前撐注漿鋼管樁在大面積深基坑工程中的應用

董林兵

上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司 上海 200092

在受用地紅線限制、基坑深度不大、基坑面積較大的情況下，采用豎向斜撐體系既方便土方開挖，又縮短工期、節省造價。然而在斜撐支護結構中，通常將結構底板作為可靠的支撐受力點，等結構底板達到設計強度后再施工斜撐，這樣的施工方法會造成后續工期嚴重滯后。同時斜撐支護基坑暴露時間較長，中心島底板施工后需養護較長時間，斜撐安裝也需要一定時間，放坡開挖階段變形較大，對周邊環境保護不利。

針對底板式斜拋撐的上述缺點，許多學者嘗試對此進行了改進。陳洪良等[1]在實際工程中采用暗墩式斜拋撐，該方法預先在坑底設置水泥土攪拌樁暗墩作為斜拋撐的支撐點，支撐架設后底板整體澆筑。從實際應用效果來看，由于支撐點剛度相對偏小，支護樁位移較大。劉裕華等[2]提出了一種改進的斜支撐支護體系并應用于實際工程中。與一般的內支撐結構形式不同，該支護體系由支護樁、立柱、支撐樁以及斜撐組成。實踐表明，此斜支撐支護體系可以把排樁、斜支撐、立柱、支撐樁以及它們之間的土體充分調動起來，相互之間積極協調以抵擋基坑開挖帶來的土壓力，從而控制基坑周邊土體位移。肖榮軍[3]提出了一種在優先考慮工期的前提下，通過設置附加承臺傳遞斜撐軸力的改進設計方法。該方法通過在基底下設置附加承臺和支撐樁，通過附加承臺和支撐樁承擔斜撐傳來的軸力。相比底板施工，附加承臺施工速度較快，從而大大節省項目工期。翟東格[4]運用有限元分析軟件對支撐樁加承臺的斜拋撐支護體系進行數值分析。研究結果表明，這種支護體系能夠顯著地抑制基坑底部土體的隆起。

綜合來看，這類改進方法通過在坑底設置暗墩或支撐樁加承臺作為斜拋撐的支撐點，從而實現底板整體澆筑，可以大大縮短施工工期。但是這些方法都需要在基坑開挖至基底后才能施工斜拋撐，造成基坑暴露時間過長，基坑變形較大。

為此，張靜[5]提出了一種新型的斜樁支護體系——前撐注漿鋼管樁。該體系將鋼管作為斜撐，通過在鋼管端部設置注漿段形成支撐樁，使得斜撐和支撐樁有機結合。前撐注漿鋼管樁可以與圍護樁同時施工，無須待基坑開挖至基底后再施工斜撐，從而大大縮短施工工期，同時減少基坑暴露時間，從而減小基坑變形。

本文結合工程實例，重點討論前撐注漿鋼管樁的設計及施工問題，并根據現場監測資料評價其應用效果。

1 設計方案

1.1 基坑及周邊環境

上海某工程擬建14幢多層建筑，地塊內整體下設1層地下室。基坑開挖深度6.2～6.9 m，基坑開挖面積約59 400 m2，基坑及主樓平面如圖1所示。

基坑東西兩側周邊環境較為緊張，而南北兩側較為寬松。基坑東側有燃氣管線，距離基坑邊線約7.0 m，基坑西側有污水管線，距離基坑邊線約10.0 m。基坑周邊環境如圖2所示。

圖1 基坑及主樓平面示意

圖2 基坑周邊環境示意

1.2 地質條件

本場地地貌類型屬湖沼平原Ⅰ-1區沉積相，擬建場地屬于地層正常分布區，該地段均有⑥粉質黏土、⑦粉土分布。典型場地地層從上至下依次為①1素填土、②粉質黏土、③1淤泥質粉質黏土、③3-1黏土、⑥1粉質黏土、⑥2砂質粉土，樁端貫入⑥1層中，極限端阻力標準值1 000 kPa。

1.3 設計方案

該基坑最初采用SMW工法樁＋鋼管斜拋撐的圍護設計方案，典型圍護設計剖面如圖3所示。由于項目工期要求較緊，同時有多幢主樓貼邊，底板需分塊形成，施工極為不便。考慮到工期要求和施工方便，將鋼管斜拋撐調整為前撐注漿鋼管樁，典型圍護設計剖面如圖4所示。

圖3 原鋼管斜拋撐設計剖面

前撐注漿鋼管采用φ325 mm×8 mm，間距4 200 mm，樁長24.0 m，水平傾角45°；鋼管端部設置注漿段，采用約束式注漿工藝，每根鋼管設置2～3個約束體，單根鋼管注漿水泥用量不小于5.0 t；坑底6.5 m寬度范圍內設置厚200 mm配筋墊層，內配φ10 mm@200 mm×200 mm雙層雙向鋼筋網片；鋼管穿越外墻、底板區域設置環形止水鋼片。

圖4 前撐注漿鋼管樁設計剖面

前撐注漿鋼管樁單樁的極限承載力標準值依照國家建設行業標準JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》，按斜樁模式進行計算。結合T/SCD A012—2018《自穩式基坑支護結構技術標準》，取安全系數為1.4。根據計算，鋼管樁單樁承載力特征值約為1 000 kN。

1.4 施工工況

1）平整場地，施工SMW工法樁。

2）開挖第一皮土，施工圈梁及前撐注漿鋼管樁。鋼管桿體沉放到位后立即跟蹤注漿，注漿完成后鋼管內填滿20～40 mm級配碎石，并用純水泥漿灌滿。

3）分層分塊開挖坑邊配筋墊層設計寬度范圍內的土方，開挖到底后立即跟蹤施工配筋墊層，當天開挖當天澆筑。前撐注漿鋼管樁穿越外墻和底板區域設置止水鋼板。

4）待配筋墊層達到設計強度的80%，分層分塊開挖基坑中部區域土體至坑底標高，并及時澆筑墊層及底板。

5）視實際變形情況，可拆除或保留前撐注漿鋼管樁，施工地下結構至±0 m。

6）基坑回填后割除地下室外墻內、外前撐鋼管。

1.5 施工要點

1）注漿施工。鋼管端部設置注漿段，鋼管底端封閉。注漿段結合工藝要求布置出漿孔，孔徑8～10 mm。注漿工藝采用分段＋約束式注漿工藝，每根鋼管設置2～3個約束體，針對各約束體分段定點實施注漿作業，注漿流量控制在20～40 L/min，注漿最終完成的標準以單根樁水泥用量或最終注漿壓力控制：單根鋼管注漿水泥用量不小于5.0 t，或最終注漿壓力1.5～2.0 MPa；注漿完成后鋼管內填滿20～40 mm級配碎石，并用水泥漿液填滿。

2）靜載荷試驗。注漿完成后3周，應進行注漿鋼管樁靜載荷試驗確定單樁承載力。試驗沿注漿鋼管樁軸向方向加載，設計最大加載量1 200 kN。加載應分多級進行，且應采用逐級等量加載，卸載應分級進行，逐級等量卸載。變形按總沉降量30～50 mm控制。

3）土方開挖。采用島式挖土結合配筋墊層，先挖除坑邊配筋墊層設計寬度的土方，開挖到底后應立即跟蹤施工配筋墊層，當天開挖當天澆筑，配筋墊層養護完成后再挖除中部土方。基坑分段開挖長度應控制在20 m以內，配筋墊層一端應澆筑至圍護樁邊，另一端從注漿鋼管入土點外延不小于2.0 m；配筋墊層應采用雙向環形抱箍鋼筋與前撐注漿鋼管滿焊連接。

4）注漿鋼管拆除。注漿鋼管拆除應在相應區域基礎底板及傳力帶形成并達到強度后，經設計復核滿足周邊環境保護要求后進行拆除或間隔拆除。

2 實施效果

目前，該基坑基礎底板已經澆筑完畢，正在施工地下結構。與原來的鋼管斜拋撐方案相比，由于無須預先分塊施工坑內底板，節省混凝土養護時間，也無須二次開挖坑邊土方，施工坑邊底板，大大節省了工期。底板澆筑完成時間比原定計劃提前了45 d。

根據監測資料，從基坑開挖到基礎底板施工完成，圍護墻頂最大水平位移為40 mm，周邊地表最大沉降為8 mm，東側燃氣管線最大沉降7 mm，西側污水管線最大沉降6 mm，圍護墻及周邊環境各項監測數據均在合理、可控的范圍之內。

從現有監測資料來看，局部區域圍護墻頂水平位移較大，究其原因，是坑邊土方開挖到底后未及時澆筑配筋墊層導致，故施工時應限時完成配筋墊層澆筑。

3 結語

前撐注漿鋼管樁為基坑面積較大而基坑深度不大的基坑圍護結構提供了一種新的選擇。與鋼管斜拋撐相比，由于無須預先分塊施工坑內底板，也無須二次開挖坑邊土方和施工坑邊底板，前撐注漿鋼管樁大大節省了施工工期。

目前，前撐注漿鋼管樁一般適用于深度較淺的基坑，而對于深度較深的基坑，如地下2層或地下3層，前撐注漿鋼管樁是否適用還有待進一步研究。