某基坑支护结构设计探讨

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摘要：某基坑已开挖至一定深度, 由于业主对基坑方案进行调整, 原支护措施已不能满足工程需要, 因此必须对基坑支护进行重新设计。

关键词：建设工程基坑支护人工挖孔桩锚杆加固

随着我国高层建筑的快速发展，地下空间的充分利用，深基坑支护设计与施工成了城市基本建设工程中的重要问题。目前很多基坑工程都是在既有建筑物附近施工，因此，如何保证深基坑支护工程既安全可靠又经济合理，又确保基坑周围原有建筑物、构筑物、地下管线及道路等的安全，是基坑支护工程设计都必须考虑的因素。

一、工程概况

拟建物占地面积为2431.13m2, 建筑总面积为6309.37m2, 由主楼、辅楼和地下车库组成, 其中主楼为4层船形大跨度证营业厅,辅楼为6层, 均为现浇框架结构, 基础采用柱下钢筋混泥土独立基础,基底放置于稍密卵石层上;主、辅在1～3层相连, 其下有一层地下车库, 地下车库基坑深度3.90m。

目前基坑降水、支护和土方开挖已施工至3.90m, 基坑西北角和西南角采用人工挖孔桩支护,其余地段采用喷锚支护。由于业主对方案进行了调整, 增设一层地下室, 地下室基坑深度也增加至8.50m, 原降水措施和支护措施已经不能满足基坑施工的需要。因此, 需要对该基坑降水措施和支护措施的现状进行分析评价, 并在此基础上对新的基坑开挖方案进行降水、护壁设计。

二、工程周围环境和地质概况

1.地质概况

勘察报告提供的场地地层情况为:1人工填土:层厚1.10～4.30m; 2素填土: 层厚0.60～3.10m;3粉土: 层厚0.30～2.70m;4卵石: 卵石层一般粒径8～6cm, 粒径较大者可达9～15cm, 卵石层顶面埋深一般在4.80～ 6.70m, 按密实程度分为稍密、中密、密实3个亚层。

地下水为赋存于第四系冲洪积砂卵石层中的孔隙潜水和少量的赋存于人工填土层的上层滞水, 主要受大气降水及地下径流补给, 正常状态下场地地下水位为1.50～3.00m, 地下水年变化幅度为2.0m，场地内地下水渗透系数可采用k= 18m/d。

2.场地周围环境

根据现场调查发现场地周围环境比较复杂, 具体情况如下(图1):

2.1 基坑东侧紧邻城市干道, 其下为地下商城,基坑开挖线距离地下商城外墙线约7.00m, 同时, 该地段内埋设有地下管线, 埋深小于2.00m。

2.2 基坑南侧临近城市次干道, 地下设有地下管线。

2.3 场地东北角为盐务大楼, 该工程设置2层地下室, 基坑深度8.5m。本工程基坑将紧靠该大楼地下室外墙开挖, 该段基坑不需要进行支挡。

2.4 场地西北角和西侧,分布有4幢6～7层的多层建筑, 距离基坑开挖线5～ 8m, 以上4幢建筑均为浅基础。

2.5 场地南侧施工单位设置了一幢办公楼, 该楼长10.80m, 宽约4.00m,层高2层,为轻质活动板房,该建筑边线紧靠基坑开挖线。

2.6 拟建场地四周设置有砖墙围墙, 北侧和北西侧围墙距离基坑开挖线约50～80cm, 东侧围墙距离基坑开挖线约1.50m, 其余部位距离基坑开挖线均大于3.00m。

图1基坑支护平面图

注: (1)本场地共布置降水井5 口, 其中1～4号井为原已施工井, 5号井为新增加井,井深为20m (由于场地条件限制,5号井施工在基坑内); (2) 1～24号为原已施工护壁桩, 对该地段需要进行锚拉加固;(3)25～59号桩为新增加桩, 桩径为1.0m, 桩长为11.4m ( 嵌固深度为2.9m), 桩距为3m; ( 4)基坑开挖线长约为200m。

三、基坑支护方案的选择分析与设计

1. 原基坑护壁设计方案简介

原基坑支护方案为: 场地的西北角和西南角设计为桩锚复合结构支护(即人工挖孔悬臂支护桩辅以桩间喷锚支护(图1); 其余地段设计为喷锚护壁,详细介绍如下:

1.1 基坑西北角: 该段布置13#～24#共12根人工挖孔桩, 桩径800mm, 桩心距2.00m, 桩长6.80m, 桩间挂金属网片喷射混泥土面板进行支护。

1.2 场地西南角: 该段布置1～12#共12根人工挖孔桩, 桩径800mm, 桩心距3.50m, 桩长为10.15m,桩间采用喷锚支护, 锚杆采用φ48δ3.2钢管, 纵向间距1.50m, 横向间距为1.00～1.50m。

1.3其余地段采用喷锚支护, 锚杆采用φ48δ3.2钢管, 纵向间距1.30m, 横向间距为1.50m。

2. 原基坑支护措施的分析

2.1原喷锚护壁支护: 喷锚护壁按照基坑深度3.90m考虑, 当基坑深度增加至8.50m时, 所有锚杆均处于破裂面以内, 已经不能起到锚固的作用而全部失效, 虽然面板、锚固对于基坑壁的土体稳定有利, 但其作用是十分有限的, 在重新设计护壁方案时, 仅仅可以将其作为安全储备来考虑。因此, 原来的喷锚护壁将全部报废。

2.2基坑西北角的人工挖孔桩护壁: 该处人工挖孔桩桩长仅仅为6.80m, 基坑开挖后所有的人工挖孔桩将全部(悬挂)在基坑壁上, 虽然以上人工挖孔桩已经不能起到支挡基坑的作用, 但是如果采用锚拉桩支挡结构时, 还是可以将其作为支挡结构的骨架来使用, 采用锚拉桩支护结构,可以有效地将人工挖孔桩锚固在基坑壁上, 解决(悬挂)在基坑壁上而存在倒塌的危险。

2.3场地西南角的人工挖孔桩桩长10.15m, 基坑开挖后嵌固深度仅为1.65m, 已经不能满足基坑施工的需要, 经过验算, 在该段可以设两道锚杆, 将支护结构变更为锚拉桩后,可以满足基坑施工的需要。

3. 基坑支护方案的选择

通过以上工程环境特点、原支护措施和工程难点、特点的分析,结合拟建场地工程地质条件, 进行反复比较、验算, 在充分考虑工程的安全性,经济性和合

理性的基础上,现采用如下3种支护方案(图1):

3.1场地西北角人工挖孔桩支护段(13#～24#桩): 原有的12根人工挖孔桩给予保留,在桩与桩之间增加1根桩, 作为锚拉桩支护体系的骨架, 增设3道预应力锚杆。人工挖孔桩、锚杆共同作用, 一方面对基坑进行有效支挡, 另一方面将人工挖孔桩固定在基坑壁上, 防止其倒塌, 桩底以下采用锚杆进行支护。

3.2 场地西南角人工挖孔桩支护段(1#～12#桩): 原有的12根人工挖孔桩给予保留, 增设两道锚杆形成锚拉桩支护体系。

3.3 喷锚支护段: 所有喷锚支护全部报废, 采用人工挖孔悬臂桩进行支挡,护壁桩设置在喷锚护壁面板后面, 喷锚护壁面板和悬臂桩连为一体,不需要将原有的喷锚拆除。临顺城街段仍然采用喷锚护壁支护。

4.基坑支护工程设计

4.1 西北角支护段( 13#～24#桩处)

(1)原人工挖孔桩上设置3层预应力锚杆,锚杆长度分别为12.00m、9.00m 和8.00m, 纵向位置分别位于-2.00m,-4.34m和-6.00m, 横向位置位于两桩中间, 共设置25列锚杆。锚杆材料采用φ50地质钻杆, 锚固力设计值分别为195kN、295kN、195kN, 每排锚杆设置一道腰梁, 腰梁采用20号槽钢, 垫板200mm× 200mm×20mm。

(2)原人工挖孔桩桩底至基坑底部(即基坑深度6.80～8.5m 处), 基坑壁高度为1.70m, 该段采用喷锚支护, 共设置2排锚杆, 锚杆纵向间距为700mm, 横向间距为1500mm, 锚杆采用φ48钢管, 第一排锚杆长度为5.00m, 第二排锚杆长度为3.00m。

(3) 喷锚支护结构设计: 采用细石混凝土,配合比水泥: 中砂: 碎石= 1：2：2,强度等级为C20;支护面厚度为50～80mm; 网筋采用φ6.5@ 200钢筋绑扎而成, 主筋采用φ14,主筋纵、横间距同锚杆纵、横间距。

4.2 西南角支护段( 1#～12#桩处)

原人工挖孔桩上设置二排预应力锚杆, 锚杆长度分别为12.00m 和9.00m, 纵向位置分别位于-2.00m和-4.00m 处,横向位置位于两桩中间,水平间距3.50m, 共设置13 列锚杆, 锚杆材料采用φ50地质钻杆, 锚杆锚固力设计值为120kN。每排锚杆设置一道腰梁, 腰梁采用20号槽钢, 垫板200mm×200mm×20mm。

4.3 原喷锚支护段

(1)支护桩长11.40m, 其中嵌固深度为2.90m,桩径1000mm, 桩距3.0m, 混凝土强度C20, 钢筋保护层厚度为60mm, 桩顶连梁为1000mm×500mm,桩孔采用现浇混凝土护壁, 厚度为150mm, 强度等级为C20。

(2)由于原喷锚护壁有一定的坡度, 护壁桩位于喷锚护壁面板后, 因此在基坑开挖时不可能将桩体开挖出来, 因此不可能像正常情况下采用悬臂桩支护一样在桩间挂网面层采用喷射混凝土与钢筋网组成的钢筋混泥土板结构, 因此, 深度3.90m～8.50m段拟采用喷射混凝土与钢筋网组成的钢筋混凝土板结构进行支挡, 网筋采用φ6.5@ 200钢筋绑扎而成, 主筋为φ14,主筋纵、横间距1.20m, 同时,在开挖该段基坑时, 应尽可能地放坡, 必要时可以往基坑壁上打入0.50～1.00m 的φ18螺纹钢, 纵横间距均为1.20m, 以便于挂钢筋网片和φ14主筋。

(3)在每2个支护桩间从上到下每1.50m 布置1个泄水孔, 当每层支护面完成喷射细石混凝土面层施工工作后, 用钢纤凿泄水孔。

四、结语

(1)本基坑工程已经开挖, 对已经存在的支护措施的处理是本工程最大的难点。由于本基坑已经进行了开挖, 拟建场地北侧和北西侧围墙距离基坑开挖线50～80cm, 东侧围墙距离基坑开挖线约1.5m。以上部位围墙距离基坑太近,一方面造成基坑支护施工时无工作面, 另一方面存在基坑施工过程中围墙发生倒塌的危险。因此在做支护方案设计时, 必须考虑基坑已经开挖场地十分狭窄的不利因素。

(2)本工程根据周围环境和基坑本身条件同时采用多种支护方法, 这样不仅节约了成本,而且也充分发挥了各种支护形式的优越性,从而达到“安全可靠,技术可行,经济合理, 施工方便”的要求。

(3)本工程周围环境条件复杂, 确保基坑四周建(构)筑物和地下管线的安全是本工程的难点， 因此无论设计在理论上多么合理, 施工时都必须在整个施工过程中对基坑工程进行监测, 及时反馈信息,以便设计者及时调整修改方案。

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