自穩定超前斜撐體系的應用與穩定性分析

姚 實

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 311122)

目前排樁加支撐體系主要為水平內撐和支護樁組合的形式,但在基坑跨度較大情況下,常規的水平內支撐方式也無法滿足要求。相對而言,斜撐與支護樁組合的基坑支護形式憑借其可靠性、靈活性及經濟性得到越來越多的應用。

國內目前的傳統斜撐支護需要基礎底板作為底部支撐,即布置斜撐應先施工中間部分底板結構,但基坑周圍復雜的地質條件下,斜撐安裝越晚,對基坑和支護結構的安全越不利;且基礎邊一定范圍需要留置三角土,而這也大大降低了其施工可操作性,而且斜撐周邊剩余三角土機械開挖條件限制多,從而大大限制了斜撐支護的應用。自穩定超前斜撐作為基坑圍護工程中的新型支護方式,相比傳統斜撐支護,它不需要基礎底板作為底部支撐,可以先行施工,在施工過程中,通過調整斜撐角度和剛度,使斜撐自身形成平衡,實現基坑的支撐和固定。

自穩定超前斜撐的施工流程簡便,不依賴于基礎邊留置三角土,因此具有更高的施工可操作性。同時,由于斜撐的自穩定性和調節性,適應了基坑跨度較大的情況,解決了傳統水平內支撐方式無法滿足要求的問題。本文基于工程實例,結合軟件計算和數據分析,論證了自穩定超前斜撐在深度較淺、跨度較大的基坑圍護工程中的應用,為之后的同類工程的設計、施工提供參考。

1 工程概況

1.1 項目概況

本工程位于紹興市越城區塔山街道,延安路以南,環城東路以西,稽山路東側。主要建筑物為6層住宅樓15幢(樓號1號—15號)、配套用房及整體地下室。設1層地下室,地下室面積約24 580 m2,±0.000 m相當于黃海標高6.450 m,現場整平標高按5.2 m計(-1.250 m)。基礎底板面標高-5.500 m,基礎底板厚400 mm,墊層厚150 mm,開挖深度約4.8 m。本工程重要性等級為三級,場地復雜程度等級為二級,地基復雜程度等級為二級。場地土類型屬中軟場地土,基坑底位于淤泥質土層中,坑內作業風險較大。

1.2 工程地質條件

項目場地土層分布從上到下依次為:①1雜填土,層厚0.5 m～2.3 m、②2-1粉質黏土,層厚0 m～2.3 m、③2-2粉質黏土,層厚0.00 m～3.00 m、④3淤泥質黏土,層厚0.8 m～5.9 m、⑤4-1粉質黏土,層厚0.00 m～5.40 m、⑥4-2a粉質黏土,層厚0.00 m～11.50 m、⑦5黏土,層厚0.00 m～14.20 m、⑧6粉質黏土,層厚1.50 m～9.10 m,各土層的物理力學性質指標見表1。

表1 各土層物理力學性質

1.3 基坑支護方案

基坑支護結構形式需綜合考慮工程特點、周圍環境和工程地質條件等因素,才能得到安全可靠、經濟合理、施工方便的基坑支護方案。

根據本工程開挖深度、開挖范圍、地層情況及周圍環境條件,經綜合對比分析采用SMW工法樁加混凝土角撐、SMW工法樁加鋼管斜撐、鉆孔灌注樁加混凝土角撐、鉆孔灌注樁加鋼管斜撐及復合土釘墻的支護方案。由于本工程基坑跨度大,北側臨近居民樓、西側距離車輛行駛道路只有5 m,故基坑西、北兩側采用自穩定超前斜撐體系,如圖1所示。

2 自穩定超前斜撐體系

2.1 自穩定超前斜撐體系概述

自穩定超前斜撐體系是指利用斜撐獨立承臺基礎的獨特形狀,增大其底部與土體的接觸面積,同時對承臺底部及周邊土體進行加固,結合錨入基礎的槽鋼或松木樁等增加承臺支撐能力,最后通過鋼管斜撐連接承臺基礎與圍護樁,從而形成一個獨立自穩定的整體受力體系。本體系克服了傳統斜撐需要基礎底板作為支撐的缺點,可在地下室基坑開挖前通過局部開槽法完成承臺基礎施工及斜撐安裝,超前形成斜撐支護體系,為后續基坑的大面積開挖提供有力條件[1](見圖2,圖3)。

2.2 施工工藝流程

自穩定超前斜撐具體施工工藝流程為:施工前準備→BIM施工模擬→水泥土攪拌樁加固→基礎底座開挖→槽鋼加固→底座支模、鋼筋綁扎、角度調整→基礎混凝土澆筑、養護→斜撐安裝→施加預應力→換撐帶施工→斜撐拆除→施工完成。

2.3 新型斜撐關鍵施工技術

2.3.1 BIM技術施工過程模擬

施工前,采用BIM技術對斜撐安裝全過程進行模擬施工,提前規劃施工場地、施工機械、施工材料、車輛行走路線,達到減少材料浪費、安全施工的目的[2]。通過對模型的查看,發現安裝過程中構件的碰撞和沖突,提前分析和解決,找到合理的優化方案,見圖4。

2.3.2 承臺區域土方開挖

承臺區域采用小范圍盆式開挖的方法,由承臺區域分層分段向四周開挖,直至承臺底部,并對承臺周邊土體進行大放坡。斜撐區域土方開挖至保留的土臺頂面標高處,利用留位的土臺來保證支護結構的穩定,見圖5。

2.3.3 承臺區域土體加固

為提高承臺基礎底部摩阻力和土體的承載力,有效控制承臺基礎在土體中的位移,在承臺范圍內采用φ600@400 mm水泥土攪拌樁對土體進行加固。

承臺范圍土的力學性能較差處將16號槽鋼插入土體,均勻排布。

1)采用16號槽鋼對承臺區域進行加固,槽鋼長度、數量根據實際土質條件確定。

2)將槽鋼固定至設計位置,采用錘擊法將槽鋼打入至規定深度。

3)槽鋼施打順序,宜從中間向四周或兩邊對稱施打。

4)槽鋼的上端向支護樁方向傾斜,傾斜角度為20°～30°。

槽鋼施工完成后如圖6所示。

2.3.4 鋼管斜撐的安裝

1)由于斜撐安裝時存在一定的傾斜角度,斜撐吊裝完成后,其兩端并不能完全與冠梁和底座牛腿上的預埋鋼板面貼合。因此,通過在斜撐與冠梁、斜撐與底座牛腿處焊接鋼板,將斜撐兩端分別與冠梁和底座牛腿進行牢固連接。焊接完成后,對焊縫質量進行檢查,見圖7。

2)斜撐在底座牛腿處設活絡頭,用于施加預應力。當牛腿的強度達到設計強度時,人工用千斤頂將活絡頭頂開,當預應力值達到300 kN～500 kN時,將鋼板放入活絡頭中,即預應力施加完成。千斤頂頂撐見圖8,預應力施加完成見圖9。

3 設計計算及結果分析

采用理正深基坑計算軟件對圍護樁的內力進行計算,運用增量法選取斜撐體系圍護結構最不利的典型剖面進行計算[3]。

1)地面超載值取值:基坑西側為一般區域,地面超載取20 kPa;基坑東、南、北側臨近居民樓或設有堆場,地面超載取30 kPa。

2)地下水位取值:坑內水位取基坑底面以下0.5 m;基坑外側水位深度,地面以下0.8 m。

3)鋼管斜撐的支錨剛度取值:對于鋼管斜撐,采用φ609 mm×12 mm鋼管,Q235B鋼。支錨剛度計算公式如下:

4)材料抗力取值:φ609 mm×12 mm鋼管斜撐,材料抗力為:

T=ξφAfc=4 354.98 kN。

開挖過程中主要考慮以下五類工況:

工況一,土層開挖至冠梁底;工況二,加設鋼管斜撐;工況三,土層開挖至基坑底部;工況四,基坑底部增設鋼性鉸;工況五,拆除鋼管斜撐。

計算結果如圖10—圖12所示。

由典型斜撐剖面計算結果可知:

1)隨著土方開挖深度的增加,鋼管斜撐的軸力也不斷增大,直至趨于穩定。由數據可知,在整個基坑開挖過程中,工況三基坑開挖至坑底時,支撐軸力最大,根據角度換算后,可得鋼管斜撐軸力為498.22 kN。2)工況三時支護結構水平位移最大為5.14 mm,最大水平位移發生在基坑頂面以下4 m左右處。3)根據工況五的數據分析,拆除鋼管斜撐時,支護結構水平位移略有增大,但總體保持穩定。4)整個基坑施工過程中,支護結構水平位移未超過30 mm,滿足支護結構變形控制要求。

4 基坑監測及數據分析

4.1 基坑圍護監測

本工程通過對斜撐體系進行支撐軸力監測和支撐深層土體變形監測,對斜撐體系的穩定性進行分析[4]。

本工程采用振弦式表面應變計和609A型振弦式讀數儀對鋼管斜撐進行軸力監測;在土體中預埋測斜管,通過測斜儀觀測埋深4 m處土體水平位移。

支撐軸力監測數據和埋深4 m處的土體深層水平位移監測數據分別如圖13,圖14所示。

4.2 監測數據分析

目前除東北側,其他區域地下室底板均已澆筑施工完畢,現場施工進度如圖15所示。整個施工過程中,根據監測數據表明在自穩定超前斜撐體系控制下的基坑變形滿足設計規范要求[5]。

1)與理正深基坑軟件計算結果對比,軟件計算的軸力值498.22 kN大于實際測量的軸力最大值428.22 kN。究其原因,一方面由于勘察單位根據經驗對勘察報告中巖土體力學參數進行了折減;另一方面由于現有計算模型對真實條件進行了簡化,為了方便計算,故測量結果與理論值存在一定的差異。

2)隨著基坑向下開挖,支撐軸力、深層土體水平位移的變化趨勢基本相同,都隨著開挖深度的增加而逐漸增大,直至趨于穩定。

3)從基坑開始施工至土方開挖至坑底,土體深層水平位移增長較快但基本不超過1 mm/d,滿足規范要求。土方開挖至坑底至底板澆筑完成拆撐期間,深層土體位移隨時間呈線性增長趨勢且增長平緩,位移最大累計值18.31 mm,未超過50 mm,滿足土體位移要求。

5 結語

目前基坑圍護施工基本完成,總的來說新的施工工藝采用BIM應用技術,確保了鋼管支撐的安裝精度,避免了不必要的浪費。科學的支撐方式,用超前自穩定斜撐的支護形式,能更有效控制圍護變形,對比混凝土對撐節省施工成本約50%以上。精確的測量,所有構件基本一次成型,減少了不必要二次返工的費用。獨立的承臺基礎,可在地下室土方開挖前完成支護,對比混凝土對撐節省工期約1個月。

通過對自穩定超前斜撐體系的數值模擬、實際監測結果以及施工全過程應用的分析,得出以下結論:

1)理正單元計算的準確性還有待提高,但反映的變化趨勢基本符合現場實際情況,故可用來指導施工。2)工程實踐表明自穩定超前斜撐體系能適用于深度為4 m～7 m、跨度較大、基坑周邊環境復雜的大面積基坑工程,且能有效加快施工進度,節約施工成本。3)采用斜撐體系超前支設的方式,解決了傳統斜撐需在部分底板澆筑完成后才能進行斜撐安裝的缺點,大大的提高了基坑和支護結構的安全穩定。4)鋼管斜撐拼裝方便,投入使用快,鋼管斜撐采用可調節活絡頭+不同規格尺寸的支撐體系,對場地要求較低,可滿足內支撐不同長度的需求,安拆及運輸便捷,拆卸后可重復利用,周轉率較高。5)埋入土中的承臺基礎的未采用長方體的結構形式,而是采用近似楔形的截面形式,這樣有助于增大土體與承臺底面的摩擦面積,提高斜撐體系整體的承載能力。6)承臺下部,設置一定數量傾斜的槽鋼,極大的提高了斜撐體系的承載能力和穩定性。7)在整個施工過程中,鋼管斜撐的軸力并未達到預計算的最大值,且土體的位移符合設計監測的標準且無任何異常情況出現。這些觀察結果表明,當前的超前斜撐體系仍具有額外的受力容量,這就為我們提供了可能性,即通過調整斜撐的角度,可以實現更優化的受力形態。