型钢斜支撑组合支护技术在深基坑工程中的应用

［摘要］通过对双排桩门架式支护结构、预应力锚索及型钢斜支撑3 种支护技术的分析以及在具体深基坑工程中的实践应用表明，这种组合支护体系具有实践意义。对型钢斜支撑技术在实际应用中存在的一些问题和节点处理措施进行了阐述。监测分析结果表明，该支护体系达到了预期效果。
［关键词］地下工程; 深基坑; 支护; 双排桩; 锚索; 施工技术
［中图分类号］TU753 ［文献标识码］A ［文章编号］1002-8498( 2014) 07-0018-04
深基坑支护施工是大型和高层建筑施工中极为重要的环节，设计和施工必须选择技术可行、造价合理的围护结构方案，以确保基坑周围及基坑围护体系的安全和施工进度。本文通过介绍某深基坑工程使用双排桩门架式支护结构、预应力锚索及型钢斜支撑3 种支护组合体系的应用，为今后类似工程提供借鉴。
1· 工程概况
太原市某大型城市综合体建筑B 区包括17 栋高层建筑物，建筑物分别为26，33，34 层高层住宅;33 层高层公寓，12 层办公楼，裙楼为2 ～ 5 层商业区，3层幼儿园，4～ 5 层小学教学楼。剪力墙结构、筏板基础，基础埋深按16. 5m 考虑。B 区基坑长约420. 4m，宽约288m，周长1 593m，面积约107 200m2，基坑开挖深度约16m，基底绝对标高765. 500m，基坑工程安全等级为一级。
由于该工程规模庞大，周边环境和地质条件复杂，所采用的基坑支护形式也多样，现仅就该工程基坑东侧靠近11 层建筑的局部基坑支护形式进行分析。该建筑最高11 层，地下1 层，框架结构，筏板基础，离基坑边距离为15m 左右，底板垫层底标高－ 6. 200m，采用水泥粉喷桩复合地基，有效桩长8. 0m。
2· 场地工程地质条件
拟建场地地形开阔平坦，勘探期间测得各勘探点地面绝对高程779. 260 ～ 782. 810m，最大高差约3. 55m，场地西高东低。拟建场地地貌单元为汾河东岸Ⅰ级阶地。根据本次勘察揭露的地层情况，结合区域资料综合分析，场地地基土按沉积时代及成因类型自上而下依次为: 第四系全新统人工堆积物以杂填土的层底为界，第四系全新统中、早期河流相冲洪积层以第④层粉土的层底为界，第四系上更新统河流相冲洪积层以第⑩层中砂层底为界，本次勘察未揭穿该层。土层物理力学指标如表1所示。

拟建场地地下水混合稳定水位埋深为2. 10 ～5. 20m，绝对高程介于777. 020 ～ 778. 120m，地下水混合稳定水位埋深平均值3. 4m，首层稳定水位基本与混合水位相同，第2 层稳定水位5. 00 ～ 7. 50m，第3 层稳定水位11. 80 ～ 14. 00m。水位变幅为1. 00m左右，本次勘察处于枯水期。地下水类型: 上部首层地下水为孔隙潜水，首层以下均为承压水。地下水由东向西径流，主要受大气降水、汾河及侧向径流补给，主要排泄方式有: 生产及生活用水、大气蒸发、向汾河径流排泄及侧向径流排泄。
3· 支护结构与止水帷幕
3. 1 支护结构
采用双排灌注桩+ 锚索+ 斜撑支护，灌注桩直径900mm，前排桩桩距1. 5m，后排桩桩距3. 0m，排距2m，桩顶标高－4. 700m，桩底标高－ 29. 000m，有效桩长24. 3m; 锚索位于－4. 000m，钻孔直径150mm，采用3 根?15. 2mm 1860 级钢绞线，锚索长度为21m，水平间距1. 5m，与水平面夹角60°，锚索抗拔力设计值≥190kN，锚索和冠梁锚固。前、后排桩的冠梁尺寸1 000mm ×700mm，前、后排桩用1 000mm × 700mm 连梁连接，冠梁、连梁顶标高－ 4. 000m; 斜撑采用HW400 × 400 × 13 × 21，间距3. 0m，标高－12. 000m。支持结构具体布置如图1所示。

3. 2 止水帷幕
采用三轴深层水泥搅拌桩止水帷幕，东、南、北采用单排桩布置，西面采用双排桩布置，桩径为850mm，桩间距600mm，止水帷幕顶标高为－3. 000m，桩底部标高为－27. 000m; 深层水泥搅拌桩止水帷幕施工结束2 周后，采用现场抽水试验检验止水帷幕的隔水效果及帷幕底绕流量，根据抽水试验结果确定是否采用三管高压摆喷接长止水帷幕。
4 ·支护方案分析
本支护方案的出发点是尽量减小基坑开挖对周边建筑及环境的影响，对于基坑上部－ 4. 000m 以上部位的土体尽量卸载，基坑壁的抗侧力结构以双排桩门架式支护结构为主体，加1 道预应力锚索和型钢斜支撑为辅助，3种支护措施有机结合，使得整个支护体系在确保基坑整体稳定安全的基础上，对基坑的位移变形以及周边建筑和环境的变形影响也起到了很好的控制作用，同时也兼顾了经济性，以下对方案中所采取的各种措施分别进行讨论。
4. 1 上部卸载
尽量减小荷载是基坑支护的原则之一，所以应尽最大可能对上部土体进行卸载，根据场地条件，现场可以卸载的水平宽度为8. 5m，综合考虑，卸载深度到－ 4. 000m，这样通过土体的卸载，可以减小上部荷载达467kN/m，为节约支护费用起到了一定作用。卸载形成的土坡采用土钉墙进行加固。
4. 2 双排桩门架式支护结构的应用
4. 2. 1 支护桩型
对于深度16m 左右的超大型深基坑支护来说，由于基坑面积和长、宽尺寸过大，采用内支撑不经济也不可行，一般措施为采用单排混凝土灌注桩加多排预应力锚索，但对于本工程所讨论的局部范围情况来说，由于紧邻需要保护的建筑物，建筑物外侧即为市政主干道，有各种管线设施，对于基坑的水平和垂直变形都非常敏感，所以单从控制侧移变形的角度来说，双排桩加连梁形成门架结构，相对于单排桩来说，对于基坑的抗变形能力要好很多，另外，使用单排桩需要配合多排预应力锚索，形成桩锚体系才能更好地发挥作用，但预应力锚索的长度一般要超过20m，锚索会穿至既有建筑物地基内，而锚索的施工过程和应力作用会导致地基的沉降变形，进而影响建筑物的功能和安全，所以应尽量避免或减少使用双排桩加连梁形成门架结构，由于其自身的侧向刚度较大，可以在一定程度上减少锚索的使用量。所以从定性的角度考虑，使用双排桩门架式支护结构更合适。
4. 2. 2 双排桩布置参数
双排桩前后排间距会对前、后排桩的受力和变形有较大影响，排距大时前排桩的受力会变小，不利于两排桩的平衡受力和共同发挥作用，而排距太小时形不成门架结构，会减小支护体系的抗侧移刚度，所以适当的排距是双排桩布置的关键。根据相关文献和研究成果，双排桩的间距在2 倍桩径左右时，其协调受力作用效果较好，所以确定排距为2m( 桩径为900mm) 。
通过计算，确定前排桩桩距为1. 5m，后排桩桩距为3m。前、后排桩由连梁连接组成一个门架结构，而前、后排桩分别由冠梁连接为一个整体。前、后排桩的冠梁采用1 000mm × 700mm，前、后排桩用1 000mm × 700mm 连梁连接，冠梁、连梁顶标高－ 4. 000m。
4. 2. 3 预应力锚索
经验算，采取卸载参数和采用双排桩门架式支护结构以后，仍不能满足抗变形控制要求，需要采取其他辅助措施来控制支护结构的变形和影响范围内的土体变形，增加预应力锚索对控制支护结构的变形很有必要，但如何能避免和减小由于其穿越到建筑物地基而形成的附加沉降是一个问题。经过研究，本方案中采用了增大预应力锚索的入射角度，使其应力传递到地层的更深层，在水平方向上位于建筑物的外侧，影响范围基本避开了建筑物区域，对建筑物的附加沉降影响大为减小。
布置1 排锚索于桩顶的冠梁上，直径150mm，采用3 根?15. 2mm 1860 级钢绞线，锚索长度为21m，水平间距1. 5m，与水平面夹角60°，锚索抗拔力设计值≥190kN。
4. 2. 4 型钢斜支撑的应用
预应力锚索布置不便，采取了增大入射角度等措施，尽管可以减小对附近建筑物的影响，但另一方面，其在水平方向上的拉力也大打折扣，效率降低，成本加大，且锚索的施工周期长、成本较高，所以应尽量减少其使用数量，寻找一个能替代预应力锚索的经济实用的抗侧力手段或方法。
根据型钢内支撑和斜柱顶撑的原理，结合二者的优点，根据本工程的具体情况，采用一种型钢斜支撑的方法来替代多排预应力锚索，具体方法为基坑挖土时，基坑侧壁周围在靠近坑底的一定区域和高度范围内预留一个土台，先不挖，作为平衡侧压力之用，待内侧的建筑基础底板完成后，再以已浇筑并具有一定强度的建筑基础底板作为后支点，设型钢斜支撑支顶到基坑支护桩上，然后再将预留土台挖除，进行周圈基础底板和上部结构的施工，待基础底板( 或其上一层的结构，具体视斜撑的支顶高度而定) 具有一定的强度并完成换撑构造后，即可拆除型钢斜支撑。
由于采用了型钢斜向支撑，可以节省2 ～ 3 排预应力锚索，解决了预应力锚索伸到已有建筑地基下部和超出规划红线而影响周边环境的难题，同时型钢可以回收再利用，成本大为降低，为该超大型项目的顺利进展提供了技术保障，对该项目而言，具有重大的现实意义和经济效益，是本综合支护方案的核心亮点之一。
5· 型钢斜支撑应用中的一些问题
5. 1 型钢斜支撑的设置需与土方开挖工况相配合
整个支护体系施工工艺应密切配合，土方开挖按自上而下分层进行，每层由中间向两侧开挖，分段、分层对土体进行开挖、支护，保证每层土方开挖厚度满足支护施工需要。每步开挖预留土台，利用预留平台控制基坑土体位移，保证基坑稳定，待锚索张拉锁定达到设计要求后，进行下步施工。
5. 2 坡底型钢斜支撑安装与横梁设置
钢支撑安装随土方开挖到设计位置进行，HW400 × 400 × 13 × 21 型钢，间距3. 0m，标高－ 12. 000m，斜撑支撑力设计值为1 500kN，在斜支撑距基坑边约12m 沿基坑方向通长布置，斜撑布置位置CAD 测量放样，避开基础纵梁、横梁及后浇带，保证主撑位置准确。钢支撑就位与连接安装前应搭设安装平台，钢支撑就位后，各分段钢支撑的中心线尽量保持一致，必要时应调整支托位置，钢支撑与腰梁等节点焊接时按设计预留焊缝，如图2所示。

用HW400 × 400 × 13 × 21 制作撑帽，长2m，横梁内侧每隔400mm 采用12mm 预先裁定的钢板制作成竖向加劲肋，横梁与主杆的H 型钢采用［32b和上部加劲肋焊接连接，以增强整体性。横梁与混凝土灌注桩空隙处浇筑C40 细石混凝土，在灌注桩植入?25 钢筋，伸出桩体150mm，保证传递层有足够的刚度，保证基坑上部竖向围护结构荷载有效传递。
5. 3 型钢斜支撑混凝土反力支座
底板浇筑混凝土时，安放预埋件底座，型钢斜撑底部安放在预埋底座上，待底部钢垫板与预埋件可靠焊接后，在底部钢垫板后浇筑反力支座。反力支座支撑在结构基础梁上，保证荷载有效传递，在反力支座中植入钢筋，梅花形布置，钢筋插入基础筏板500mm，起到传递连接作用，防止支撑反力墩受力时与基础筏板空隙处挠曲变形。
5. 4 预留土台注浆加固
基底采用注浆加固基坑内部土体，注浆从基底下1m 开始注浆，基底以下注浆采用袖阀管注浆工艺，基底以上采用软管连接，每500mm 设3 个出浆孔，孔径10mm，基底以上软管无出浆管。基底以下采用直径≤20mm 的碎石进行填充，基底以上软管周边采用黏土封堵，进行压力注浆，注浆孔施工分一期孔、二期孔、三期孔，每期孔间隔时间不超过48h，避免造成土体软化。
6 ·监测
为了保证周边建筑物、道路、地下管线及支护结构本身的安全，在基坑开挖期间设置监测点，基坑边地面设位移观测点，对周边30m 范围内建筑物、道路和重要管线进行沉降和水平位移监测。监测由建设单位委托有资质的监测单位，基坑监测从基坑开挖开始，至基坑回填结束。
6. 1 位移监测及报警值
1) 基坑顶部水平与竖向位移监测
基坑顶部的水平和竖向位移监测点应沿基坑周边布置，周边中部应布置监测点。监测点水平间距不宜大于20m，每边监测点数目不宜少于10 个。基坑边坡上有建筑物部位灌注桩顶部水平位移≤25mm，其他部位≤30mm，灌注桩的顶部竖向位移不超过10 ～ 20mm。
2) 深层水平位移监测
灌注桩深层水平位移监测点宜布置在基坑周边的中部、阳角处及有代表性的部位。监测点水平间距宜为20 ～ 50m，每边监测点数目不应少于4 个，灌注桩深层水平位移不超过45 ～ 50mm。
3) 周围建筑物变形监测及地面沉降监测
建筑物墙体位移不超过3‰，地面沉降在有建筑物的地方不超过20 ～ 30mm，没有建筑物的地方不超过50mm。
6. 2 锚头拉力监测
采用应力传感器对选定的锚索锚头拉力进行监测，数量视具体情况而定。
6. 3 地下水位监测
地下水位累计变化值不超过1 000mm，变化速率＜ 500mm/d。
6. 4 监测结果
基坑顶部最大水平位移38. 5mm，竖向位移20. 3mm; 附近11 层建筑物最大沉降39. 4mm，无建筑物处地表最大沉降72. 5mm。监测的最大值基本均超过报警值，但经专家综合评估，变形速率尚属均匀稳定，经后期加大观测频率监测，后期变形发展已趋收敛，尚未对建筑物的结构安全和功能形成实质性影响，基本达到预期效果。
7 ·结语
本工程的深基坑采用了双排桩及预应力锚索和型钢斜顶支撑的综合支护技术，有效保证了基坑及周边建筑和环境的安全，基本达到了预期效果，尤其是型钢斜支撑技术的应用，降低了工程造价，加快了工程进度，支护体系整体取得了良好的经济和社会效益，为今后类似工程基坑支护体系的设计和施工提供参考和借鉴。