姚 實(shí)

(中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)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(nèi)撐和支護(hù)樁組合的形式,但在基坑跨度較大情況下,常規(guī)的水平內(nèi)支撐方式也無(wú)法滿足要求。相對(duì)而言,斜撐與支護(hù)樁組合的基坑支護(hù)形式憑借其可靠性、靈活性及經(jīng)濟(jì)性得到越來(lái)越多的應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)目前的傳統(tǒng)斜撐支護(hù)需要基礎(chǔ)底板作為底部支撐,即布置斜撐應(yīng)先施工中間部分底板結(jié)構(gòu),但基坑周圍復(fù)雜的地質(zhì)條件下,斜撐安裝越晚,對(duì)基坑和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全越不利;且基礎(chǔ)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(jī)械開(kāi)挖條件限制多,從而大大限制了斜撐支護(hù)的應(yīng)用。自穩(wěn)定超前斜撐作為基坑圍護(hù)工程中的新型支護(hù)方式,相比傳統(tǒng)斜撐支護(hù),它不需要基礎(chǔ)底板作為底部支撐,可以先行施工,在施工過(guò)程中,通過(guò)調(diào)整斜撐角度和剛度,使斜撐自身形成平衡,實(shí)現(xiàn)基坑的支撐和固定。

自穩(wěn)定超前斜撐的施工流程簡(jiǎn)便,不依賴于基礎(chǔ)邊留置三角土,因此具有更高的施工可操作性。同時(shí),由于斜撐的自穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)性,適應(yīng)了基坑跨度較大的情況,解決了傳統(tǒng)水平內(nèi)支撐方式無(wú)法滿足要求的問(wèn)題。本文基于工程實(shí)例,結(jié)合軟件計(jì)算和數(shù)據(jù)分析,論證了自穩(wěn)定超前斜撐在深度較淺、跨度較大的基坑圍護(hù)工程中的應(yīng)用,為之后的同類工程的設(shè)計(jì)、施工提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目概況

本工程位于紹興市越城區(qū)塔山街道,延安路以南,環(huán)城東路以西,稽山路東側(cè)。主要建筑物為6層住宅樓15幢(樓號(hào)1號(hào)—15號(hào))、配套用房及整體地下室。設(shè)1層地下室,地下室面積約24 580 m2,±0.000 m相當(dāng)于黃海標(biāo)高6.450 m,現(xiàn)場(chǎng)整平標(biāo)高按5.2 m計(jì)(-1.250 m)?；A(chǔ)底板面標(biāo)高-5.500 m,基礎(chǔ)底板厚400 mm,墊層厚150 mm,開(kāi)挖深度約4.8 m。本工程重要性等級(jí)為三級(jí),場(chǎng)地復(fù)雜程度等級(jí)為二級(jí),地基復(fù)雜程度等級(jí)為二級(jí)。場(chǎng)地土類型屬中軟場(chǎng)地土,基坑底位于淤泥質(zhì)土層中,坑內(nèi)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)較大。

1.2 工程地質(zhì)條件

項(xiàng)目場(chǎng)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(zhì)黏土,層厚0 m～2.3 m、③2-2粉質(zhì)黏土,層厚0.00 m～3.00 m、④3淤泥質(zhì)黏土,層厚0.8 m～5.9 m、⑤4-1粉質(zhì)黏土,層厚0.00 m～5.40 m、⑥4-2a粉質(zhì)黏土,層厚0.00 m～11.50 m、⑦5黏土,層厚0.00 m～14.20 m、⑧6粉質(zhì)黏土,層厚1.50 m～9.10 m,各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 各土層物理力學(xué)性質(zhì)

1.3 基坑支護(hù)方案

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)形式需綜合考慮工程特點(diǎn)、周圍環(huán)境和工程地質(zhì)條件等因素,才能得到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、施工方便的基坑支護(hù)方案。

根據(jù)本工程開(kāi)挖深度、開(kāi)挖范圍、地層情況及周圍環(huán)境條件,經(jīng)綜合對(duì)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(fù)合土釘墻的支護(hù)方案。由于本工程基坑跨度大,北側(cè)臨近居民樓、西側(cè)距離車輛行駛道路只有5 m,故基坑西、北兩側(cè)采用自穩(wěn)定超前斜撐體系,如圖1所示。

2 自穩(wěn)定超前斜撐體系

2.1 自穩(wěn)定超前斜撐體系概述

自穩(wěn)定超前斜撐體系是指利用斜撐獨(dú)立承臺(tái)基礎(chǔ)的獨(dú)特形狀,增大其底部與土體的接觸面積,同時(shí)對(duì)承臺(tái)底部及周邊土體進(jìn)行加固,結(jié)合錨入基礎(chǔ)的槽鋼或松木樁等增加承臺(tái)支撐能力,最后通過(guò)鋼管斜撐連接承臺(tái)基礎(chǔ)與圍護(hù)樁,從而形成一個(gè)獨(dú)立自穩(wěn)定的整體受力體系。本體系克服了傳統(tǒng)斜撐需要基礎(chǔ)底板作為支撐的缺點(diǎn),可在地下室基坑開(kāi)挖前通過(guò)局部開(kāi)槽法完成承臺(tái)基礎(chǔ)施工及斜撐安裝,超前形成斜撐支護(hù)體系,為后續(xù)基坑的大面積開(kāi)挖提供有力條件[1](見(jiàn)圖2,圖3)。

2.2 施工工藝流程

自穩(wěn)定超前斜撐具體施工工藝流程為:施工前準(zhǔn)備→BIM施工模擬→水泥土攪拌樁加固→基礎(chǔ)底座開(kāi)挖→槽鋼加固→底座支模、鋼筋綁扎、角度調(diào)整→基礎(chǔ)混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)→斜撐安裝→施加預(yù)應(yīng)力→換撐帶施工→斜撐拆除→施工完成。

2.3 新型斜撐關(guān)鍵施工技術(shù)

2.3.1 BIM技術(shù)施工過(guò)程模擬

施工前,采用BIM技術(shù)對(duì)斜撐安裝全過(guò)程進(jìn)行模擬施工,提前規(guī)劃施工場(chǎng)地、施工機(jī)械、施工材料、車輛行走路線,達(dá)到減少材料浪費(fèi)、安全施工的目的[2]。通過(guò)對(duì)模型的查看,發(fā)現(xiàn)安裝過(guò)程中構(gòu)件的碰撞和沖突,提前分析和解決,找到合理的優(yōu)化方案,見(jiàn)圖4。

2.3.2 承臺(tái)區(qū)域土方開(kāi)挖

承臺(tái)區(qū)域采用小范圍盆式開(kāi)挖的方法,由承臺(tái)區(qū)域分層分段向四周開(kāi)挖,直至承臺(tái)底部,并對(duì)承臺(tái)周邊土體進(jìn)行大放坡。斜撐區(qū)域土方開(kāi)挖至保留的土臺(tái)頂面標(biāo)高處,利用留位的土臺(tái)來(lái)保證支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定,見(jiàn)圖5。

2.3.3 承臺(tái)區(qū)域土體加固

為提高承臺(tái)基礎(chǔ)底部摩阻力和土體的承載力,有效控制承臺(tái)基礎(chǔ)在土體中的位移,在承臺(tái)范圍內(nèi)采用φ600@400 mm水泥土攪拌樁對(duì)土體進(jìn)行加固。

承臺(tái)范圍土的力學(xué)性能較差處將16號(hào)槽鋼插入土體,均勻排布。

1)采用16號(hào)槽鋼對(duì)承臺(tái)區(qū)域進(jìn)行加固,槽鋼長(zhǎng)度、數(shù)量根據(jù)實(shí)際土質(zhì)條件確定。

2)將槽鋼固定至設(shè)計(jì)位置,采用錘擊法將槽鋼打入至規(guī)定深度。

3)槽鋼施打順序,宜從中間向四周或兩邊對(duì)稱施打。

4)槽鋼的上端向支護(hù)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(shí)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(yù)埋鋼板面貼合。因此,通過(guò)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(jìn)行牢固連接。焊接完成后,對(duì)焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢查,見(jiàn)圖7。

2)斜撐在底座牛腿處設(shè)活絡(luò)頭,用于施加預(yù)應(yīng)力。當(dāng)牛腿的強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度時(shí),人工用千斤頂將活絡(luò)頭頂開(kāi),當(dāng)預(yù)應(yīng)力值達(dá)到300 kN～500 kN時(shí),將鋼板放入活絡(luò)頭中,即預(yù)應(yīng)力施加完成。千斤頂頂撐見(jiàn)圖8,預(yù)應(yīng)力施加完成見(jiàn)圖9。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)果分析

采用理正深基坑計(jì)算軟件對(duì)圍護(hù)樁的內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算,運(yùn)用增量法選取斜撐體系圍護(hù)結(jié)構(gòu)最不利的典型剖面進(jìn)行計(jì)算[3]。

1)地面超載值取值:基坑西側(cè)為一般區(qū)域,地面超載取20 kPa;基坑?xùn)|、南、北側(cè)臨近居民樓或設(shè)有堆場(chǎng),地面超載取30 kPa。

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

3)鋼管斜撐的支錨剛度取值:對(duì)于鋼管斜撐,采用φ609 mm×12 mm鋼管,Q235B鋼。支錨剛度計(jì)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(kāi)挖過(guò)程中主要考慮以下五類工況:

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

計(jì)算結(jié)果如圖10—圖12所示。

由典型斜撐剖面計(jì)算結(jié)果可知:

1)隨著土方開(kāi)挖深度的增加,鋼管斜撐的軸力也不斷增大,直至趨于穩(wěn)定。由數(shù)據(jù)可知,在整個(gè)基坑開(kāi)挖過(guò)程中,工況三基坑開(kāi)挖至坑底時(shí),支撐軸力最大,根據(jù)角度換算后,可得鋼管斜撐軸力為498.22 kN。2)工況三時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大為5.14 mm,最大水平位移發(fā)生在基坑頂面以下4 m左右處。3)根據(jù)工況五的數(shù)據(jù)分析,拆除鋼管斜撐時(shí),支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移略有增大,但總體保持穩(wěn)定。4)整個(gè)基坑施工過(guò)程中,支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移未超過(guò)30 mm,滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制要求。

4 基坑監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

4.1 基坑圍護(hù)監(jiān)測(cè)

本工程通過(guò)對(duì)斜撐體系進(jìn)行支撐軸力監(jiān)測(cè)和支撐深層土體變形監(jiān)測(cè),對(duì)斜撐體系的穩(wěn)定性進(jìn)行分析[4]。

本工程采用振弦式表面應(yīng)變計(jì)和609A型振弦式讀數(shù)儀對(duì)鋼管斜撐進(jìn)行軸力監(jiān)測(cè);在土體中預(yù)埋測(cè)斜管,通過(guò)測(cè)斜儀觀測(cè)埋深4 m處土體水平位移。

支撐軸力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和埋深4 m處的土體深層水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別如圖13,圖14所示。

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

目前除東北側(cè),其他區(qū)域地下室底板均已澆筑施工完畢,現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度如圖15所示。整個(gè)施工過(guò)程中,根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明在自穩(wěn)定超前斜撐體系控制下的基坑變形滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求[5]。

1)與理正深基坑軟件計(jì)算結(jié)果對(duì)比,軟件計(jì)算的軸力值498.22 kN大于實(shí)際測(cè)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(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)勘察報(bào)告中巖土體力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了折減;另一方面由于現(xiàn)有計(jì)算模型對(duì)真實(shí)條件進(jìn)行了簡(jiǎn)化,為了方便計(jì)算,故測(cè)量結(jié)果與理論值存在一定的差異。

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

3)從基坑開(kāi)始施工至土方開(kāi)挖至坑底,土體深層水平位移增長(zhǎng)較快但基本不超過(guò)1 mm/d,滿足規(guī)范要求。土方開(kāi)挖至坑底至底板澆筑完成拆撐期間,深層土體位移隨時(shí)間呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)且增長(zhǎng)平緩,位移最大累計(jì)值18.31 mm,未超過(guò)50 mm,滿足土體位移要求。

5 結(jié)語(yǔ)

目前基坑圍護(hù)施工基本完成,總的來(lái)說(shuō)新的施工工藝采用BIM應(yīng)用技術(shù),確保了鋼管支撐的安裝精度,避免了不必要的浪費(fèi)?？茖W(xué)的支撐方式,用超前自穩(wěn)定斜撐的支護(hù)形式,能更有效控制圍護(hù)變形,對(duì)比混凝土對(duì)撐節(jié)省施工成本約50%以上。精確的測(cè)量,所有構(gòu)件基本一次成型,減少了不必要二次返工的費(fèi)用。獨(dú)立的承臺(tái)基礎(chǔ),可在地下室土方開(kāi)挖前完成支護(hù),對(duì)比混凝土對(duì)撐節(jié)省工期約1個(gè)月。

通過(guò)對(duì)自穩(wěn)定超前斜撐體系的數(shù)值模擬、實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果以及施工全過(guò)程應(yīng)用的分析,得出以下結(jié)論:

1)理正單元計(jì)算的準(zhǔn)確性還有待提高,但反映的變化趨勢(shì)基本符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,故可用來(lái)指導(dǎo)施工。2)工程實(shí)踐表明自穩(wěn)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(huán)境復(fù)雜的大面積基坑工程,且能有效加快施工進(jìn)度,節(jié)約施工成本。3)采用斜撐體系超前支設(shè)的方式,解決了傳統(tǒng)斜撐需在部分底板澆筑完成后才能進(jìn)行斜撐安裝的缺點(diǎn),大大的提高了基坑和支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。4)鋼管斜撐拼裝方便,投入使用快,鋼管斜撐采用可調(diào)節(jié)活絡(luò)頭+不同規(guī)格尺寸的支撐體系,對(duì)場(chǎng)地要求較低,可滿足內(nèi)支撐不同長(zhǎng)度的需求,安拆及運(yùn)輸便捷,拆卸后可重復(fù)利用,周轉(zhuǎn)率較高。5)埋入土中的承臺(tái)基礎(chǔ)的未采用長(zhǎng)方體的結(jié)構(gòu)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(tái)底面的摩擦面積,提高斜撐體系整體的承載能力。6)承臺(tái)下部,設(shè)置一定數(shù)量?jī)A斜的槽鋼,極大的提高了斜撐體系的承載能力和穩(wěn)定性。7)在整個(gè)施工過(guò)程中,鋼管斜撐的軸力并未達(dá)到預(yù)計(jì)算的最大值,且土體的位移符合設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)且無(wú)任何異常情況出現(xiàn)。這些觀察結(jié)果表明,當(dāng)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(guò)調(diào)整斜撐的角度,可以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的受力形態(tài)。