挖土亦可實現(xiàn)坑內(nèi)大面積土方整體開挖。具體到本工程，比起常規(guī)支撐方案，新技術(shù)方案節(jié)約工期25～30 d。

以開挖深度12 m基坑為例，前置式鋼管注漿支撐方案與鉆孔灌注樁＋2道支撐相比：節(jié)約造價約25%、節(jié)約工期約43%、節(jié)約能耗約20%。

4.3 經(jīng)濟(jì)效益顯著

對于挖深12 m以內(nèi)的基坑，基坑面積越大，本工藝成本優(yōu)勢越明顯，通常可節(jié)約造價15%～25%。但當(dāng)鋼管長度達(dá)到一定規(guī)模后，所需的強(qiáng)度往往難以滿足，無法兼顧成本和強(qiáng)度要求。

4.4 變形控制效果佳

奉賢科技綠洲園區(qū)位于長江三角洲入海口東南前緣，其地貌屬于濱海平原地貌類型，坑底以下對基坑及圍護(hù)結(jié)構(gòu)有影響的地基土層主要為③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土及⑤層灰色黏土。結(jié)合上海地區(qū)常規(guī)重力壩施工經(jīng)驗，重力壩在③～⑤地基土層中變形較大，不易控制。

新技術(shù)方案注漿鋼管支撐頂端錨固于支護(hù)體系壓頂梁之中，底部通過注漿擴(kuò)大體錨固于深層土體中，坑底又有配筋墊層的加持，增強(qiáng)了支護(hù)結(jié)構(gòu)的整體性及抗變形能力。

4.5 靜載試驗

根據(jù)設(shè)計要求，選取2套前置式注漿鋼管做靜載試驗，加載數(shù)據(jù)如表1所示，由加載數(shù)據(jù)知，卸載以后注漿鋼管出現(xiàn)回彈現(xiàn)象，最大回彈量4.62 mm。由Q-s曲線及s-lgt曲線（圖6）可以看出最大沉降量為32.47 mm，單樁最大承載力達(dá)到800 kN。最大承載力滿足設(shè)計要求，也為前置式注漿鋼管支撐在上海地區(qū)應(yīng)用提供設(shè)計依據(jù)。

表1 加載試驗結(jié)果

圖6 Q-s曲線及s-lg t曲線

4.6 工藝不足與優(yōu)化建議

4.6.1 工藝不足

內(nèi)拉式前置式注漿鋼管施工需穿越地下室底板與外墻，雖然于底板和外墻接觸處設(shè)置止水鋼板，但還是存在滲水、漏水的隱患。

目前上海地區(qū)地基基礎(chǔ)均采用各類管樁、方樁及其他樁型，且樁間距較密，鋼管施工時易與既有各類樁沖突。

4.6.2 優(yōu)化建議

針對內(nèi)拉式前置式注漿鋼管，通過計算采取比較經(jīng)濟(jì)、安全可靠的結(jié)構(gòu)組合方式，如三軸深層水泥攪拌樁結(jié)合混凝土灌注樁、前置式注漿鋼管組合型式，在底板及外墻施工時盡可能將前置式注漿鋼管拆除或部分拆除，盡可能不穿越底板及地下室外墻。

5 結(jié)語

經(jīng)過探索和實施，前置式注漿鋼管支撐工程順利完成，不僅完成了預(yù)期目標(biāo)，也贏得了良好的社會與經(jīng)濟(jì)效益?；邮┕そY(jié)束后，前置式注漿鋼管支撐可實行回收利用，采用無支撐設(shè)計，節(jié)省了大體量的支撐結(jié)構(gòu)，成本降低，低碳環(huán)保。無內(nèi)支撐設(shè)計方便了挖土機(jī)械的施工，大大提升了挖土效率，能明顯提升施工速度，便于挖土結(jié)束后主體結(jié)構(gòu)的快速施工，節(jié)省工期。