復雜地質條件下樁支撐體系在綜合管廊深基坑施工中的應用

楊洪镅

（山西誠信市政建設有限公司， 太原 030008）

1 引言

隨著城市建設的迅猛發展，城市中心區土地資源稀缺，需要在有限的土地面積上充分利用地下空間，使得深基坑工程越來越多，并表現出很強的復雜性和獨特性。通過多項工程實踐研究表明，卸荷狀態下土體的工程性質與加荷狀態下有很大差異[1,2]。大量的深基坑工程實踐表明，影響基坑安全的因素主要集中在設計缺陷和施工質量等方面。

在山西省太原市晉源東區綜合管廊十字交叉口深基坑工程實踐中，采用卸荷應力路徑下的土體參數，實測活絡接頭剛度系數，進行樁支撐體系設計計算，施工過程統籌優化設計、土方開挖工況，避免最不利工況出現，并通過現場監測，驗證設計成果和應用效果，為綜合管廊及類似深基坑工程的設計、施工提供借鑒。

2 工程概況

山西省太原市晉源東區綜合管廊緯三路段長約3.1 km，標準斷面采用5倉形式，分別為污水倉、電力倉、綜合倉、燃氣倉和雨水倉，管廊凈高6.8 m，位于道路下方，道路寬30 m，道路兩側分布有住宅小區、學校、民房建筑等。本工程為綜合管廊十字交叉口基坑，該范圍基坑深度12.7 m，基坑南側為6層住宅樓，磚混結構，筏板基礎，天然地基，基礎埋深6.8 m，基礎邊緣距管廊外墻3.5 m。

3 工程地質及水文地質

建筑場地位于汾河西岸Ⅰ級階地，該場地地下水埋深1.5～2.0 m。各土層的分布及特征如表1所示。

表1 土層的分布及特征表

4 支護設計

該基坑開挖范圍土層強度低、壓縮性高、地基承載力低。交叉口西南部6層磚混住宅采用天然地基，抗變形能力弱，且地下水位高。為控制基坑變形，用排樁結合內支撐體系進行基坑支護，止水帷幕采用深層攪拌樁，坑內采用管井降水。

4.1 支護設計方案

排樁采用鋼筋混凝土灌注樁，樁徑900 mm，樁間距1.3 m，嵌固深度13 m，混凝土強度等級C30。基坑內側設3道支撐。為控制基坑位移，第一道支撐采用鋼筋混凝土支撐，其他為鋼管支撐。（1）鋼筋混凝土支撐為矩形截面800 mm×800 mm，兩端設八字撐，與冠梁相連。（2）鋼管支撐選用φ609 mm@16 mm、Q235B，支撐間距為4.0 m。通過鋼圍檁與排樁相接。

4.2 支護設計計算

4.2.1 土工試驗參數

對于支撐式結構，常將整個結構分解為擋土結構、內支撐結構進行分析。擋土結構采用平面桿系結構彈性支點法進行分析，內支撐結構按平面結構進行分析[3]。

采用彈性支點法時，作用在支撐結構上的土壓力主要取決于各層土的黏聚力和內摩擦角。基坑開挖時，土體卸荷并引起剪切變形，隨變形增大進入主動或被動極限平衡狀態是一個動態卸荷的過程，該過程應隨開挖深度的增加而逐步產生。土體的力學性質受其應力數據、應力路徑影響較大。墻后土體的應力路徑接近于減壓的三軸壓縮試驗，此時豎向應力為主應力σ1，并在試驗過程中保持為常數。而側向應力σ3逐步減少，直到達到極限應力狀態。

常用的摩爾應力圖中，每個試樣三軸壓縮的全過程可用一系列的摩爾圓反映應力的變化，剪切破壞面與大主應力作用面之間夾角為45°+φ/2，由每個摩爾圓上相應位置確定該破壞面上的應力狀態，利用繪圖方法得到常規三軸壓縮試驗中剪切破壞面的應力路徑。按照卸載應力路徑，通過室內試驗得到現場各土層的參數見表2。

表2 土層物理力學指標

4.2.2 彈性支點剛度系數

對水平支撐，當支撐腰梁的撓度忽略不計時，彈性支點剛度系數kR按下式計算：

式中，λ為支撐不動點調整系數，λ=0.5；支撐兩對邊基坑的土性、深度、周邊荷載等條件或開挖時間有差異時，對土壓力較大或先開挖的一側，取λ=0.5～1.0；αR為支撐松弛系數，對混凝土支撐和預加軸向壓力的鋼支撐，取αR=1.0；E為支撐材料的彈性模量，kPa；A為支撐截面面積，m2；l0為受壓支撐構件的長度，m。

本工程采用φ609 mm@16 mm鋼管支撐，經計算kR=374.55 MN/m。

目前，鋼管內支撐體系大多數由多段法蘭連接的鋼管和活絡接頭組成，活絡接頭與圍檁相連，另一端通過法蘭盤與鋼管連接。活絡端起到施加軸力、傳遞荷載的作用。活絡接頭是整個鋼管內支撐體系的一個重要組成部分，實際工程中活絡接頭多采用市場租賃形式，當鋼管支撐與活絡接頭共同作用時，未必能夠達到“等強度、等剛度”。

現場隨機抽取3個活絡接頭，利用錨樁反力裝置分級加載，利用位移傳感器監測變形。彈性變形階段的剛度系數kR=235～258 MN/m。，設計計算時取為200 MN/m。

4.3 基坑陽角的處理

基坑陽角是變形控制的不利位置，若在設計中考慮不周，極易造成整個基坑體系失效。本基坑采取下列措施對陽角處進行處理[4]：（1）支護樁外側補強加固；（2）在陽角的兩條直角邊分別設置對撐將其頂牢；（3）設置鋼筋混凝土拉梁。

4.4 基坑土方開挖順序

本基坑為十字交叉基坑，周邊建筑物距離近，抵抗變形能力差，基坑陽角多，受力復雜，易發生破壞，為提高基坑工程的安全儲備，控制基坑支護體系的變形，需統籌安排設計、土方開挖工況，分區域、分階段實施土方開挖，避免最不利工況的出現。

5 基坑監測結果

根據文獻[5]選取適當的基坑監測內容，通過監測數據分析基坑開挖過程中基坑變形性狀及基坑開挖過程中南側住宅樓的變形。選取該基坑監測內容如下：基坑頂部位移，樁身深層側向位移，南側住宅樓沉降、鋼支撐軸力發展變化情況。

5.1 基坑頂部水平位移

取基坑南側樁頂水平位移監測數據，通過基坑頂部水平位移變化可以看出基坑頂部水平位移在5～10 mm，主要是因為基坑頂部為鋼筋混凝土支撐，限制了支護樁頂部位移。

以本施工6層樓樓房北側及東側為例，支護樁中布設有側斜管，通過測斜儀監測支護樁的深層水平位移，見圖1、圖2。

圖1 水平位移-深度關系曲線（6層樓東側)

從圖1和圖2中可以看出，隨著基坑開挖深度的增加，樁體水平位移逐漸增大，最大水平位移位置也隨基坑開挖的下降而逐漸下降。樁體水平位移最大值為24.54 mm。

5.2 基坑南側住宅樓沉降

基坑開挖期間，基坑南側住宅樓沉降量不斷增加，累沉降量為11.81～21.14 mm。樓房北側沉降量大于南側沉降量，樓房東側沉降量大于西側沉降量。南北向最大傾斜0.42‰，東西向最大局部傾斜0.18‰。均未超過建筑物容許變形值。

5.3 鋼支撐軸力

在鋼支撐一端布設軸力計，監測軸力的變化。隨著基坑開挖深度加大，支撐軸力均有明顯增長，達到1 650 kN。

圖2 水平位移-深度關系曲線(6層樓北側)

6 結論

1）在復雜條件下，在綜合管廊十字交叉基坑工程中采用樁支撐體系，根據項目實際施工效果和環境監測數據，采用樁支撐體系確保了基坑、周邊建筑物及道路的安全，是復雜條件下深大基坑支護的成功應用，為類似工程提供指導。

2）采用卸荷應力路徑下的土體參數，符合土體開挖過程中土的實際應力狀態，實測活絡接頭剛度系數，符合鋼管支撐體系的實際受力工況，消除鋼支撐的安全隱患。

3）統籌優化設計和土方開挖，避免不利工況出現，確保基坑工程的支護安全。

本文中的相關數據均來源于綜合管廊施工實時監測。