雙排樁結構在有限空間的基坑支護中實施對策研究

黃書葵

深圳市赤灣商業發展有限公司 廣東 深圳 518000

21世紀后進行大規模高層建筑建設，使得巖土工程快速發展。由于城市人口密度加大，迫切需要合理開發地下空間。目前各大城市興建各類地下商場等，工程建設會遇到深基坑設計問題。隨著超高層建筑的建設，基坑規模向更大面積方向發展。我國開始在深基坑中使用雙排樁支護結構，雙排樁支護結構是將密集的單排懸臂樁中部分樁向后移，沿深基坑長度方向形成類似門架空間結構體系，發揮空間組合樁的整體剛度效應。支檔因開挖引起不平衡力，達到控制變形的目的。具有整體剛度大、不需加設內支撐、施工便捷等特點，適用于基坑空間較大的工程項目。

1.基坑工程概述

建筑工程發展隨著科技的進步不斷發展，在建筑形式上趨于復雜化，表現為城市高層建筑大量興起、地下鐵路增多、建筑集中于人口密度較大的市中心，在基坑平面外無足夠空間保證工程放坡[1]。因此建筑工程需要設計大規模支護系統，工程中普遍采用的支護結構為深基坑支護結構。深基坑支護工程涉及工程結構與巖土力學等方面課題，針對基坑工程地區特點較強、施工技術較嚴的特點，施工中應確保做到安全可靠。

基坑工程是具有時代特點的巖土工程課題，涉及土力學中典型的強度和穩定問題，人類土木工程頻繁活動促進基坑工程的發展。隨著西方國家大量高層建筑的大量涌現，對基坑工程要求不斷提高，迫使工程技術人員從新的角度審視基坑工程課題，使得許多新的理論方法得以出現。二戰后歐美發達國家在工業化進程推動下，為修建城市地鐵出現大量基坑工程。世界各國學者投入研究[2]。我國基坑工程起步較晚，改革開放初期高層建筑不斷涌現，基坑開挖深度不斷增加，多數城市進入舊城改造階段，深基坑開挖為基坑工程課題注入了新的內容。

由于基坑工程復雜性，基坑工程發生事故概率很高。許多支護結構內力高于設計值，很多工程發生事故，主要對支護結構與地基相互作用問題認識不夠。要求用完善的理論解決基坑支護工程中的問題，任何工程方面的課題發展是理論與實踐結合促進的成果。基坑工程出現新的支護形式會帶動新的分析方法產生。放坡開挖可追溯至遠古時代，隨著開挖深度增加，產生支護開挖。支護型式的發展有很多種，最早的基坑支護方法是放坡開挖，隨后發展輕型支檔結構，如錨桿支護、地下連續墻等多種支護型式。放坡開挖土方量大，很多建筑基坑采用放坡開挖[3]。支護結構原材料常用的有鋼混樁，通過加固改良周圍土地方法的水泥土擋墻等。鋼混樁分為鉆孔灌注樁、預制樁等。

2.雙排樁支護結構簡介

懸臂支護結構是基坑支護常見的形式。常用的有板樁墻等，將板樁墻等間隔排列形成擋土結構，嵌入土體部分提供抗力平衡基坑側壁對支護結構施加的壓力。由于施工簡單，從經濟性、作業性方面分析為較好的支護結構類型。適用于軟土地區基坑深度不大于5m，地下水位較深地區基坑深度不大于10m。由于樁頂水平位移，隨著基坑開挖深度增加，解決問題方法是對懸臂樁墻加設支撐，雙排樁支護是有效技術手段。

雙排樁支護結構是空間組合懸臂支護結構，在深基坑工程中得到廣泛應用。將密集的單排懸臂樁中間部分樁后移，形成雙排支護空間結構體系。適用于基坑側壁安全一、二、三等級，位移較小可用于深基坑[4]。雙排樁支護結構體系在基坑工程中應用始于80年代末，目前已有不少計算模型，主要根據經典土壓力理論確定壓力計算模型，用平面有限元法計算模型，雙排樁支護結構體系研究體現在工程上的優越性。目前工程中常用的分析方法是運用極限平衡法，由于有些假定條件不符合實際，其缺點逐漸暴露。土抗力法復雜度居中，目前技術規程推薦M法，考慮支護結構與土體相互作用的影響，理論上比極限平衡法更合理。缺點是無法考慮土體本構特性。

雙排樁支護結構體系為懸臂類空間組合支護，支護樁按需要采用不同的排列組合，前后排有連梁拉接，發揮空間組合樁整體剛度，支檔因開挖引起不平衡力，達到控制變形與相鄰 環境安全的目的。雙排支護結構是在樁頂用剛性連系梁把前后排樁連接的空間支護結構，雙排樁支護結構體系特點體現在前后排樁分擔主動土壓力，后排樁兼起支檔作用；充分利用樁土作用土拱效應，增強支護結構穩定性。雙排樁支護結構體系缺點是設計計算方法不夠成熟，基坑周邊需要一定空間。

3.雙排樁支護結構在基坑中的應用

3.1 工程概況

擬建某汽車客運站位于主城區，工程占地面積約50000㎡，基坑約280×130m，局部為六層賓館，結構采用框架結構，基坑局部開挖深度約14m。周邊環境復雜，南側為某軌道交通線。工程主體設計單位要求項目基坑圍護定為永久性支護，基坑安全等級為一級。場地第四系地層厚度不大，地基主要以粘性土為主，地形地貌復雜，水文地質條件復雜，勘察期間地下水位埋深1.65-6m,區段存在不良地質作用，基坑底標高約3-10m。

圖1 工程位置圖

3.2 基坑支護方案

由于基坑開挖面積較大，對地面變形有嚴格支護要求，綜合考慮道路及土層組合等條件，避免基坑開挖對地下管線及相鄰軌道交通的影響非常重要。基坑大面積采用排樁加內支撐支護形式造價高，影響施工進度，難以保證安全性。采用錨樁支護錨桿施工對臨近城軌線有影響。經多方案對比采用混合支護結構形式[5]。西北側BE段采用單排樁+錨索支護形式，采用鉆孔灌注樁進行支護，樁間采用φ500@1400旋噴樁止水，錨索采用7φ5/束預應力鋼絞線。東北側FG段基坑開挖深度為10.45m,前后排樁采用φ1200@1400鉆孔灌注樁19.0m，連梁厚600mm，前后排樁間采用φ500@1400高壓旋噴水泥土樁止水。在排樁間部分區段加設高壓旋噴樁加固。

基坑開挖深度較大，基坑西側有規劃建設地鐵線限制范圍，三面支護特殊場地條件使得基坑設計條件復雜。項目主體設計單位要求地下室不能承擔基坑側壁回填土傳遞土壓力。南側AM緊鄰火車站，基坑設計受環境限制，MA基坑段開挖深度為10.45m,前后排樁采用φ1200@1400鉆孔灌注樁19m,連梁厚500m，前后排樁間采用φ700@1400旋噴水泥土樁止水，后排樁長為18m,坑內側加設高壓旋噴樁加固。

雙排樁結構設計計算復雜，土壓力難以確定，雙排樁門架式支護結構需要考慮前后排樁整體抗力性能，樁間連梁作用，考慮支護中發揮的作用。目前普遍的雙排樁計算模型是基于室內模型實驗的平面架鋼模型。假定將前后排樁與樁頂連梁視為底端嵌固，基坑開挖后連梁不產生轉動，前后排樁在連梁標高處水平位移相等。

主動土壓力可假定作用于后排樁，應用較多的矩形排列情況，前排樁主動土壓力Eaf=△σa=ασa,后排樁主動土壓力Eab=（1-α）σa.根據前后排樁滑動土體占樁后土體總量體積比例關系確定側土壓力，α=2L/L0-(L/L0）2，φ為土摩擦角，L為雙排樁外側排距；L0=Htan(45°-φ/2),H為基坑深度。將雙排樁假定為鋼架，對前后排樁彎矩計算，依據基坑支護技術規程，內力采用增量法計算。抗傾覆穩定性驗算依據《建筑基坑支護技術規程》按單排樁考慮，計算結果滿足要求。

3.3 監測結果分析

為保證施工安全性，確保緊鄰軌道交通線與周邊建筑安全，采用信息化施工監測。監測內容包括：深層土體側向位移；支護結構樁釘水平位移；基坑周邊地表沉降。分析BE段樁頂水平位移隨時間變化曲線，基坑北側樁錨段D3測點累計水平位移量最大，次最大點水平位移值為24.3mm，D43為AM段基坑較長邊中間處冠梁水平位移，最大值為14.1mm，小于理論分析極限平衡狀態位移值。土方開挖中樁頂水平位移變化隨深度加大。水平位移累計變化量持續增加，樁頂水平位移曲線趨于穩定，呈現變化速率前快后慢。

比較樁錨段與雙排樁支護段樁頂水平位移最大值小于單排樁最大水平位移值，為同條件下樁錨段樁頂最大位移變形值的55%，原因是單排懸臂樁增設錨索支護形式，依靠樁體嵌入基坑土深度承擔樁后土壓力，樁頂與樁身變形較大。雙排樁頂水平位移較小，保持坑壁穩定，滿足相鄰施工環境安全。分析樁錨支護段CX3支護樁側向位移情況，最大側向位移值為40.9mm，支護結構底部位置側向位移為0。土方進行開挖中樁體側向位移增大，土方開挖至基坑底部，側向位移變化速率減小，表明底板澆筑后樁體側向位移得到控制。分析前后排樁距4m處不同時刻樁間土側向位移變化曲線，位移曲線呈向坑內拋物線形狀。隨著土方開挖支護結構件土體側向位移呈較大向坑內變化趨勢，受到開挖方式等因素影響，樁體底部位置向坑外發展趨勢。

結語

目前工程完成主體地下室施工。支護樁頂水平位移隨基坑土體開挖增大，呈現明顯拋物線型階梯狀變化。雙排樁支護段樁頂水平位移較小，樁錨支護結構樁身側向位移隨開挖深度增加，曲線變化規律呈鼓肚型。雙排樁支護結構整體側向位移較小，曲線變化規律呈開口向上拋物線形狀。監測結果表明該支護結構對施工場地周邊環境限制的工程能滿足要求。隨著雙排樁前后樁排距增加，不同排距轉交處樁間土側向位移值小于不同排距發生側向變形。由于對支護結構受力機理理論研究不成熟，計算模型存在較大差異，施工中加強現場監測非常重要。