郭維衛(wèi)

福建勘察基礎工程公司

微型鋼管樁在特殊基坑（槽）中的支護應用

郭維衛(wèi)

福建勘察基礎工程公司

以微型鋼管樁在支護空間受限、復雜工程地質(zhì)條件工況下基坑支護實例中的應用為研究對象，采用等剛度代換原則將微型鋼管樁轉換為混凝土排樁、地下連續(xù)墻等模型進行受力、變形分析，通過比較模型計算得出的各項安全系數(shù)、最大位移、最大剪應力以及最大彎矩等參數(shù)判斷微型鋼管樁以及微型鋼管樁與其他支護手段同時作用的支護效果。由工程實例分析表明：微型鋼管樁與內(nèi)支撐構件的聯(lián)合應用在支護空間受限，施工場地狹小的基坑中凸顯優(yōu)勢；在易出現(xiàn)流砂的基坑中，微型鋼管樁與高壓旋噴樁的結合應用不僅能起著支護的作用，同時能對基坑周圍水體形成有效的止水作用。微型鋼管樁注漿工藝對周圍土體形成了二次壓密和加固作用，可進一步提高基坑坡體的整體穩(wěn)定性。

微型鋼管樁；特殊基坑；等剛度代換；受力變形

1 引言

微型鋼管樁是指樁徑為70～300mm，長細比大于30的一種通長鋼管樁[]，其通常采用鉆孔或震動貫入土體中。隨著城市建設的發(fā)展，建（構）筑物越來越密集，基坑開挖支護空間、作業(yè)平臺越來越小，土釘墻、大直徑灌注樁等支護方式的應用受到了很大限制，而鋼管樁作為一種“微型”支護樁，其施工平臺小、施工快速、方便等優(yōu)點受到了工程人員的青睞。隨著微型鋼管樁工程應用的推廣，對微型鋼管樁的改進、以及同其他支護手段的聯(lián)合應用很大程度地改善了微型鋼管樁抗彎剛度小、抗剪性能差等問題。

國內(nèi)諸多學者已對微型鋼管樁在基坑中的應用做出了一系列的研究，劉敬[2]將微型鋼管樁群、錨索框架橫梁以及掛網(wǎng)噴錨結構聯(lián)合應用于某已治理滑坡體下高建筑深基坑中，通過施工監(jiān)測結果提出微型鋼管樁穩(wěn)定性良好，技術指標等符合工程設計規(guī)范要求。劉小麗等[3]將微型鋼管樁應用于強風化巖層基坑中，并結合Plaxis2D有限元分析軟件對微型鋼管樁在巖石基坑中的作用機制進行了分析。目前，現(xiàn)有文獻多集中于微型鋼管樁聯(lián)合錨索等支護構件在大型簡單地質(zhì)條件基坑中的應用，對于復雜工程地質(zhì)條件，錨索（桿）聯(lián)合應用受限的基坑中應用研究甚少。本文將結合福建地區(qū)工程實例，分別對微型鋼管樁在支護空間受限、粗砂和粉砂賦存，易出現(xiàn)流砂等現(xiàn)象的基坑（槽）中的應用進行分析，從支護計算所得各項安全系數(shù)、支護構件受力變形分析等方面進行對比闡述，歸納總結出一些有益的結論，進一步地推廣和指導微型鋼管樁在特殊工況基坑中的應用。

2 受力機理及計算模型

根據(jù)微型鋼管樁在基坑中的應用型式，其作用機理可分為兩種[3,4]：微型鋼管樁獨立作為支護構件時，微型鋼管樁為主要受力構件，起著抗彎作用，基坑下部未開挖土體對鋼管樁起著約束作用，可減少開挖時土層的側向變形；微型鋼管樁同錨桿或土釘同時作為支護構件時，微型鋼管樁則作為柔性構件，其改善了基坑土體的應力場，同時微型鋼管樁能同樁間的掛網(wǎng)噴砼支護面層形成整體，將坡體自重傳遞至坑底，減少坡體變形，提高基坑坡體的整體穩(wěn)定性。

目前，對于微型鋼管樁的計算理論沒有統(tǒng)一標準，主要分基于普通抗滑樁的計算方法、等效法和數(shù)值模擬計算方法[5,6]，基于上述，本文采用理正深基坑支護軟件鋼管樁計算模型、微型鋼管樁進行等剛度代換后的混凝土排樁、地下連續(xù)墻等模型進行計算分析，其中鋼管樁模型僅考慮了鋼管剛度，將鋼管內(nèi)灌注碎石和混凝土增強的剛度作為安全儲備?；炷僚艠杜c地下連續(xù)墻等剛度代換公式分別如下[7]：

EI=EsIs+EcIc（2-1）

EsIs=Ec(d+t)h3（2-2）

其中：EI——樁身抗彎剛度；

Es、Ec——鋼管彈性模量、混凝土彈性模量；

Is、Ic——鋼管與混凝土截面換算慣性矩；

d——樁徑；

t——樁凈距；

h——地下連續(xù)墻厚度。

3 基坑工程實例一

3.1 工程概況

龍巖一中原排洪箱涵線路位于在建用房基坑中，現(xiàn)對排洪箱涵進行改線，改線后排洪箱涵工程基槽長115 m，箱涵基槽開挖深度為3.0～3.8 m，南側箱涵線路緊靠原1F食堂，現(xiàn)食堂頂部加蓋1F活動板房，食堂淺基埋深約為2.0 m，東側箱涵線路靠近已建運動場，東北角箱涵線路距離6F居民用房約2.8 m，基礎埋深大于基坑開挖深度。東、南箱涵線另一側為緊鄰已施工在建用房基坑支護樁?；坶_挖深度較小，但是周圍環(huán)境復雜，基槽開挖對周邊影響大，屬于一級基坑，基槽平面及周邊環(huán)境詳見圖1。

圖1 工程平面布置圖

3.2 工程地質(zhì)條件

場地通過初步整平，地形比較平坦?；坶_挖范圍內(nèi)自上而下揭露了①雜填土、②粉質(zhì)黏土、②1粉質(zhì)黏土、③粉質(zhì)黏土、④粉質(zhì)黏土、⑤含卵石粉質(zhì)黏土、⑥含碎石角礫粉質(zhì)黏土、⑦1含有機質(zhì)粉質(zhì)黏土，各土層物理力學特性指標見表1。

表1 物理力學特性指標

場地地下水類型主要為第四系孔隙潛水，含水層為雜填土、含卵石粉質(zhì)黏土及含碎石角礫粉質(zhì)黏土層，均屬于弱透水層，主要受大氣降水和地表補給。場地穩(wěn)定水位為332.68～333.01，場地基槽開挖底標高高于地下水位標高，地下水對基槽開挖支護影響較小。

3.3 基槽支護設計

本工程設計難點在于南側箱涵均緊鄰2F建（構）筑，其基礎埋深約為2.0m。土方必須垂直開挖，土釘、錨桿等支錨構件受限。為縮短工期，箱涵內(nèi)側在建用房樁基同時施工，機械設備擁擠，基槽開挖施工作平臺狹小。綜合考慮地質(zhì)條件以及周邊環(huán)境，南側箱涵基槽靠近在建用房基坑側利用已建支護樁進行支護，另一側基槽采用Φ133壁厚4.0mm的無縫鋼管樁進行支護，樁間距為500mm，樁長為6m，樁間掛鐵絲網(wǎng)噴砼支護，考慮微型鋼管樁抗彎剛度小等不足，在基槽底部和頂部增設方剛同已建支護樁形成對撐，各鋼管樁頂部采用槽鋼焊接形成整體支護，以增加開挖邊坡體的整體穩(wěn)定性，支護剖面詳見圖2。

圖2 典型支護剖面圖

本工程采用理正軟件鋼管樁模型、地下連續(xù)墻模型以及混凝土排樁模型進行對比計算，等剛度代換后地下連續(xù)墻厚度約為40mm，等效混凝土排樁樁徑約為147mm。三種計算模型計算后最終工況內(nèi)力取值、位移大小以及各項安全系數(shù)對比如表2所示。

表2 各模型計算結果對比表

對比表2可知：鋼管樁模型與等效混凝土排樁模型計算的最大彎矩近似相等，約為地下連續(xù)墻模型的1.8倍；地下連續(xù)墻模型所得最大水平位移最大，三種模型最大水平位移均出現(xiàn)在與食堂基礎埋深相近的位置。對比三種模型計算所得的最大剪力可知，最大剪應力和最大剪應力距離坑頂距離均相近。三種模型計算得出的基坑整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性以及最大位移均能滿足規(guī)范[8]要求。該剖面基槽支護開挖后效果如圖3。鋼管樁與方鋼內(nèi)支撐的聯(lián)合應用對基槽開挖起到了很好的支護效果。

圖3 基坑開挖效果圖

4 基坑工程實例二

4.1 工程概況

福州京東方3#模組提升車間位于福清融僑經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)內(nèi)，提升間南側為廠區(qū)道路，車流量大，道路另一側為已建廠房，其余三側均為待建模塊廠房空地。提升間樁基承臺底標高為-8.1～-7.3m，基坑開挖高度為6.9～7.7m。基坑開挖深度較大，對周邊影響大，屬于一級基坑。提升間基坑平面位置如圖4所示。

圖4 基坑平面位置圖

4.2 工程地質(zhì)條件

場地原為農(nóng)田，局部山體出露，勘察期間基坑開挖范圍內(nèi)自上而下揭露了①素填土、①1雜填土、②粉質(zhì)黏土、②1粉質(zhì)黏土、②2粗砂、②3粉土、③卵石、⑥1砂土狀強風化凝灰?guī)r、⑥2碎塊狀強風化凝灰?guī)r、⑦中風化凝灰?guī)r。原場地標高為約為33.0 m，現(xiàn)場地通過填土碾壓整平至36.0 m，基坑開挖范圍內(nèi)各土層物理力學特性指標見詳見表3。

表3 物理力學特性指標

場地東側為虎溪，其由北向南流動，場地地下水類型主要為孔隙潛水，主要含水層為粗砂層、粉砂層以及卵石層，均屬于強透水層，受大氣降水和地下徑流影響?？辈炱陂g測得水位絕對標高約為26.18～34.42 m，地下水位標高高于基坑底標高，基坑開挖受地下水影響。

4.3 基坑支護設計

提升車間基坑開挖范圍中風化凝灰?guī)r等出露1.0～2.5m不等，屬于土巖結合基坑?；幽蟼染嚯x廠區(qū)道路約為3.0 m，車流量大。基坑地質(zhì)條件和水文條件較為復雜，基坑上部2.0～3.0m覆蓋后期壓實填土，主要含水層為粗砂層、粉砂層，基坑降水處理不慎將導致流砂，對周邊道路、建筑產(chǎn)生開裂影響，且基坑內(nèi)卵石粒徑較大。綜合考慮復雜水文地質(zhì)條件和周邊環(huán)境，本工程擬定兩種支護方案進行比較，一為上部填土段放坡+下部旋挖灌注樁與錨桿聯(lián)合支護，二為上部填土段放坡+下部雙排“類SMW樁”與錨桿聯(lián)合支護。

雙排“類SMW樁”+錨桿支護為Φ650@600雙管高壓旋噴樁內(nèi)插Φ108@600壁厚4.0mm的無縫鋼樁，樁排間距為1.2m，其實質(zhì)為鋼管樁與高壓旋噴樁的結合應用。錨桿間、錨桿與鋼管樁間通過槽鋼焊接形成整體，樁間采用掛網(wǎng)噴砼支護?！邦怱MW樁”嵌入中風化凝灰?guī)r，中風化凝灰?guī)r部分預留平臺后放坡支護。“類SMW樁”施工工序為先進行高壓旋噴樁施工，后引孔插入樁身按梅花型開注漿孔的鋼管和注漿管，管內(nèi)回填碎石后采用常壓灌注水泥凈漿。

旋挖灌注樁+錨桿支護即為Φ1000@2000的旋挖灌注樁與錨桿聯(lián)合作用，樁間高壓旋噴樁Φ650@600咬合形成一道止水帷幕，錨桿與支護樁間采用槽鋼連接形成整體。為減少篇幅，本文將雙排“類SMW樁”支護和旋挖灌注樁支護分別定義為“S支護”和“X支護”,并選取基坑深度最大，巖層出露少的剖面作為典型剖面進行對比分析，兩種支護剖面如圖5所示。

圖5 典型支護剖面圖

S支護旋噴樁間相互咬合，僅考慮旋噴樁支護作用，將鋼管樁作為安全儲備考慮時，可將S支護等效為水泥土格柵墻模型計算。若同時考慮旋噴樁與雙排鋼管樁的支護作用時，可將S支護等效為雙排混凝土樁模型計算。本文將S支護分別轉換為上述兩種模型計算，并將計算結果同旋挖排樁支護計算結果進行對比分析，各模型計算結果詳見表4。

X支護樁和S支護樁基坑邊坡整體穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性以及最大位移均能滿足規(guī)范[8]要求，且S支護的各項安全系數(shù)均大于X支護；兩種支護形式所得最大水平位移相近，但采用雙排混凝土樁模型計算S支護時，最大位移卻出現(xiàn)在基坑底部；X型支護最大剪力大于S支護，但兩種支護的最大剪力位置均位于坑底。由上述對比分析可知：S支護樁同樁間土體作為整體支護受力較優(yōu)于X支護樁的，同時考慮卵石粒徑大、砂層賦存厚等地質(zhì)條件，S支護的雙排高壓旋噴樁作為止水帷幕效果優(yōu)于X支護的，且S支護二次引孔注漿對周圍卵石、粗砂、粉砂等具有壓密、加固作用，增強了周圍土體間的黏結強度，可大大減少因止水效果差引起流砂的概率，增加基坑坡體的整體穩(wěn)定性。本工程最終選擇S支護樁進行支護設計，2015年底，基坑順利竣工驗收，S支護成功地應用于工程實際，其支護效果受到了各方面的好評。鑒于高壓旋噴樁與鋼管樁結合支護應用的雙重效果，該支護型式亦可在填土、軟土層賦存較厚的基坑中推廣應用。

表4 各支護方法計算結果對比表

混凝土排樁模型41.26 19.29 7.77 5.85 7.71 7.70 3.30 2.21

5 結論

（1）在施工場地狹小，周圍環(huán)境復雜、支護空間受限的特殊基坑中，微型鋼管樁結合內(nèi)支撐構件能夠充分地發(fā)揮優(yōu)勢，這對密集建筑群中基坑開挖支護，以及國家管網(wǎng)整改基槽支護等都是一種科學的選擇。

（2）對降水時易出現(xiàn)流砂現(xiàn)象的特殊基坑，高壓旋噴樁與鋼管樁的結合應用是種高效的支護手段，樁體不僅起著支護的作用，而且是很好的止水屏障。同時，鋼管樁注漿對于旋噴樁和周圍土體具有二次壓密和加固的作用，增強了周圍土體間黏結強度，進一步提高了基坑邊坡體整體穩(wěn)定性。

（3）鑒于高壓旋噴樁與鋼管樁結合支護應用的多重效果，該種支護型式亦可在填土、軟土以及淤泥質(zhì)土較厚的特殊土層基坑中得到很好的應用和推廣。

（4）在工程實際應用中，微型鋼管樁的支護設計可同時采用等剛度代換的原則轉換為地下連續(xù)墻模型、等效混凝土樁模型、水泥土墻模型進行對比分析。

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